基于ANSYS Workbench的直线振动筛动态特性分析

彭 飞

（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

0 引言

直线振动筛由于结构简单、工作可靠、筛分效率高等特点在选煤行业中有着广泛的应用。这种筛子的筛箱装有2个带有偏心块的激振器，2个激振器内部的偏心块由于自同步原理在稳态下保持同步反向旋转，从而使振动筛的运动轨迹为直线，因此这种筛子被称为直线筛。国产的直线筛一般抛射角为45°，拥有较大的加速度，特别适用于细粒级煤炭的脱水、脱介和脱泥。本文以ZKX3636型直线振动筛为研究对象，利用Workbench对其进行模态分析和谐响应分析，得到其动态特性，为筛箱的结构设计和优化提供了参考依据。

1 有限元模型的建立

振动筛的零部件较多，在建模的过程中省略掉了一些对分析结果影响不大的零件，比如筛板、橡胶垫、入料衬板、弹簧支撑座等。由于侧板、加强梁、横梁等部件上的孔容易造成应力集中，在建模过程中也进行了省略。本文采用自由网格划分方法对轴进行划分，控制Body Sizing为100mm。建立完的有限元模型共有138 229个节点，69 350个单元，网格单元质量较好，能够比较精确的进行计算。

图1 振动筛有限元模型

各部分材料的参数设置见表1。

2 边界条件的设置

本研究在振动筛弹簧前支座和后支座的位置以Body-Ground的形式添加4个弹簧，用来模拟振动筛的橡胶弹簧；在侧板上2个激振器安装孔中间的位置添加2个质量点，用来模拟激振器的质量；并在质量点上添加远程作用点，激振力的作用点位于此位置。振动筛的激振力来源于激振器内偏心块的离心力。

表 1 材料物理特性

式中P(t)为激振力，m0为偏心块的质量，m0=67kg，r为偏心块的偏心距，r=85.4mm，ω为偏心块的角速度，ω=101.5rad/s。经计算，得到单个激振器的激振力P(t)=117404.3N。

3 模态分析

本研究设置模态求解阶数为10，采用自动求解方式，计算得到前10阶的固有频率和相应振型如表1所示。可知，直线筛的固有频率22.86Hz最接近其工作频率16.17Hz，二者相差41%，筛箱不会发生共振，满足设计要求。

表2 模态计算结果

整体上看，随着固有频率的增大，振动筛振动产生的最大位移呈逐渐增大的趋势，但是位移量都相对较小。振动筛的工作频率较低，所以一般只关注振动频率附近的固有频率和振型[1-2]。图2、3列出了第7、8阶的振型图。

图2 第7阶振型图

图3 第8阶振型图

4 谐响应分析

本研究设置频率范围为0～25Hz，间隙为50次，采用完全法进行谐响应分析。计算得到频响曲线如图4所示，筛箱振幅总体随激振力频率的增大而降低，且整体趋势平稳，在3Hz附近位置振幅出现峰值，这是由于在此位置出现共振现象，这也与3.35Hz的固有频率的结果比较相符。图5、6分别为频率22.85Hz下的应力云图和位移云图，可知最大应力为12.46Hz，位于入料端梁与侧板相接的位置，这是由于应力集中造成的。除此之外，应力较大的部分位于侧板2个激振器中间位置和加强梁中部，大小在7.55～10.78MPa之间，其余部分应力分布均匀，且均小于许用应力。

图4 频响曲线

图5 22.85Hz频率下应力云图

图6 22.85Hz频率下总位移云图

图7 、8、9分别为工作频率16.17Hz下的X轴、Y轴、Z轴方向的位移响应。X轴方向的最大位移位于加强梁中部，大小为1.58mm，Y轴方向的最大位移位于侧板出料梁方向的位置，大小为-1.29mm，二者比较相近，符合振动方向角45±5°的设计要求。Z轴方向的最大位移为0.074mm，接近与0，说明筛箱无横摆。图10为工作频率16.17Hz下的总位移云图，可知筛箱整体位移在1.83～2.25mm之间，符合直线筛双振幅3.5～5mm的设计要求，且振幅变化幅度较小，说明筛机整体运行平稳。图11为工作频率16.17Hz下的应力云图，最大应力为11.68 MPa，依然位于入料端梁与侧板相接的位置。除此之外侧板2个激振器中间部分和加强梁中部应力相对较大，但整体应力分布均匀，且小于许用应力，说明筛箱结构设计合理[3-5]。

图7 16.17Hz频率下X方向位移云图

图8 16.17Hz频率下Y方向位移云图

图9 16.17Hz频率下Z方向位移云图

图10 16.17Hz频率下总位移云图

图11 16.17Hz频率下应力云图

5 小结

本研究利用SolidWorks完成了ZKX3636型直线筛的建模，并做了适当简化；导入Workbench里完成模态分析，得到其固有频率和振型，得知工作频率远离固有频率；通过谐响应分析，得到了振幅的频响曲线，分析了22.85Hz和16.17Hz频率下的位移和应力响应，筛箱整体应力分布均匀，数值在许用值范围内，筛机运行平稳且无横向摆动，筛箱整体结构设计合理。