轻型矿用共振筛模态分析及失效研究

文章编号:100320794(2006)1220035203轻型矿用共振筛模态分析及失效研究武登山1,2,刘明治1,武守功2(1.西安电子科技大学机电工程学院,西安710071; 2.山西省孝义市众鑫机械厂,山西孝义032300)摘要:描述了轻型矿用接近共振筛的结构特点和在具体的生产过程中所产生的问题。

利用ansys9.0建立筛体的有限元模型,对振动筛进行模态分析,找出了振动筛筛框刚性较强和容易发生的疲劳断裂部位,得到了各阶模态下振动筛的固有频率,为进一步分析振动筛使用失效的原因提供了依据,提出了改进的方案。

关键词:模态分析;有限元法;共振筛中图号:T D452文献标志码:AModal Analysis and Research of Invalidation for Light-dutyResonance ScreenWU Deng-shan1,2,LIU Ming-zhi1,WU Shou-gong2(1.College of Mechanical and Electro nical Engineering,Xi.an Electricity Universi ty,Xi.an710071,China;2.X iaoyi City Zho ngxin Mechanical Factory,Xiaoyi032300,China)Abstract:The description of structural characteristic and problems that occurred in the actual producing pro2 cess w ere presented.B y using the finite element sof tw are-ansys9.0,the model of light-duty resonance screen was established and the mode of light-duty resonance screen was calculated.The result sho wed the stiff part and the fatigue part of the screen.The natural frequency of screen w as gained.The result provided the base f or further analysis about invalidation and new method f or evolution.Key words:model analysis;finite ele ment method;resonance screen1轻型矿用接近共振筛1.1共振筛结构轻型矿用接近共振筛如图1所示:(1)轴的两端带有轴承和轴承座,过板弹簧与筛箱连接。

轴的两端上有偏心块儿,一端的电机固定在地脚座上,电机不参振。

当电机转动时带动曲轴与板弹簧晃动,曲轴和筛箱上固定有橡胶碰振弹簧。

激振力粗调节,通过调节曲轴上偏心块儿的偏心角度得以实现。

激振力的细调节是靠调节橡胶碰振弹簧的碰撞间隙得以实现。

(2)共振筛筛箱通过线性隔振弹簧固定在底架上。

(3)共振筛优于普通单轴线性单轴振动筛,耗电少,筛分效率高。

普通振动筛筛分效率70%,共振筛筛分效率可达90%以上。

湿焦粉不易堵筛网。

筛网采用螺纹钢筋编织成,噪声大,耐磨损。

1.2技术参数(1)采用轴转速750r P min,电机为4级1.1kW P 台。

实践证明,动力充足,产量60t P h。

(2)筛体倾角15b,主轴规格1800mm@<60mm,采用焊接成为曲轴。

轴承采用3611调心轴承2盘,平衡轮与皮带轮各一(规格外径350)。

(3)轴两端装配2个厚度30mm,角度120b,半径300mm的偏心块。

(4)板弹簧采用汽车弹簧钢板,每侧6块,采用螺栓联接。

(5)筛箱体采用厚度8mm的钢板,采用7#角钢进行加强,筛网采用<14mm的螺纹钢T506焊条进行焊接。

图1矿用接近共振筛Fig.1Resonance scr een pr actical2存在问题(1)筛子尾部激振力轻微,负载与不负载引起的反差大,不得不通过加大主振橡胶弹簧的共振间隙而达到筛分效果,致使橡胶弹簧寿命大大缩短,很快烧毁,持续30min。

(2)筛箱在负载工作时噪音过大。

(3)调整主振橡胶弹簧间隙很困难,激振力响应时间过短,灵敏度过高,在1~3mm范围的间隙内响应激烈。

为了保护橡胶弹簧,在橡胶弹簧之间又加入线形弹簧,效果不好。

3筛框有限元模态分析振动筛的动态特性一般包括2方面的内容:(1)#35#第27卷第12期2006年12月煤矿机械Coal Mine MachineryVol127No112Dec12006结构的固有特性;(2)筛机的动力响应。

筛机结构的固有特性对动力响应有很大的影响,动力应该是固有特性与激振力之和的综合表现。

目前国家标准对振动筛动力响应的要求有2个:(1)运动要求,如筛箱横向摆动小于1mm,两侧板对应点振幅差小于015mm;(2)动应力小于24.5M Pa。

要达到上述要求,必须在设计阶段对其结构的动态特性按一定的振型组合进行振动。

这样就能识别出结构上出现的问题。

将振动筛简化为多自由度的系统,由于筛框是由金属材料制成,故内阻很小,因此可以忽略不计,在外力{f(t)}的作用下,在时域中的振动方程为[m]{x(t)}+[k]{x(t)}={f(t)}(1)式中[m])))质量矩阵;[k])))刚度矩阵;[x(t)])))响应矩阵。

由于阻尼很小,所以构件在{f(t)}作用下所产生的响应{x(t)}其各阶模态振型呈实模态形式。

经过模态分析找出构件刚性较弱的部位,并对其结构进行改进,其动态性能的改善,主要取决于敏感界固有频率的提高和最大振动幅的下降,如果固有频率提高了,最大振动幅下降了,则改进设计后的构件刚性有所提高。

因此,有必要对筛体进行振动各阶模态的分析,找出筛体结构设计之初的不完善之处,以便进一步分析共振形式使用失效的原因。

3.1模型简化及有限元网格划分一般的振动筛筛框是一种板梁结构的构件,侧板上有加强部位,为反映筛框的实际情况,必须对筛框做网格划分,划分的程度既不能过于稠密以至无法分辨,又要尽可能反映构件的实际构造。

主要考虑以下原则:(1)预留附加件和连接件的轮廓边界;(2)尽量采用四边形单元,局部过渡采用退化三角单元;(3)避免奇异单元的出现;(4)考虑检测点的位置。

按此原则对筛框进行了网格划分,确定了12 175个节点,2432个单元。

另外,在保证足够的计算精度的前提下,为了更准确地反映振动筛的实际情况和方便计算,对于振动筛的零部件,结合件也做了一些相应的简化。

侧板用薄壳单元。

用ansys对其进行各项物理参数定义:D=10mm,弹性模量E=2.1E11,泊松比L=0.26,密度Q=7.8g P c m3。

对于弹簧单元,根据其刚度大小和弹簧的并联刚度等效,利用刚度等效用柔性杆代替。

即杆拉伸时弹簧总刚度K=nk=EF P L(2)式中k)))弹簧刚度;L)))杆的长度;E)))弹性模量;F)))杆的横截面积;n)))弹簧数量。

用于产生激励的汽车弹簧钢板用等效弹性梁简化(见图2)。

图2共振筛的有限元模型Fig.2Finite element model of r esonance scr een3.2振动筛模型边界条件和连接条件的确定共振筛计算模型的边界条件由边界元模拟,支撑弹簧简化为拉压边界元,由振动筛的动力学参数:转速750r P min,角速度X=750@2@P P60=78.5 r P s,主支撑总刚度K=m X2,振动筛质量为3000kg,可求出总刚度为1.85@107。

根据式(2)可求出弹簧的弹性模量E=1164@109。

由于模态分析是在非工作状态下进行的,橡胶碰振簧不起作用,故模型中不予考虑;用汽车弹簧钢板做的板弹簧直接用等效弹性梁单元建立在整体模型中。

由振动筛的运动轨迹,直接设定其边界条件,对和隔振架相连接的弹簧采用与地全部约束,对于横梁与侧板的连接,采用刚性连接。

3.3模态分析频带的确定接近共振筛是在过共振区工作,所以其工作频率不是其固有频率,振动筛设计才是合理的。

为了找到工程实际中产生问题的原因,有必要对有限元方法建立的振动筛模型进行模态分析,求出振动筛筛框在各阶模态的固有频率,分析筛框结构的合理性。

由振动筛的动力学参数:转速750r P min,角速度X=750@2@P P60=78.5r P s,可以求出筛子的实际工作频率为750P60=12.5Hz,所以所选模态的固有频率应该远离其工作频率。

在进行了板梁简化及等效转化的确定边界条件后,用ansys9.0软件系统中的model命令进行了10阶模态分析。

3.4模态计算结果及分析通过建立有限元模型,利用ansys建立筛体的质量矩阵和刚度矩阵,求解自由振动方程的广义特征值问题,得到共振筛的模态频率和振型,分析时an2 sys采用的是10-5的收敛迭代精度。

计算结果见表1,并与筛体在各工作状态下启动,正常运转,橡胶碰振弹簧发热,到烧毁直至停机所经历的测试分析结果进行了比较。

发现在第3阶时橡胶碰振弹簧烧#36#Vol127No112轻型矿用共振筛模态分析及失效研究)))武登山,等第27卷第12期毁。

证明有限元模型的建立是与实际筛体结构相符的。

(1)由于共振筛的实际工作频率为750P60= 1215Hz,从表1中可以看出,与工作频率相邻的模态频率分别为10.537Hz和18.908Hz,有2阶模态10537Hz,3阶模态13.689Hz,比较接近实际的工作频率。

为了分析这两阶弹性模态对振动筛变形的影响,计算3阶模态的半功率带宽$X=G3X3= 01002457@131214=0103247Hz,因此3阶模态共振区I[121214,121498]Hz,说明工作频率不落在3阶模态半功率带宽内,不会引起该阶模态主共振。

表1模态分析的计算值与实测值及各阶次振型特征Tab11Results of computation and test and vibr ationmode char acter阶次振型特征相应振型的固有频率P Hz实测值计算值1筛箱侧板沿Z轴左右振动,筛箱侧板装有橡胶碰振弹簧处变形最大,筛箱与隔振架同相位。

6.55 6.9192筛箱侧板沿Z轴左右振动,右侧板关节点处变形最大,筛箱与隔振架反相位。

9.85110.5373筛面沿Y轴上下振动,在筛网X Z平面,两侧板XY平面同时呈现1阶和2阶弯曲振动。

筛网XZ平面中心变形最大。

13.21413.6894筛网XZ平面沿Y轴上下振动,接近出料口处的筛面沿Y轴正向变形最大。