平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析及改進(jìn)

（南昌礦山機(jī)械有限公司，江西 南昌 330000）

礦石物料分級(jí)是提高礦產(chǎn)資源綜合利用的基礎(chǔ)，也是避免資源浪費(fèi)和環(huán)節(jié)礦山環(huán)境壓力的前提，因此，加強(qiáng)礦石物料分級(jí)對(duì)礦山企業(yè)發(fā)展意義重大[1]。平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩是礦石物料分級(jí)中常用的一種振動(dòng)篩，該儀器設(shè)備是結(jié)合直線型振動(dòng)篩圓型振動(dòng)篩而形成的一種新型振動(dòng)篩，在煤炭資源、金屬礦石、石油鉆井物料等分級(jí)中應(yīng)用極為廣泛。自某礦山引入平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩以來(lái)，雖然顯著的提高了礦石物料的分級(jí)處理能力，促進(jìn)了礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。但是與礦山實(shí)際需求發(fā)展還有一定的差距，且平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩在實(shí)際工作中仍然具有一定的問(wèn)題，這與平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的性能關(guān)系密切，可能與平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩工作時(shí)存在復(fù)雜的交變載荷作用密切相關(guān)，使得儀器設(shè)備容易出現(xiàn)疲勞工作[2]。因此，分析平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的動(dòng)態(tài)應(yīng)力就顯得極為重要。

1 平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩及有限元模型

本次礦山引入的平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的振動(dòng)篩篩箱重量為835kg，震動(dòng)方向角為45°，振動(dòng)篩的篩箱傾角為0°，篩箱材料為Q245鋼材，側(cè)板弧度為5mm。篩箱Q245鋼材的彈性模量為206GPa，密度為7850kg/m3。此外，在平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩中通過(guò)2臺(tái)長(zhǎng)型電機(jī)激振振動(dòng)篩，其激振力大力分別為20kN和35kN，工作時(shí)的頻率均為24.5Hz[3]。長(zhǎng)型電機(jī)具有更加穩(wěn)定的傳遞性能，因此，能夠有效的避免振動(dòng)篩工作時(shí)應(yīng)力集中的問(wèn)題。由于平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩在工作狀態(tài)容易出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，因此，分析振動(dòng)篩的動(dòng)態(tài)應(yīng)力狀況是制定改進(jìn)措施的基礎(chǔ)。同時(shí)，由于平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的動(dòng)態(tài)應(yīng)力模式較復(fù)雜，采用單一的分析方法無(wú)法準(zhǔn)確的確定其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也無(wú)法準(zhǔn)確的確定調(diào)整方案，因此可利用有限元模型的方式直觀的分析動(dòng)態(tài)應(yīng)力狀態(tài)。鑒于此，本文以Autodesk Inventor三維軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，建立了相應(yīng)的幾何模型，由側(cè)板、橫梁、激振部分、底梁和后擋板等幾部分組成，對(duì)分析結(jié)果影響不大的區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，在基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)分析。

2 動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析

2.1 模型模態(tài)分析

平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的模態(tài)分析能夠確定振動(dòng)篩的基本性能，為進(jìn)一步了解振動(dòng)篩結(jié)果對(duì)不同動(dòng)力載荷響應(yīng)奠定了基礎(chǔ)，如振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)應(yīng)力的振型、共振頻率等參數(shù)的確定，對(duì)制定措施緩解振動(dòng)篩篩箱因共振作用而破壞有積極的作用。平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩在運(yùn)行狀態(tài)下起主要作用的是低階模態(tài)，而高階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)震動(dòng)的作用較小，并且震動(dòng)響應(yīng)衰減較快[4]。因此，平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的工作頻率遠(yuǎn)低于振動(dòng)篩固有的頻率，使得振動(dòng)篩在工作狀態(tài)下一班不產(chǎn)生共振。雖然振動(dòng)篩的啟動(dòng)和關(guān)停過(guò)程中極易產(chǎn)生共振，但是該共振屬于低階共振區(qū)，且共振時(shí)間較短，因此，對(duì)振動(dòng)篩的工作狀態(tài)影響不大。

2.2 穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析

平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩是結(jié)合直線型振動(dòng)篩圓型振動(dòng)篩而形成的一種新型振動(dòng)篩，導(dǎo)致在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的受力狀況極為復(fù)雜，主要受激振力和自身慣性力綜合作用，而篩分物料的慣性作用力對(duì)振動(dòng)篩的影響較小，在本次模型分析中忽略不計(jì)。由于本次動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析模型僅考慮激振力和自身慣性力，因此在模型中僅需加載激振力即可。上文已提及，平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩中由2臺(tái)長(zhǎng)型電機(jī)提供激振力，其激振力分別為20kN和35kN，因此在兩臺(tái)長(zhǎng)型電機(jī)支座處獲得的激振力分別為10kN和17.5kN，以此為基礎(chǔ)獲得穩(wěn)定運(yùn)行條件下平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的應(yīng)力狀況。根據(jù)有限元模型分析可知，平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的最大應(yīng)力可達(dá)50.86MPa，最大應(yīng)力處為長(zhǎng)型電機(jī)安裝版下方，屬于電機(jī)安裝位置；在有限元模型中的側(cè)板與后擋板的連接處上方具有較大的應(yīng)力值，應(yīng)力值為47.63MPa；有限元模型中其余部位的應(yīng)力值則相對(duì)較小，一般在14MPa～18MPa之間，如底梁位置的最大應(yīng)力值可達(dá)18MPa，而側(cè)板位置的最大應(yīng)力值為14MPa。

平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的篩箱材料為Q245鋼材，其彈性模量為206GPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.29，因此，振動(dòng)篩材料的屈服強(qiáng)度極限為245MPa，相對(duì)應(yīng)允許的最大應(yīng)力值為50.71MPa。本次通過(guò)有限元模型獲得穩(wěn)定運(yùn)行條件下獲得不同位置的應(yīng)力值小于允許最大應(yīng)力值，充分說(shuō)明平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。但是，由于平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩在運(yùn)行條件下存在交變載荷作用，極易導(dǎo)致振動(dòng)篩中材料出現(xiàn)疲勞損壞，進(jìn)而嚴(yán)重影響振動(dòng)篩的整體性能，對(duì)礦山資源篩分效率產(chǎn)生較大的影響，也是平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩容易出現(xiàn)故障的主要原因。

2.3 基于共振區(qū)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析

由于平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的工作頻率遠(yuǎn)低于振動(dòng)篩固有的頻率，使得該儀器在穩(wěn)定運(yùn)行條件下一般不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，但是在振動(dòng)篩啟動(dòng)和關(guān)停過(guò)程中極易產(chǎn)生低階共振現(xiàn)象，雖然共振時(shí)間較短，且對(duì)振動(dòng)篩的影響較小。但是，為了充分分析低階共振區(qū)時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析，本文對(duì)振動(dòng)篩過(guò)共振區(qū)時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析。

當(dāng)平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩在啟動(dòng)過(guò)程中，長(zhǎng)型電機(jī)的偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)頻率在低階共振區(qū)的頻率范圍內(nèi)，雖然啟動(dòng)時(shí)間較短，但是產(chǎn)生的共振瞬間振幅可達(dá)穩(wěn)定條件下的5倍左右，導(dǎo)致彈簧的形變量在瞬間增大明顯。根據(jù)有限元模型分析可知，當(dāng)振動(dòng)篩在啟動(dòng)過(guò)程中彈簧支撐板的最大位移量可達(dá)2.91mm，換算成彈簧的最大形變量為23.12mm，由于彈簧在豎向上的剛度為80000N/mm，可得出該彈簧在設(shè)備靜止條件因振動(dòng)篩自重而產(chǎn)生的彈簧形變量為25.57mm，因此，在共振區(qū)條件下，彈簧的形變量最大為48.69mm，此時(shí)，彈簧支座受到的最大彈性力可達(dá)3872.6N，此時(shí)振動(dòng)篩的振動(dòng)最大應(yīng)力值接近25MPa，其最大應(yīng)力位置處于彈簧支座的邊緣部位，其應(yīng)力值遠(yuǎn)小于最大允許應(yīng)力值（50.71MPa）。當(dāng)平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩在關(guān)停狀態(tài)下，其振動(dòng)頻率由高逐漸降低，當(dāng)頻率在低階共振區(qū)的頻率范圍內(nèi)時(shí)，也可產(chǎn)生低階共振，其振動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)與平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩啟動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)基本一致。綜上所述，平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩在啟動(dòng)和關(guān)停狀態(tài)下最振動(dòng)篩的影響不大，可以忽略不計(jì)。

2.4 振動(dòng)篩改進(jìn)措施及應(yīng)用效果分析

通過(guò)上文有限元模型分析，平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的側(cè)板與后擋板的連接處的應(yīng)力值在穩(wěn)定運(yùn)行條件下變化較大，可達(dá)47.63MPa，接近最大允許應(yīng)力值；長(zhǎng)型電機(jī)安裝版下方的應(yīng)力值最大，可達(dá)50.86MPa，略大于允許最大應(yīng)力值。因此，上述兩個(gè)部位是振動(dòng)篩常出現(xiàn)故障的區(qū)域，與礦山實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀基本吻合，因此，為了有效提高平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的生產(chǎn)效率和有效降低維護(hù)成本，還需對(duì)該儀器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。本次改進(jìn)的目標(biāo)主要是針對(duì)應(yīng)力值較為集中的區(qū)域，或者應(yīng)力值變化較大的位置，而原裝置中該區(qū)域的材料形狀具有突變的特征，因此可以考慮通過(guò)改變突變形狀的方式優(yōu)化應(yīng)力變化規(guī)律，故本次將后擋板上方的彎曲部位采用圓弧形狀的過(guò)渡板代替，在電機(jī)安裝版下部適當(dāng)?shù)脑黾硬牧系暮穸龋倪M(jìn)完成后結(jié)合Autodesk Inventor三維軟件平臺(tái)，建立相應(yīng)的有限元模型，進(jìn)行上文的重復(fù)分析過(guò)程。結(jié)果表明，通過(guò)本次的改進(jìn)，在電機(jī)安裝版下部的最大應(yīng)力值由原來(lái)的50.86MPa降低至33.92MPa，側(cè)板與后擋板連接處的最大應(yīng)力值由原來(lái)的47.63MPa降低至31.72MPa，即平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的最大應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于允許最大應(yīng)力值50.71MPa。

綜上所述，根據(jù)有限元模型分析可知，本次改進(jìn)方法效果明顯，能夠有效的降低振動(dòng)篩中應(yīng)力集中問(wèn)題，理論上能夠降低振動(dòng)篩故障率和維修成本。將改進(jìn)后的平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩投入生產(chǎn)5個(gè)月以來(lái)，振動(dòng)篩故障率下降72.3%，工作效率也顯著上升，說(shuō)明本次改進(jìn)方法能夠推廣使用。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，礦山引進(jìn)的平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的運(yùn)行頻率遠(yuǎn)低于振動(dòng)篩的固有頻率，說(shuō)明該儀器設(shè)備的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是合理的。在穩(wěn)定運(yùn)行條件下振動(dòng)篩的最大應(yīng)力值雖然小于允許最大應(yīng)力值，但是在激振力、自身慣性力等綜合因素的影響下，可能導(dǎo)致振動(dòng)篩中局部區(qū)域應(yīng)力值過(guò)于集中，進(jìn)而在慣性力等作用的影響下造成振動(dòng)篩疲勞損壞嚴(yán)重，縮短了振動(dòng)篩的使用壽命。通過(guò)有限元模型分析可知，振動(dòng)篩中長(zhǎng)型電機(jī)安裝版下部和側(cè)板與后擋板的連接部位應(yīng)力較集中，通過(guò)增加安裝版下部材料厚度和將后擋板上部彎曲改為圓弧形，顯著的降低了該區(qū)域的集中應(yīng)力，降低了振動(dòng)篩故障率和維修成本，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果，說(shuō)明本次改進(jìn)措施是成功的。