馬路

摘 要：在礦山和冶金企業(yè)中，振動(dòng)篩被廣泛應(yīng)用于選礦、選煤，它是一種大型的機(jī)械設(shè)備。由于振動(dòng)篩工作的時(shí)候是往復(fù)振動(dòng)的，除了工作需要的振動(dòng)還包含破壞機(jī)構(gòu)的振動(dòng)，振動(dòng)篩的面積越大越容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致振動(dòng)篩整體較快破損、使用壽命減少。所以說，以前的用經(jīng)驗(yàn)、類比和靜態(tài)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。因此，必須采取有效的技術(shù)處理機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度問題，本課題特別為解決這一問題而做。通過模態(tài)試驗(yàn)測出某型號香蕉篩的模態(tài)參數(shù)，用三維軟件對某型號高頻脫水篩進(jìn)行建模，然后用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出固有頻率、振型，研究后發(fā)現(xiàn)二者的固有頻率均遠(yuǎn)離其工作頻率，避免了共振；這也是本文想要解決的問題。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)篩；動(dòng)態(tài)特性；模態(tài)分析；有限元分析

1 前言

伴隨著振動(dòng)篩功能越加齊全，人們對于振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越加關(guān)注?，F(xiàn)階段，為了能夠解決振動(dòng)篩振動(dòng)強(qiáng)度問題，研究人員已經(jīng)從多個(gè)方面進(jìn)行了大量研究工作，基本上都是通過有限元軟件對動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。但是由于振動(dòng)篩有限元數(shù)量較多，進(jìn)而整個(gè)研究成本及時(shí)間都較高。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法對振動(dòng)篩的振動(dòng)與強(qiáng)度進(jìn)行研究，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 香蕉篩實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

模態(tài)分析產(chǎn)生于上世紀(jì)30年代，是以導(dǎo)納及機(jī)械阻抗作為前提條件，經(jīng)過多代研究人員共同努力，現(xiàn)在已經(jīng)形成了相對完善理論方案。近幾年，模態(tài)分析理論還是和自動(dòng)控制、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等知識相結(jié)合，并且按照自身發(fā)展特征，構(gòu)建了全新理論體系，這也為模態(tài)分析奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)條件。

2.1 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式

試驗(yàn)結(jié)構(gòu)主要由兩部分構(gòu)成，分別為原型及模型，對特殊結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析上主要應(yīng)用模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)在應(yīng)用振動(dòng)篩分析研究過程中，需要按照有關(guān)理論制造模型，在考慮幾何相似情況下，還需要考慮振動(dòng)篩動(dòng)力相似性。任何試驗(yàn)都需要考慮結(jié)構(gòu)邊界，即便物體結(jié)構(gòu)相同而邊界條件不同，結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)出來的特性就會(huì)存在差別。按照模型實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，結(jié)構(gòu)邊界條件主要可以分為三種類型，分別為固定支撐、原裝支撐及自由支撐。一般情況下，試驗(yàn)主要選擇遠(yuǎn)程支撐方式，本文也就選擇原裝支撐的支撐方式。

2.2 激振器與激勵(lì)方式

振動(dòng)篩模態(tài)試驗(yàn)分析過程中，最為關(guān)鍵的一個(gè)步驟就是激勵(lì)系統(tǒng)配置及安裝。激勵(lì)系統(tǒng)是否選擇及安裝合作，對最終試驗(yàn)結(jié)果精度會(huì)造成直接影響。一般情況下，激勵(lì)裝置主要分別為兩種類型，分別為力錘錘擊法與激振器激勵(lì)。激振器體積較大，搬動(dòng)難度較高，但是力錘攜帶方便，并且可以激振起香蕉篩，進(jìn)而本文選擇力錘錘擊法。

按照模態(tài)試驗(yàn)理論，從激勵(lì)數(shù)量及區(qū)域來說，激勵(lì)方式主要可以分為兩種類型，分別為單點(diǎn)激勵(lì)與多點(diǎn)激勵(lì)。單點(diǎn)激勵(lì)作為最常見的激勵(lì)方式，是一個(gè)點(diǎn)向一個(gè)方向所作出的激勵(lì)測試，并不需要其他坐標(biāo)方向作為保證。多點(diǎn)激勵(lì)表示同時(shí)向多個(gè)點(diǎn)施加激勵(lì)的方式。多點(diǎn)激勵(lì)在應(yīng)用過程中可以顯著增加激勵(lì)能量，但是整個(gè)激勵(lì)流程十分復(fù)雜，進(jìn)而小型試驗(yàn)無法開展多點(diǎn)激勵(lì)。按照現(xiàn)階段試驗(yàn)室硬件配備來說，本文采取單點(diǎn)激勵(lì)方式。

2.3 激勵(lì)點(diǎn)及響應(yīng)點(diǎn)的布置

一般情況下，無法立即就在實(shí)驗(yàn)中找到最佳激勵(lì)點(diǎn)，進(jìn)而必須具有一定耐心。傳感器自身就具有質(zhì)量，進(jìn)而傳感器在與振動(dòng)篩相連接之后，振動(dòng)篩需要承受附加質(zhì)量，試驗(yàn)檢測精確度就會(huì)受到影響。按照試驗(yàn)理論分析可知，傳感器質(zhì)量在低于全部構(gòu)件十分之一情況下，可以暫時(shí)忽視傳感器的質(zhì)量。傳感器在實(shí)際安裝過程中需要特別注意；（1）合理選裝傳感器的安裝位置，保證振動(dòng)篩可以全面反應(yīng)所檢測到的響應(yīng)；（2）傳感器自身的質(zhì)量對振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)會(huì)造成一定影響，進(jìn)而需要盡可能減少傳感器附加質(zhì)量，進(jìn)而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確性。

2.4 模態(tài)試驗(yàn)檢測結(jié)果

由于試驗(yàn)時(shí)間較為緊張，本次試驗(yàn)并未對香蕉篩進(jìn)行振型向量檢測，僅僅對香蕉篩頻的頻率、振型、質(zhì)量、剛度等參數(shù)進(jìn)行檢測。

為了能夠保證模態(tài)實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果精確性，筆者特意測試了一下響應(yīng)及錘擊狀態(tài)下香蕉篩情況。香蕉篩不管是在響應(yīng)還是在錘擊狀態(tài)下，都和香蕉篩實(shí)際運(yùn)行情況相吻合，進(jìn)而本次實(shí)驗(yàn)具有一定可操作性。

3 高頻脫水篩有限元分析

3.1 模態(tài)分析

3.1.1 正對稱約束時(shí)固有頻率及振型

為了能夠?qū)Ω哳l脫水篩正對稱約束固有頻率及振型深入了解，筆者對開展了多次試驗(yàn)。在試驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，高頻脫水篩的正對稱約束時(shí)固有頻率及振型為107.58HZ，這也就表示高頻脫水篩額定頻率為24HZ，和運(yùn)行頻率之間相差將近4.4倍，進(jìn)而高頻脫水篩在運(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)共振問題。

3.1.2 反對稱約束時(shí)的固有頻率和振型

在對高頻脫水篩前30個(gè)階段固有頻率及振型計(jì)算完畢之后，按照試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示可知，高頻脫水篩反對稱約束的固有頻率為28.48Hz。

3.2 靜力學(xué)分析

3.2.1 整體的位移及應(yīng)力

在經(jīng)過分析計(jì)算之后，對高頻脫水篩的等效位移分布情況有了初步了解。高頻脫水篩所產(chǎn)生的最大應(yīng)力應(yīng)該位于螺栓上面，數(shù)值大約為35MPa。

3.2.2 靜力學(xué)結(jié)果分析

按照上述內(nèi)容顯示可知，高頻脫水篩所產(chǎn)生的最高應(yīng)力出現(xiàn)在主梁上面，應(yīng)力數(shù)值為36.4854MPa。脫水篩箱體主要材料為鍋爐鋼，但是主梁的主要材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼。脫水篩箱體在運(yùn)行過程中，會(huì)受到動(dòng)態(tài)載荷約束，進(jìn)而脫水篩所選擇的安全系數(shù)應(yīng)該為5。

4 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析也被稱之為時(shí)間歷程分析，主要了解結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間變化載荷所發(fā)生的變化。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以在瞬態(tài)載荷、靜載荷、簡諧載荷等結(jié)構(gòu)之下，了解位移、應(yīng)力、應(yīng)變隨著時(shí)間推移所發(fā)生的變化。在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中，時(shí)間及載荷是其中主要影響因素，在慣性力及阻尼數(shù)值較小情況下，瞬態(tài)分析可以用靜力學(xué)分析所替代。

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析常見的方法有三種，分別為完全法、縮減法及模態(tài)疊加法。本文在對振動(dòng)篩瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中，應(yīng)用模態(tài)疊加法分析。模態(tài)疊加法主要是借助模態(tài)所檢測到的振型，然后乘以因子，最終求得計(jì)算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)數(shù)值。振型疊加法在應(yīng)用過程中，主要分為兩個(gè)步驟，分別為計(jì)算固有頻率及動(dòng)力響應(yīng)。動(dòng)力響應(yīng)和低階模態(tài)之間有著一定關(guān)聯(lián)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)決定著低階模態(tài)頻率。

4.1 積分方法的選擇

結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)實(shí)際上受到較多因素影響，其中時(shí)間步長就是主要影響因素。對時(shí)間步長設(shè)置過程中，需要從計(jì)算精確度角度分析，確定振動(dòng)篩最大時(shí)間步長。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有關(guān)問題分析研究中，主要應(yīng)用隱式算法分析，進(jìn)而對時(shí)間步長的要求僅僅體現(xiàn)在精度上面。本文在對振動(dòng)篩瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析研究中，積分方案沒有任何穩(wěn)定條件，進(jìn)而本文應(yīng)用隱式算法。

4.2 時(shí)間步長的計(jì)算

時(shí)間步長決定著瞬態(tài)分析計(jì)算結(jié)果的精確性，時(shí)間步長差值越小，瞬態(tài)分析計(jì)算結(jié)構(gòu)精確度也就越高。但是時(shí)間步長要是過大，模態(tài)響應(yīng)就會(huì)受到影響。所以，在對模態(tài)響應(yīng)計(jì)算過程中，在盡可能選擇較小的時(shí)間步長情況下，還需要提升計(jì)算資源利用率。

可以將振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，看成是每一個(gè)階段模態(tài)響應(yīng)的結(jié)果。時(shí)間步長數(shù)值應(yīng)該可以計(jì)算出振動(dòng)篩整體響應(yīng)最佳模態(tài)數(shù)值，應(yīng)用隱式算法確定積分方案時(shí)，最為理想精度級結(jié)果為時(shí)間步長為最高頻率的倒數(shù)。

5 結(jié)論

本文對香蕉篩進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，對香蕉篩的固有頻率及模態(tài)質(zhì)量等數(shù)值有了初步了解，然后對高頻脫水篩進(jìn)行了有限元分析，初步了解高頻脫水篩運(yùn)行情況。除此之外，本文還對振動(dòng)篩的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，最終得到了高頻脫水篩的時(shí)間位移曲線示意圖。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋書中，周祖德，胡業(yè)發(fā).振動(dòng)篩分機(jī)械發(fā)展概述及新型振動(dòng)篩研究初探[J].礦山機(jī)械，2016（4）：71+74.