振動(dòng)篩橫梁早期失效的原因及改進(jìn)方案

劉哲明， 譚敏

（中冶長(zhǎng)天國(guó)際有限責(zé)任公司 機(jī)械分院，長(zhǎng)沙 410007）

0 引言

橢圓等厚振動(dòng)篩是一種大型的篩分設(shè)備，廣泛適用于冶金、礦山行業(yè)的礦石分級(jí)，煤炭行業(yè)的分級(jí)、脫介等功能，是現(xiàn)有大型篩分的理想設(shè)備。該系列篩的篩面是由不同傾角的三段篩面組成，采用三軸驅(qū)動(dòng)，三驅(qū)動(dòng)軸依靠同步器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫同步，穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，篩子的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，物料在篩面各段的厚度近似相等。

振動(dòng)篩橫梁在使用過(guò)程中出現(xiàn)裂紋，在靠近橫梁兩端裂紋較重,為延長(zhǎng)該類篩子的使用壽命；本文以某公司設(shè)計(jì)的橢圓振動(dòng)篩（圖1）為例，對(duì)其橫梁進(jìn)行有限元分析，得出構(gòu)件的模態(tài)和振型，并分析其在給定的激振工況下的受力，對(duì)其合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 振動(dòng)篩實(shí)物圖

1 橫梁的模態(tài)分析

橫梁的材料為20鋼，其機(jī)械性能如表1所示。

表1 20鋼機(jī)械性能表

我院自主研發(fā)的橢圓振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)橫梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),有限元分析時(shí)所選取單元為shell63單元。

條件假設(shè)：假定焊縫不存在缺陷和未焊牢的情況；忽略焊縫高度的影響;忽略溫度的影響。

工況：構(gòu)件在兩端的法蘭處受振動(dòng)負(fù)荷作用，振幅為8～10 mm，頻率為 800 次/min（即 13.333 Hz），相差相位角為 90°。

約束條件：橫梁兩端與側(cè)板固定，在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，可認(rèn)為橫梁兩端為全約束。

圖2 橫梁結(jié)構(gòu)圖

利用有限元分析軟件ANSYS分析可得出該橫梁結(jié)構(gòu)的前五階振型的振動(dòng)頻率如表2所示。

表2 橫梁結(jié)構(gòu)前五階振型的振動(dòng)頻率表Hz

圖3 一階振型相對(duì)位移變化圖

從以上分析看出,梁的固有頻率離受迫振動(dòng)頻率較遠(yuǎn),說(shuō)明共振不是造成梁被破壞的主要原因。

2 橫梁的諧響應(yīng)分析

在進(jìn)行諧響應(yīng)分析時(shí),根據(jù)橫梁的工作情況,在梁兩端分別加上振幅為10 mm，頻率為13.333 Hz，相位差為90°的如圖4所示的振源。

對(duì)橫梁進(jìn)行諧響應(yīng)分析后，其最大等效應(yīng)力如圖5所示，其最大等效應(yīng)力局部放大圖如圖6所示。

圖4 振源示意圖

圖6 最大等效應(yīng)力局部放大圖

振動(dòng)篩的使用壽命很短，橫梁出現(xiàn)裂紋的最主要原因是橫梁結(jié)構(gòu)在交變振動(dòng)負(fù)荷作用下引起疲勞所致。梁疲勞極限的計(jì)算

式中：εσ為構(gòu)件尺寸系數(shù)；kσ為外形造成的應(yīng)力集中系數(shù)；β1為表面加工系數(shù),

從以上公式可知，由于結(jié)構(gòu)尺寸、焊接加工及外形尺寸等因素造成的應(yīng)力集中,尤其是橫梁上的筋板與梁上鋼管焊接處應(yīng)力最大處比較急陡、焊縫圓角小，引起了較大的應(yīng)力集中，使得梁在較短時(shí)間就出現(xiàn)斷裂破壞。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后分析

由橫梁受力分析,我們知道橫梁在筋板的尖端部位所受應(yīng)力值最大,橫梁筋板的尖端部位應(yīng)力集中引起裂紋產(chǎn)生的可能性也最大，也最有可能演變?yōu)闄M梁的斷裂。

從前面的計(jì)算分析可以看出，動(dòng)應(yīng)力是造成梁早期破壞的直接原因,而梁的原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理,產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中。

經(jīng)過(guò)綜合分析,將加強(qiáng)板修改為沿梁軸向成一通線如圖7所示，以解決梁應(yīng)力集中過(guò)大的問(wèn)題，并增加梁的強(qiáng)度及提高梁的抗彎截面模量。對(duì)所有焊縫都開(kāi)有焊接坡口以提高焊接強(qiáng)度，組焊后進(jìn)行回火處理，以消除焊接應(yīng)力，組裝前對(duì)梁表面進(jìn)行噴丸處理，使產(chǎn)生冷硬層和表面殘余應(yīng)力，以提高其使用壽命。

圖7 修改后加強(qiáng)板示意圖

利用有限元分析軟件ANSYS分析可得出該改進(jìn)后橫梁結(jié)構(gòu)的前五階振型的振動(dòng)頻率如表3所示。

表3 改進(jìn)后橫梁結(jié)構(gòu)前五階振型的振動(dòng)頻率表Hz

進(jìn)行諧響應(yīng)分析后所得的應(yīng)力云圖如8、圖9所示。

由圖8和圖9可以得到改進(jìn)后和橫梁的最大應(yīng)力降低到263 MPa，并且其振動(dòng)頻率沒(méi)有多大改變，其一階振動(dòng)頻率為173.39 Hz，也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激振頻率13.33 Hz，不會(huì)引起共振；若圖7中的半徑R50變大一些，此最大應(yīng)力還會(huì)降低。

圖8 等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)振動(dòng)篩的橫梁的早期斷裂進(jìn)行了理論分析，得出橫梁早期斷裂的原因是因?yàn)闄M梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，造成橫梁的加強(qiáng)板位置產(chǎn)生了應(yīng)力集中。針對(duì)該振動(dòng)篩橫梁進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，并對(duì)設(shè)計(jì)改進(jìn)前、后的橫梁進(jìn)行了有限元模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，改進(jìn)前橫梁的最大應(yīng)力為362 MPa，而改進(jìn)后的最大應(yīng)力值為263 MPa，降低了近 100 MPa，相對(duì)降低值為 Δ=（362-263）÷362=27.35%，從圖中可以得出，改進(jìn)后的最大應(yīng)力是在加強(qiáng)板的R50的圓弧處，增大圓弧半徑可減小應(yīng)力值，并且橫梁若有破壞的話，是先從橫梁上的加強(qiáng)板開(kāi)始產(chǎn)生，這便于觀查判斷。

圖9 局部放大圖

［1］ 龔偉安.雙激振電動(dòng)機(jī)均衡橢圓運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩動(dòng)力學(xué)分析［J］.石油機(jī)械，2002（5）：1-3.

［2］ 侯勇俊，張明洪，吳華，等.雙軸自同步平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩研究［J］.天然氣工業(yè)，2004（3）：84-87，148.

［3］ 李麗，楊獻(xiàn)平，張明洪.節(jié)能高效自同步慣性振動(dòng)篩［J］.礦山機(jī)械，2004（4）：27-29，2-5.

［4］ 牟長(zhǎng)青，柴占文，朱均波，等.自同步平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的理論研究［J］.石油機(jī)械，2004（4）：11-12，59.

［5］ 于榮賢.工程力學(xué)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2011.

［6］ 龔曙光.ANSYS操作命令及參數(shù)化編程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.