茶葉振動篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模態(tài)分析

史俊超，陶然，葛小樂

（黃山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山 245041）

1 引言

我國是產(chǎn)茶大國，茶葉種植面積和茶葉產(chǎn)量均位居世界第一位。茶葉除雜是茶葉精細(xì)加工過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，茶葉的除雜效率和除雜水平直接影響茶葉的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)品質(zhì)。振動篩是常用的除雜、分選設(shè)備，在農(nóng)產(chǎn)品加工、礦物處理、建筑等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。很多學(xué)者都對不同類型振動篩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過設(shè)計(jì)和改進(jìn)。渠麗宏對洗煤用的振動篩進(jìn)行了有限元分析，并根據(jù)有限元分析結(jié)果對振動篩的橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，取得了較好的優(yōu)化效果。高福明對大型香蕉篩的動態(tài)特性進(jìn)行了有限元分析，并對香蕉篩的主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部優(yōu)化，有效提高了主梁的強(qiáng)度。蔡培良等人設(shè)計(jì)了一種煙草振動篩，并采用ANSYS Workbench對煙草振動篩進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的煙草振動篩不會產(chǎn)生共振，能夠滿足使用要求。柴保明等人針對直線振動篩設(shè)計(jì)了不同類型的篩板加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了靜力學(xué)和模態(tài)分析，根據(jù)仿真結(jié)果確定了較優(yōu)的加強(qiáng)筋形狀。

由上述研究內(nèi)容可以看出，目前對振動篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以大型工業(yè)礦用振動篩為主，而對小型家用茶葉振動篩的設(shè)計(jì)相對較少，雖然兩者的工作原理相同，但是，對于具體工況的結(jié)構(gòu)件選擇、加工制造等方面還存在差異。隨著我國茶產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，茶葉產(chǎn)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，茶葉除雜設(shè)備的需求量也不斷增多，小型茶葉振動篩具有良好的市場前景?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種小型家用茶葉振動篩結(jié)構(gòu)，完成了茶葉振動篩的三維建模，并對茶葉振動篩進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了不同階次的固有頻率和振型。

2 茶葉振動篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

茶葉振動篩整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。所設(shè)計(jì)的茶葉振動篩主要由底座、振動電機(jī)、彈簧、振動架、篩箱、支撐調(diào)節(jié)架等部分組成。底座對整個(gè)茶葉振動篩起到了支撐作用，底座上方安裝有四個(gè)彈簧，彈簧底部與底座相連，彈簧頂部與振動架相連。底座和振動架都為方形空心鋼并通過焊接組裝在一起。振動電機(jī)通過V字型支撐桿與振動架通過螺栓相連，茶葉振動篩的振動能量都由振動電機(jī)提供。篩箱兩側(cè)通過伸出軸與支撐座中的軸承相配合，支撐座通過螺栓固定在振動架上，篩箱可以在兩側(cè)的兩個(gè)支撐座中轉(zhuǎn)動。篩箱后端連接到支撐調(diào)節(jié)架上，支撐調(diào)節(jié)架可以通過旋轉(zhuǎn)中間的調(diào)整軸實(shí)現(xiàn)篩箱后端的上升和下降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)篩網(wǎng)傾斜角度的變化以適應(yīng)不同工況的篩分要求。支撐調(diào)節(jié)架中的調(diào)整軸兩端設(shè)計(jì)有方向相反的絲桿，并與調(diào)節(jié)架兩端的調(diào)整螺母相連，當(dāng)沿某一方向旋轉(zhuǎn)調(diào)整軸時(shí)，兩側(cè)的調(diào)整螺母同時(shí)往內(nèi)或同時(shí)往外運(yùn)動，使篩箱后端的高度上升或下降，達(dá)到調(diào)整篩網(wǎng)傾角的目的。接料盤通過螺栓固定在底座上，以便于篩上物的收集。茶葉振動篩各結(jié)構(gòu)件都較簡單，易于加工，且各部分主要采用焊接和螺栓連接等常規(guī)方法進(jìn)行裝配，裝配難度小，生產(chǎn)成本較低，符合家用振動篩低成本的設(shè)計(jì)要求。

圖1 茶葉振動篩整體結(jié)構(gòu)

茶葉振動篩的長、寬、高分別為1200mm、850mm和1300mm。由于茶葉振動篩的整體尺寸較小，待篩分的茶葉物料較輕，因此，振動電機(jī)的轉(zhuǎn)速選為1000r/min。

2.2 工作原理

當(dāng)進(jìn)行茶葉篩分作業(yè)時(shí)，首先打開振動電機(jī)，此時(shí)，振動電機(jī)開始工作，振動電機(jī)產(chǎn)生的周期性激振力通過支撐桿傳遞到振動架上，帶動振動架產(chǎn)生周期性振動。由于篩箱固定在振動架上，當(dāng)振動架產(chǎn)生周期性振動時(shí)，篩箱中的篩網(wǎng)也產(chǎn)生周期性的振動。當(dāng)待篩分的茶葉從入料斗中下落到篩箱中時(shí)，在篩網(wǎng)的振動作用下細(xì)小的碎茶葉末、茶莖等雜質(zhì)透過篩網(wǎng)下落，而尺寸較大完整的茶葉則由篩面上方下滑到接料盤中，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)碎茶末、茶莖等的除雜分離。當(dāng)需要調(diào)整篩網(wǎng)的傾斜角度時(shí)，只需轉(zhuǎn)動支撐調(diào)節(jié)架中的調(diào)節(jié)軸到適當(dāng)位置并將調(diào)節(jié)后的調(diào)整螺母位置鎖定，使其在振動的過程中保持該位置不變即可。該茶葉振動篩的工作過程簡單，篩網(wǎng)傾角的調(diào)節(jié)便捷，占地面積小，在茶葉精細(xì)加工中具有良好的應(yīng)用前景。

3 茶葉振動篩模態(tài)分析

每個(gè)機(jī)械系統(tǒng)都有其固有頻率，當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率接近外部振動源的頻率時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)會產(chǎn)生共振。產(chǎn)生共振后會使機(jī)械系統(tǒng)的振幅增大，易造成結(jié)構(gòu)件的損壞，對整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動也會產(chǎn)生較大的危害，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)避免產(chǎn)生共振。為確定所設(shè)計(jì)的茶葉振動篩在工作時(shí)是否會產(chǎn)生共振，需對其進(jìn)行模態(tài)分析，通過模態(tài)分析可以確定茶葉振動篩的固有頻率和振型，進(jìn)而為共振的判斷提供依據(jù)。

3.1 茶葉振動篩模態(tài)分析模型的建立

采用ANSYS Workbench對茶葉振動篩進(jìn)行模態(tài)分析。為了便于分析，首先將茶葉振動篩三維模型進(jìn)行簡化，去除對振動過程影響較小的接料盤和入料斗，隨后將簡化后的茶葉振動篩模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。茶葉振動篩各結(jié)構(gòu)件的材料都設(shè)置為Q235-A，密度為7800kg/m3，彈性模量為2.06E+11Pa，泊松比為0.3。采用自動網(wǎng)格劃分方法對茶葉振動篩進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為6mm，對于尺寸較小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加密處理，劃分后的網(wǎng)格共有318738個(gè)單元、850008個(gè)節(jié)點(diǎn)。將茶葉振動篩的四個(gè)支撐底面設(shè)置為固定約束。由于在機(jī)械系統(tǒng)的振動中大部分能量都集中在前6階，高階模態(tài)對振動的影響較小，因此，本文只求解茶葉振動篩的前6階模態(tài)。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

茶葉振動篩的前6階固有頻率如表1所示。

表1 茶葉振動篩的各階固有頻率

由表1可以看出，茶葉振動篩的第1階固有頻率為4.387Hz，第2階固有頻率為25.795Hz，第3階固有頻率為27.78Hz，第4階固有頻率為28.745Hz，第5階固有頻率為33.711Hz，第6階固有頻率為39.82Hz，隨著階數(shù)的逐漸增加，茶葉振動篩的固有頻率不斷增大。茶葉振動篩振動電機(jī)的激振頻率為16.667Hz，介于第1階固有頻率和第2階固有頻率之間。由振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則可知，為了避免共振，機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率和振動源的頻率應(yīng)滿足下述關(guān)系：

0.85f＞fp或1.15f＜fp

其中，f為系統(tǒng)固有頻率，fp為激振頻率。

可以求得系統(tǒng)固有頻率的合理范圍為：f＞ 19.608Hz或 f＜ 14.493Hz。而系統(tǒng)的第1階固有頻率為4.387Hz，小于14.493Hz，系統(tǒng)的第2階頻率為25.795Hz，大于19.608Hz，滿足振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則，因此，茶葉振動篩在工作過程中不會產(chǎn)生共振，能夠滿足篩分作業(yè)要求。

茶葉振動篩在不同階次下的振型如圖2所示。

圖2 不同階次下的茶葉振動篩振型圖

茶葉振動篩的第1階振型主要表現(xiàn)為振動電機(jī)及支撐桿沿X方向的水平擺動，第2階振型表現(xiàn)為振動篩篩面前端沿Z方向的上下擺動，第3階振型表現(xiàn)為茶葉振動篩支撐調(diào)節(jié)架沿Y方向的水平擺動，同時(shí)，伴隨振動篩篩面前端沿Z方向的上下擺動，第4階振型表現(xiàn)為振動篩篩箱后擋板沿Z方向的轉(zhuǎn)動，第5階振型表現(xiàn)為振動篩篩箱后擋板及支撐調(diào)節(jié)架沿Y方向的水平擺動，第6階振型表現(xiàn)為振動篩篩面前端和振動篩篩面后端在篩面中間位置處沿X方向的轉(zhuǎn)動。介于茶葉振動篩固有頻率之間的第1階振型和第2階振型總體表現(xiàn)為在X方向的小幅度擺動和Z方向的上下擺動，對茶葉振動篩的振動不會產(chǎn)生明顯的干涉。

總的來看，茶葉振動篩的固有頻率與激振源的頻率錯(cuò)位較大，滿足振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則，在工作過程中不會產(chǎn)生共振，振型也較為合理，這表明所設(shè)計(jì)的茶葉振動篩能夠滿足實(shí)際使用要求。

4 結(jié)語

本文進(jìn)行了小型茶葉振動篩的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對所設(shè)計(jì)的茶葉振動篩進(jìn)行了模態(tài)分析，得出了茶葉振動篩的前6階固有頻率和振型。振動電機(jī)的激振頻率位于第1階固有頻率和第2階固有頻率之間，激振頻率與第1階固有頻率和第2階固有頻率之間的差值滿足振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則，茶葉振動篩在工作時(shí)不會產(chǎn)生共振，能夠滿足實(shí)際使用要求。