振動篩側板及篩框動態設計

孫 良

（唐山永春機械設備有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

作為冶煉工藝的關鍵設備之一，振動篩由于要經常在高溫、高粉塵等極其惡劣的條件下工作，因此常會受到周邊環境的影響，從而產生一定的扭曲變形，導致最后的產品結構存在很大問題，嚴重影響產品的正常使用。由于周邊環境的不可改變性，故改善振動篩的設計方案就顯得尤為重要。通過有限元對振動篩模型進行分析，并將模型導入相關軟件模擬工作場景，可以幫助了解不同振動篩設計的實際工作性能，進而獲得抗高溫性能良好、使用壽命長久、產品結構良好的振動篩，對于冶金工業有著極大的幫助。本文通過構建振動篩模型，并利用有限元對模型進行分析，提高振動篩性能，更好地為冶金行業服務。

1 振動篩側板的動力學結構改進

對于振動篩的動力學特征來說，設計的主要目的在于改善結構固有頻率，進而使得振動篩的固有頻率與實際工作時的工作頻率產生一定的差值，防止共振現象發生，保護振動篩的同時減少工作時的噪聲。側板的相關參數和物理特征可以利用CAD建模并導入相關數據計算獲得，并在已有的數據基礎上在Pro/E軟件中進行三維動態振動篩的模型建立，當將振動篩已知數據導入軟件中進行計算就能很方便地得出軟件的質心位置、轉動模量和材料的彈性模量等相關參數，給實驗的模擬提供寶貴的數據。

完成以上工作后，就要進行模型的模擬分析。利用ANSYS軟件中的model對模型進行分析，計算時采用先進的Lancozs模態求解方法對側板的10階模態進行求解，大大提高了計算的效率和精度，該法也很好地還原了真實情況下振動篩的力學特征，有很好的參考價值。

表1為香蕉篩側板前10階固有頻率，表2為香蕉篩側板與加強板前10階固有頻率。由于軟件中的單位不一致，表格中的數據在進行處理時應乘以1000。振動篩的工作頻率為16 Hz，而從表1和表2中可以看到在第5階的頻率與工作頻率很接近，這會對側板造成很大的影響，從表1中還可以看到側板具有比較密集的低階模態，所以處于工作頻率附近的模態應盡量消除。下面對該結構進行動力學改進，方法是在側板中部垂向尺寸較大的一側局部增加加強板，并與側板組合后進行模態分析，可以得出更加精確的數據，給振動篩的設計提供更真實的數據依靠。根據設計要求，振動篩的工作頻率必須遠離其固有頻率上下10%以上。從表中可以看出，組合后側板的第1階模態頻率達到32 Hz，而工作頻率為16 Hz，已經遠離了工作頻率10%以上，即可認為這種結構是一種合理的結構。

2 振動篩篩框的動力學結構改進

完成了振動篩側板的模態分析之后，現在來討論振動篩篩框的動力學改進問題。篩框是由板和梁鉚接而成的具有對稱結構的彈性體，盡管篩框的結構具有對稱性，但仍必須按整體進行分析，因為在動態分析中求得的各階振型并非完全以結構對稱面而對稱，如按對稱結構取其一半進行分析就會丟掉偶數階振型，使計算結果失真。

表1 香蕉篩側板前10階固有頻率（工作頻率：16 Hz）

表2 香蕉篩側板與加強板前10階固有頻率（工作頻率：16 Hz）

用ANSYS軟件系統中的model進行模態分析，計算時采用最先進的Lancozs模態求解方法對篩框的模態進行求解，表3即篩框所對應模態的8、9、10階固有頻率及工作頻率。

表3 香蕉篩篩框前10階固有頻率（工作頻率：16 Hz）

從表3可以很明顯地看出，與所設計的振動篩的頻率比較接近的為第8、9階的固有頻率。而根據以上分析我們知道，重新設計振動篩的目的就是為了改變其振動頻率，使其與工作頻率有一定的距離，防止工作時發生共振，引起振動篩破壞。因此，為了滿足這一要求，應該保證固有頻率與工作頻率的差值在10%以上，而表格中數據顯示所設計的振動篩頻率不能滿足要求，因此該設計會導致振動篩發生共振，使用效果不佳。需要對該振動篩進行改進，保證其固有頻率遠離工作頻率。在軟件中，可以通過調整振動篩的設計尺寸及結構方式來改變振動篩的頻率。

經過一系列設計實驗驗證之后，發現可以采用縱向邊框拉伸的方法提高振動篩固有頻率，增加縱向矩形梁提高振動篩受力時的剛度也能改變其固有頻率，也可以提高振動篩的橫向加筋，提高結構的整體穩定性來提高結構的抗力。經過改進的振動篩在進行軟件分析模擬后得到的相關數據如表4所示。

表4 改進后的香蕉篩篩框前10階固有頻率（工作頻率：16 Hz）

表中數據顯示，通過加筋等方式來改善結構特性的做法對于結構在承受外界荷載時的頻率產生了顯著影響。具體原理為改變構建剛度成功避開了工作頻率，使得設計振動篩的固有頻率偏離工作頻率10%以上，滿足了相關實驗的要求，有著很好的動力性能。同時，通過對比設計前后的振動篩可以發現，盡管振動篩的固有頻率發生了變化，但振動篩的振型并沒有發生太大改變，可見這種方法在提高振動篩使用壽命和結構性能的同時并未對其工作性能造成不良影響。

3 現有振動篩的優勢

相比傳統振動篩，新設計的振動篩主要有以下幾方面優點：（1）設計振動篩的生產工藝更加良好，更能滿足冶金工藝的需求。傳統振動篩由于強度不穩定，在使用過程中常會因振動篩自身性能破壞導致其生產加工的構件存在很大誤差，很多構件甚至無法滿足使用要求，只能回爐重新加工，浪費了大量時間，無法滿足日益增長的需求；而新設計的振動篩由于其結構穩定性得到很大改善，因此在工作時能保證振動篩的穩定，生產的產品也能較好地滿足使用要求。（2）傳統振動篩由于固有頻率與工作頻率比較接近，在使用過程中會因為發生共振最終導致振動篩的破壞，即使不發生突然變形也會因長時間承受荷載導致壽命減短，不能滿足使用需求；而新設計的振動篩通過改善固有頻率，避免了工作時共振現象的發生，極大地延長了振動篩的工作壽命，節省了成本，也保證了冶金工藝的正常運行，因此設計振動篩有著更好的經濟效益和社會效益。（3）傳統振動篩由于其設計造型考慮簡單，對工作時所要面對的環境問題分析不足，因此常會造成振動篩無法工作的現象，總的來說，傳統振動篩對環境的適應能力較差，不能滿足各種各樣的環境條件，這在技術快速發展要求設備適應能力更強的現代顯然無法滿足要求；而設計的振動篩通過采用先進的設計理念，并引入計算機技術對設計模型進行分析實驗，得出與事實相接近的實驗數據，大大節省了試驗時間，并通過分析實驗數據得出不同振動篩的設計問題，及時進行改善，使得振動篩的利用率更高，環境適應能力更強。

4 結語

傳統振動篩由于結構問題在工作時容易發生扭曲、斷裂等現象，工作性能較差。針對此情況，利用計算機軟件模擬技術對現有振動篩進行改進，改變其固有頻率，找出設計中不合理之處進行改進，極大地提高了振動篩的工作性能，對于推廣振動篩的使用、提升冶金工藝的效率和產品質量有著顯著意義。

［1］周磊，劉建慧.振動篩側板及篩框動態設計［J］.機械設計與研究，2010，26（4）

［2］尚曉耳，邱峰，趙海峰.ANSYS結構有限元高級分析方法［M］.北京：中國水利水電出版社，2008

［3］辛曉輝，曹樹謙，陳予恕.30m2雙層非線性共振篩模態計算與動態性能評價［J］.煤炭學報，2005，30（2）