本科生畢業(yè)設(shè)計第12頁
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2010年第三屆國際信息與計算會議
大型振動篩篩箱的模態(tài)特性研究和有限元分析
摘要-通過使用有限元分析軟件ANSYS，建立了大型振動篩的靜載應(yīng)力分布模型，同時，分析了大型振動篩篩箱的動態(tài)特性，得到了篩框的低階固有頻率和振篩箱的模態(tài)，以及在額定負(fù)荷下篩框各部分的應(yīng)力分布、變形情況，它提供了有關(guān)設(shè)計改進(jìn)和動強度研究的必要基礎(chǔ)。針對網(wǎng)框底部和側(cè)板連接處產(chǎn)生的裂縫，根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)論，改善篩箱結(jié)構(gòu)，改變鋼管與側(cè)板的焊接連接為法蘭連接，這種改進(jìn)得到良好的效果。
關(guān)鍵詞 大型振動篩，篩箱，有限元，模態(tài)特性。
一 導(dǎo)言
大型振動篩由偏心塊激振器、篩箱、電機、底座和附屬設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠等的特點。篩箱結(jié)構(gòu)采用焊接接頭，牢固而可靠，如圖1所示。除了在在中部有偏心軸外，在每個主軸的兩端都固定有偏心輪。通過三角皮帶的連接，電機帶動偏心塊高速旋轉(zhuǎn)。偏心塊產(chǎn)生很大的離心力，帶動篩箱作特定振幅的周期運動。彈簧是用來支撐篩框，并降低篩框運轉(zhuǎn)時傳給地基的激振力。
二 篩箱模型
以2YAC2460大型振動篩的模型為研究對象。有兩種方法建立篩箱有限元模型：一種方法是在CAD中建立模型，然后將模型導(dǎo)入ANSYS，這不僅需要長時間建立模型，也需要很長的時間來計算，甚至無法獲得結(jié)果；另一種方法是在ANSYS中建立篩箱有限元模型。這種方法可以快速建立模型，計算快速、準(zhǔn)確 。
1. 篩箱有限元模型
為了準(zhǔn)確合理地模擬篩箱，使用63個殼單元，188個梁單元， 14個組合單元， 21個質(zhì)量單元來分別模擬側(cè)板，上篩框，底部篩框，彈簧和激振單元。如表1所示。
要注意的是，在完成網(wǎng)格劃分以后，必須有共同的節(jié)點來傳遞不同厚度側(cè)板之間、側(cè)板與橫梁之間、側(cè)板和加強筋之間的載荷；否則在板單元交界處、板單元和梁單元之間在計算過程中會發(fā)生分離，導(dǎo)致結(jié)果的不準(zhǔn)確乃至模型建立的失敗。側(cè)板是由一定數(shù)量的面組成，這其中包括的邊界就是加強梁。曲面邊界線的交點是側(cè)板與板梁的連接點。網(wǎng)格劃分完之后就完成了模型的建立，無論是通過焊接連接還是通過法蘭連接都沒有問題。在這個模型中，有公共節(jié)點來代表他們。在篩框側(cè)板模型中，螺栓、法蘭的質(zhì)量和剛度對篩箱系統(tǒng)的影響都非常小，如果在模型的建立，將給網(wǎng)格劃分帶來麻煩，并明顯地增加數(shù)字單位，因此忽略他們。篩箱處理后的的有限元模型如圖2顯示：
2. 邊界條件和激振力分析
在振動篩工作??過程中，篩箱承受重力、激振力、彈簧恢復(fù)力和阻尼力。振動篩是一種慣性振動，主要是靠來自激振器偏心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的慣性力。彈簧恢復(fù)力和阻尼力可以忽略不計，因此，針對篩框的強度分析，它受重力和激振力。偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振力，它等價于作用在兩個側(cè)板上的集中力，然后在X，Y方向分解，得到的分力為，。為了實現(xiàn)仿真，它利用在ANSYS中的剛性區(qū)域設(shè)置，視偏心塊為質(zhì)量單元，分別在偏心輪的旋轉(zhuǎn)中心建立了四組質(zhì)量單元，然后用這四個點的質(zhì)量單元代表四個偏心塊的質(zhì)量，以此作為它的主節(jié)點，并在偏心塊的安裝位置設(shè)置16個節(jié)點，模擬激振器和側(cè)板法蘭的從節(jié)點。通過建立ANSYS的剛性區(qū)域命令，來連接主節(jié)點和從節(jié)點。這兩個激振器傳動軸的轉(zhuǎn)速相同，其力學(xué)特征為正弦。將它沿水平和垂直方向的激振力分解，并計算出偏心軸的質(zhì)量，將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用到激振器與側(cè)板連接處得節(jié)點處。
角速度的大小是由電機和皮帶輪傳動比的大小決定的：
偏心距：r=107.5mm，偏心塊重量：m=209Kg。
3. 邊界條件
對篩框進(jìn)行了有限元分析，為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，有必要施加邊界約束條件。例如，簡化螺旋彈簧作為拉壓邊界支撐彈簧，依次確定計算模型的邊界條件。利用ANSYS中的彈簧-阻尼單元來模擬橡膠彈簧，該單位一端和篩框連接，而另一端與地連接。
三 篩箱靜力分析
在ANSYS軟件中，設(shè)置的分析類型為靜態(tài)，規(guī)劃求解器會自動求解模型[4]，求解結(jié)果將在后處理器POST1中顯示。
根據(jù)靜載荷下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力位于振動篩下部管梁處。側(cè)板上激振器周圍承受最大力的地方應(yīng)力最小；底部管梁連接處、側(cè)板連接處得最大應(yīng)力為31.7Mpa。在振動篩實際運行的情況下，會在激振器底部產(chǎn)生裂縫，有時也產(chǎn)生在與梁與側(cè)板的連接處。在偏心激振力的作用下，它會在管梁與側(cè)板之間產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此，裂縫由于焊接殘余應(yīng)力而產(chǎn)生，這是符合實際情況的。
四 篩箱模態(tài)分析
由于振動篩依靠振動篩體進(jìn)行工作，因此，有一個工作頻率。如果頻率正好處于或太接近自然頻率，將會發(fā)生共振現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生共振時，理論上振幅是無限大的，在這種情況下，振動篩結(jié)構(gòu)將很快被破壞，并將產(chǎn)生很大的噪音。此外，在周期性變化的激振力的作用下，箱體的位移和應(yīng)力將產(chǎn)生變化。在工作頻率的作用下，有些地方可能承受了很大的響應(yīng)或過剩的壓力，它將變得容易疲勞而容易損壞。例如，通過使用大型振動篩領(lǐng)域的經(jīng)驗可以發(fā)現(xiàn)，振動篩的主要故障是跨片破裂，因此，僅做篩框的靜態(tài)分析是不夠的。當(dāng)對篩框進(jìn)行動態(tài)分析時，應(yīng)從三個方面進(jìn)行。首先，根據(jù)它的自然頻率和模態(tài)形式做模態(tài)分析，并對它進(jìn)行評估和修改，以避免其自然頻率等于或接近工作頻率。然后進(jìn)行動態(tài)分析，通過觀察應(yīng)力和位移云圖的分布，看看是否在振動篩工作時存在應(yīng)力過大的現(xiàn)象。最后，由于振動篩是根據(jù)固定頻率激振力而工作，有必要做它的諧波響應(yīng)分析，并考慮諧波響應(yīng)的情況，以免諧共振現(xiàn)象。
模態(tài)分析是用來確定振動篩的固有頻率和模態(tài)形式，所以它是一個動態(tài)設(shè)計的重要一步。典型的非阻尼模態(tài)分析的基本方程是經(jīng)典特征值問題：。
其中k是剛度矩陣，Φi??是一階下的特征向量，ωi是一階模態(tài)下的固有頻率，M是質(zhì)量矩陣。
模態(tài)分析包括四個步驟：建模、施加載荷、求解、模態(tài)擴展、結(jié)果展現(xiàn)和后處理。模型可以是在這一節(jié)中建立的有限元模型；唯一有效的“有效載荷“是在振動篩模態(tài)分析中的零位移約束，而其它負(fù)載將被忽略。此外，要確定要求解的階數(shù)，就是要確定求解多少階固有頻率，振動篩的模態(tài)擴展將寫入輸出文件中。做完這些工作后，振動篩的模式可以在后處理器中觀察到。最后，觀察自然頻率和振動篩模型振動模式，而振動模式可以在動畫[8]中觀察到。
在ANSYS軟件中，篩箱固有頻率的前30階值如表2所示。從表4.5中可以觀察到，接近篩框的工作頻率為f (0) =800/60=13.33HZ。它是第25階、26階、27階的固有頻率。在ANSYS中，振動篩模式與固有頻率模式圖，可通過擴展振動模式獲得。圖4為26階篩箱振型圖。
表2列出了這些模態(tài)頻率及振型圖，從中可以看出，第26階的模態(tài)形式與實際運動狀態(tài)一致，其自然頻率也與實際符合。這些都說明了該模型的準(zhǔn)確性。此外，在26階模態(tài)頻率左右的頻率都是超過工作頻率10％以上的頻率。振動篩遠(yuǎn)離共振點而工作，因此，其工作頻率也遠(yuǎn)離自然頻率。這些數(shù)據(jù)表明該振動篩的設(shè)計是合理的。從第27階模態(tài)的振動看，振動篩的振動水平反向，所以在實際工作中，在篩箱下部安裝4個彈簧以緩沖應(yīng)力和位移。
五 結(jié)構(gòu)改進(jìn)
從圖3中可以看出，受力最大的位置在激振器孔周圍的底部、底部管梁的連接處和側(cè)板處。為了有效地增加剛性，我們對產(chǎn)品作了相應(yīng)的改進(jìn)，使底部管梁和側(cè)板的連接變成法蘭連接。
在離心激振力的作用下，它在管梁和側(cè)板連接處產(chǎn)生了一個垂直方向上不斷變化中的焊接內(nèi)應(yīng)力。在焊接殘余應(yīng)力的長期作用和交變應(yīng)力的作用下，焊縫內(nèi)的終點很容易破解，它逐步向外發(fā)展，直至焊縫完全破解。從現(xiàn)場操作看，振動篩框架管梁的斷裂一直是影響篩分機壽命的重要原因。在產(chǎn)品上，我們改進(jìn)了連接方式，如在圖5和圖6所示，原始焊接程序轉(zhuǎn)變成一個法蘭連接。整個網(wǎng)框鋼管先前為槽鋼焊接，但是它的焊接應(yīng)力將導(dǎo)致篩框的底部和側(cè)板扭曲變形，尤其經(jīng)過長期使用，它甚至可能使鋼管和側(cè)板裂紋。所以我們采用帶一個法蘭的焊接鋼管，然后通過一個高強度螺栓連接。這9個鋼管和法蘭處理后將得到得到一個準(zhǔn)確的尺寸，并與側(cè)板連接后不產(chǎn)生變形。當(dāng)鋼構(gòu)件承受的張力和彎曲時，法蘭將通過高強度螺栓連接成一個單位。該方案保證了剪切單元和框架可靠的連接。這些改進(jìn)使振動篩無裂紋現(xiàn)象，壽命更長，在現(xiàn)場應(yīng)用中獲得良好的效果。
六 結(jié)論
根據(jù)靜力學(xué)有限元分析，我們得到了篩箱的應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)在篩箱結(jié)構(gòu)的缺陷，并加以了改進(jìn)。使用法蘭連接側(cè)板和篩框底部，現(xiàn)場使用證明，它不會產(chǎn)生裂紋，并有效地延長了振動篩的使用壽命。
通過模態(tài)分析，我們得到了篩箱的自然頻率和它的前30 階固有頻率，使工作頻率遠(yuǎn)離自然頻率（超過10％），說明電機參數(shù)的選擇是合理的。
振動篩結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)分布相對密集，它的振動是一種剛體的振動。當(dāng)在此頻率附近激勵時，整體結(jié)構(gòu)將主要作橫向擺動、振動和俯仰扭轉(zhuǎn)振動。因為無論是底部的卸料口還是在進(jìn)料口的頂部都有很大變形，我們可以在此安裝加強筋。
表1 單元及實常數(shù)
階數(shù)
單元類型
實常數(shù)
標(biāo)記
1
殼63
厚度
兩種厚度
0.008
0.012
2
梁188
鋼管界面
3
質(zhì)量21
100kg
偏心重
4
組合體14
300N/mm
彈簧剛度
表2 前30階固有頻率值
階數(shù)
1
2
3
4
5
6
頻率
0.0000
0.89E-4
0.13E-1
1.9026
3.020
3.3942
階數(shù)
7
8
9
10
11
12
頻率
4.1419
4.5284
5.1326
5.3801
5.6067
6.4474
階數(shù)
13
14
15
16
17
18
頻率
6.8826
7.8218
7.8602
8.1481
9.1087
9.1729
階數(shù)
19
20
21
22
23
24
頻率
9.3476
9.4112
9.4419
9.5370
9.8154
10.128
階數(shù)
25
26
27
28
29
30
頻率
10.208
14.658
15.088
18.741
19.37
21.630
參考文獻(xiàn)
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致 謝
通過此次畢業(yè)設(shè)計，我不僅把知識融會貫通，而且豐富了大腦，同時在查找資料的過程中也了解了許多課外知識，開拓了視野，認(rèn)識了振動篩的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)知識方面和查閱資料方面有了新的提高。
畢業(yè)設(shè)計是我作為一名學(xué)生即將完成學(xué)業(yè)的最后一次作業(yè)，它既是對學(xué)校所學(xué)知識的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又為今后走向社會的實際操作應(yīng)用鑄就了一個良好開端，畢業(yè)設(shè)計是我對所學(xué)知識理論的檢驗與總結(jié)，能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計者獨立分析和解決問題的能力；是我在校期間向?qū)W校所交的最后一份作業(yè)，也是在校教師對我們的最后一次綜合性培訓(xùn)。其次，畢業(yè)設(shè)計的指導(dǎo)是老師檢驗其教學(xué)效果，改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量的絕好機會。
畢業(yè)的時間一天一天的臨近，畢業(yè)設(shè)計也接近了尾聲。在不斷的努力下我的畢業(yè)設(shè)計終于完成了。在沒有做畢業(yè)設(shè)計以前覺得畢業(yè)設(shè)計只是對這幾年來所學(xué)知識的大概總結(jié)，但是真的面對畢業(yè)設(shè)計時發(fā)現(xiàn)自己的想法基本是錯誤的。畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我明白了自己原來知識太理論化了，面對單獨的課題的是感覺很茫然。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。
總之，不管學(xué)會的還是學(xué)不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負(fù)的感覺。此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應(yīng)用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學(xué)會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會用的時候才是真的學(xué)會了。
在這次畢業(yè)設(shè)計中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。
在此要感謝我們的指導(dǎo)老師劉老師對我悉心的指導(dǎo)，感謝老師們給我的幫助。在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計做的也不太好，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計的最大收獲和財富，使我終身受益。