電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直線振動(dòng)篩設(shè)計(jì)【含CAD圖紙和說(shuō)明書(shū)】
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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第12頁(yè)翻譯部分英文原文中文譯文2010年第三屆國(guó)際信息與計(jì)算會(huì)議大型振動(dòng)篩篩箱的模態(tài)特性研究和有限元分析摘要-通過(guò)使用有限元分析軟件ANSYS,建立了大型振動(dòng)篩的靜載應(yīng)力分布模型,同時(shí),分析了大型振動(dòng)篩篩箱的動(dòng)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(jì)改進(jìn)和動(dòng)強(qiáng)度研究的必要基礎(chǔ)。針對(duì)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(dòng)篩,篩箱,有限元,模態(tài)特性。一導(dǎo)言大型振動(dòng)篩由偏心塊激振器、篩箱、電機(jī)、底座和附屬設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),工作可靠等的特點(diǎn)。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(gè)主軸的兩端都固定有偏心輪。通過(guò)三角皮帶的連接,電機(jī)帶動(dòng)偏心塊高速旋轉(zhuǎn)。偏心塊產(chǎn)生很大的離心力,帶動(dòng)篩箱作特定振幅的周期運(yùn)動(dòng)。彈簧是用來(lái)支撐篩框,并降低篩框運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)傳給地基的激振力。二篩箱模型以2YAC2460大型振動(dòng)篩的模型為研究對(duì)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(zhǎng)時(shí)間建立模型,也需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)計(jì)算,甚至無(wú)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(jì)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(gè)殼單元,188個(gè)梁?jiǎn)卧?14個(gè)組合單元, 21個(gè)質(zhì)量單元來(lái)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(diǎn)來(lái)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(qiáng)筋之間的載荷;否則在板單元交界處、板單元和梁?jiǎn)卧g在計(jì)算過(guò)程中會(huì)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(qiáng)梁。曲面邊界線的交點(diǎn)是側(cè)板與板梁的連接點(diǎn)。網(wǎng)格劃分完之后就完成了模型的建立,無(wú)論是通過(guò)焊接連接還是通過(guò)法蘭連接都沒(méi)有問(wèn)題。在這個(gè)模型中,有公共節(jié)點(diǎn)來(lái)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(duì)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(lái)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(dòng)篩工作過(guò)程中,篩箱承受重力、激振力、彈簧恢復(fù)力和阻尼力。振動(dòng)篩是一種慣性振動(dòng),主要是靠來(lái)自激振器偏心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的慣性力。彈簧恢復(fù)力和阻尼力可以忽略不計(jì),因此,針對(duì)篩框的強(qiáng)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(jià)于作用在兩個(gè)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(shí)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(gè)點(diǎn)的質(zhì)量單元代表四個(gè)偏心塊的質(zhì)量,以此作為它的主節(jié)點(diǎn),并在偏心塊的安裝位置設(shè)置16個(gè)節(jié)點(diǎn),模擬激振器和側(cè)板法蘭的從節(jié)點(diǎn)。通過(guò)建立ANSYS的剛性區(qū)域命令,來(lái)連接主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)。這兩個(gè)激振器傳動(dòng)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(jì)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(diǎn)處。角速度的大小是由電機(jī)和皮帶輪傳動(dòng)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(duì)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(jiǎn)化螺旋彈簧作為拉壓邊界支撐彈簧,依次確定計(jì)算模型的邊界條件。利用ANSYS中的彈簧-阻尼單元來(lái)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(huì)自動(dòng)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(dòng)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??;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(dòng)篩實(shí)際運(yùn)行的情況下,會(huì)在激振器底部產(chǎn)生裂縫,有時(shí)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(huì)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(shí)際情況的。四篩箱模態(tài)分析由于振動(dòng)篩依靠振動(dòng)篩體進(jìn)行工作,因此,有一個(gè)工作頻率。如果頻率正好處于或太接近自然頻率,將會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生共振時(shí),理論上振幅是無(wú)限大的,在這種情況下,振動(dòng)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(guò)剩的壓力,它將變得容易疲勞而容易損壞。例如,通過(guò)使用大型振動(dòng)篩領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),振動(dòng)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(duì)篩框進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí),應(yīng)從三個(gè)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(duì)它進(jìn)行評(píng)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(dòng)態(tài)分析,通過(guò)觀察應(yīng)力和位移云圖的分布,看看是否在振動(dòng)篩工作時(shí)存在應(yīng)力過(guò)大的現(xiàn)象。最后,由于振動(dòng)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(lái)確定振動(dòng)篩的固有頻率和模態(tài)形式,所以它是一個(gè)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(wèn)題:。其中k是剛度矩陣,i是一階下的特征向量,i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(gè)步驟:建模、施加載荷、求解、模態(tài)擴(kuò)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(dòng)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(dòng)篩的模態(tài)擴(kuò)展將寫(xiě)入輸出文件中。做完這些工作后,振動(dòng)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(dòng)篩模型振動(dòng)模式,而振動(dòng)模式可以在動(dòng)畫(huà)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(dòng)篩模式與固有頻率模式圖,可通過(guò)擴(kuò)展振動(dòng)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(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致,其自然頻率也與實(shí)際符合。這些都說(shuō)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(guò)工作頻率10以上的頻率。振動(dòng)篩遠(yuǎn)離共振點(diǎn)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(dòng)篩的設(shè)計(jì)是合理的。從第27階模態(tài)的振動(dòng)看,振動(dòng)篩的振動(dòng)水平反向,所以在實(shí)際工作中,在篩箱下部安裝4個(gè)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(duì)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(gè)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(zhǎng)期作用和交變應(yīng)力的作用下,焊縫內(nèi)的終點(diǎn)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(chǎng)操作看,振動(dòng)篩框架管梁的斷裂一直是影響篩分機(jī)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(gè)法蘭連接。整個(gè)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(guò)長(zhǎng)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(gè)法蘭的焊接鋼管,然后通過(guò)一個(gè)高強(qiáng)度螺栓連接。這9個(gè)鋼管和法蘭處理后將得到得到一個(gè)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(shí),法蘭將通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接成一個(gè)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(dòng)篩無(wú)裂紋現(xiàn)象,壽命更長(zhǎng),在現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)使用證明,它不會(huì)產(chǎn)生裂紋,并有效地延長(zhǎng)了振動(dòng)篩的使用壽命。通過(guò)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(guò)10),說(shuō)明電機(jī)參數(shù)的選擇是合理的。振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)分布相對(duì)密集,它的振動(dòng)是一種剛體的振動(dòng)。當(dāng)在此頻率附近激勵(lì)時(shí),整體結(jié)構(gòu)將主要作橫向擺動(dòng)、振動(dòng)和俯仰扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。因?yàn)闊o(wú)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(qiáng)筋。表1 單元及實(shí)常數(shù)階數(shù)單元類型實(shí)常數(shù)標(biāo)記1殼63厚度兩種厚度0.0080.0122梁188鋼管界面3質(zhì)量21100kg偏心重4組合體14300N/mm彈簧剛度表2 前30階固有頻率值階數(shù)123456頻率0.00000.89E-40.13E-11.90263.0203.3942階數(shù)789101112頻率4.14194.52845.13265.38015.60676.4474階數(shù)131415161718頻率6.88267.82187.86028.14819.10879.1729階數(shù)192021222324頻率9.34769.41129.44199.53709.815410.128階數(shù)252627282930頻率10.20814.65815.08818.74119.3721.630參考文獻(xiàn)1聞邦椿、劉淑瑩.機(jī)械振動(dòng)理論動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001;2崔向陽(yáng).ANSYS單元M中文版 湖南.湖南大學(xué)出版社,2006;3理查德、威爾遜、羅伯特.外殼的有限元分析J常規(guī)治療。有限元的分析與設(shè)計(jì),1998:235242;4 Asokendu Samdnta,Madhujit Mukhopadhyay.有限元大撓度靜力分析和加筋殼淺層和深層研究J.有限元的分析和設(shè)計(jì),1999:187208。5高學(xué)清、韓小明.篩箱動(dòng)態(tài)響應(yīng)有限元素分析圓振動(dòng)篩研究J.煤礦機(jī)械,2008,29:63165。6李文英. 大型振動(dòng)篩的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與分析J山西:太原理工大學(xué),2004.097417;7 Cugnoni J,Gmur TH.復(fù)合結(jié)構(gòu)的薄殼有限元建模與模態(tài)分析的識(shí)別研究J.應(yīng)用科學(xué)及制造,2004,35(7):977987;8宋代喬、布湘泉、趙彥軍.YA1340振動(dòng)篩的分析研究J煤礦機(jī)械,2007,(7):155157。致 謝通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì),我不僅把知識(shí)融會(huì)貫通,而且豐富了大腦,同時(shí)在查找資料的過(guò)程中也了解了許多課外知識(shí),開(kāi)拓了視野,認(rèn)識(shí)了振動(dòng)篩的發(fā)展方向,使自己在專業(yè)知識(shí)方面和查閱資料方面有了新的提高。畢業(yè)設(shè)計(jì)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(duì)學(xué)校所學(xué)知識(shí)的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用,又為今后走向社會(huì)的實(shí)際操作應(yīng)用鑄就了一個(gè)良好開(kāi)端,畢業(yè)設(shè)計(jì)是我對(duì)所學(xué)知識(shí)理論的檢驗(yàn)與總結(jié),能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計(jì)者獨(dú)立分析和解決問(wèn)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(duì)我們的最后一次綜合性培訓(xùn)。其次,畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)是老師檢驗(yàn)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(jī)會(huì)。畢業(yè)的時(shí)間一天一天的臨近,畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。在不斷的努力下我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在沒(méi)有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺(jué)得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來(lái)所學(xué)知識(shí)的大概總結(jié),但是真的面對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的想法基本是錯(cuò)誤的。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn),而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來(lái)知識(shí)太理論化了,面對(duì)單獨(dú)的課題的是感覺(jué)很茫然。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多,以前老是覺(jué)得自己什么東西都會(huì),什么東西都懂,有點(diǎn)眼高手低。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì),我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)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(shí)和綜合素質(zhì)??傊?,不管學(xué)會(huì)的還是學(xué)不會(huì)的的確覺(jué)得困難比較多,真是萬(wàn)事開(kāi)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(jué)。此外,還得出一個(gè)結(jié)論:知識(shí)必須通過(guò)應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值!有些東西以為學(xué)會(huì)了,但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事,所以我認(rèn)為只有到真正會(huì)用的時(shí)候才是真的學(xué)會(huì)了。 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)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(tīng)聽(tīng)不同的看法對(duì)我們更好的理解知識(shí),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(duì)我悉心的指導(dǎo),感謝老師們給我的幫助。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,我通過(guò)查閱大量有關(guān)資料,與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué),并向老師請(qǐng)教等方式,使自己學(xué)到了不少知識(shí),也經(jīng)歷了不少艱辛,但收獲同樣巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西,也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力,樹(shù)立了對(duì)自己工作能力的信心,相信會(huì)對(duì)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(dòng)手的能力,使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不太好,但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富,使我終身受益。
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