基于有限元計算的流化床振槽的結構改進分析

陳家權， 蘇光耀， 劉福營， 黃海鑫， 趙威

（1.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004；2.廣西葉茂機電有限公司，南寧 530004）

0 引 言

大型振動流化床廣泛應用于礦山、冶金、制糖等行業。本文研究的是制糖用流化床，是制糖工業的主要設備之一，主要用于結晶糖的干燥。流化床的振槽是流化床的主要部件之一，也是流化床的關鍵部件。然而在流化床的實際運作期間有加強板開裂的問題，如何解決結構開裂并合理降低結構質量對減少停機維護、節約能耗、節省成本、提高經濟效益等都至關重要。

本文通過有限元分析的方法，并用不同改進方案進行比較，分析、計算振槽的應力分布情況，對不合理的結構進行改進，并對改進后的結構進行分析，使其滿足工況條件，以解決開裂問題并簡化結構達到輕量化的目的。

1 流化床的工作原理及受力分析

流化床結構如圖1所示，工作原理是：結晶糖（物料）自進料口進入流化床機體，在激振力的作用下，結晶糖沿流化床斜向上方向拋擲，向前連續運動；熱風向上穿過結晶糖，將水分帶走，以達到干燥的目的。

該流化床采用雙軸慣性式激振動，槽體兩側的法蘭盤連接有2臺振動電機，振動電機的偏心質量塊的偏心質量和偏心距以及起始位置都相同，同步均速運轉，方向相反。由兩偏心塊產生的慣性力在垂直于電機座法蘭盤盤面方向的分力相互抵消，而平行于法蘭盤盤面方向分力相互疊加，給振槽提供正弦激振力，迫使振槽進行直線往復振動［1］。根據振動電機參數，兩振動電機所提供激振力為100 kN；頻率為 f=16.64 Hz。設沿流化床長度方向為X軸，寬度方向為Y軸，高度方向為Z軸，電機座套筒幾何中心為原點，如圖1所示。則激振力方向可用矢量r=［-1，-1，0］表示。對于振槽的結構而言，兩電機在法蘭盤上的激振力垂直分量大小相等方向相反，對電機座的法蘭盤與套筒部分結構作用明顯，對振槽其他的結構作用較小。而兩電機平行于法蘭盤的激振力分量迫使振槽振動，對振槽的結構影響較大，對振槽結構的改進至關重要。

圖1 流化床簡圖

2 振槽的有限元建模型的建立

2.1 創建有限元模型

振槽是由槽體骨架、下箱體、篩板、走料槽、隔振彈簧組成。本文采用SolidWorks強大的實體和曲面造型功能對流化床進行幾何建模，并導入ANSYS Workbech進行有限元分析，綜合考慮到計算精度和有限元計算規模，對部分特征進行簡化［2］。在SolidWorks中預先對模型進行處理。連接關系有焊接和螺栓連接，略去固定用螺栓及螺栓孔，忽略倒角和制造圓角。同時，由于焊接在大多數情況下可以實現母材等強度，所以將焊接結構簡化為整體式，以便進行網格劃分，方便計算，獲得較好的計算結果。

2.2 有限元網格劃分及材料屬性

網格劃分是建立有限元模型的一個重要環節，本文采用ANSYS Workbench對模型進行網格劃分。網格劃分全部采用solid187實體單元。為了使網格劃分的單元質量能夠得到保證，模型采用整體尺寸控制和局部細化的方法進行網格劃分。流化床的有限元單元總數為1 065 875，節點數為2 084 010。振槽由Q235的鋼管和鋼板焊接而成，材料密度為7 850 kg/m3,彈性模量為210 GPa，泊松比為 0.31，屈服強度為 235 MPa［3］。

2.3 邊界條件及加載

1）邊界條件。振槽由8個隔振彈簧與機體地板連接支撐，減少傳給地基的動載。同時，振動電機用螺栓固定在電機座法蘭盤上，將激振力傳遞給振槽，使振槽振動，所以確定振槽的約束時，將下彈簧座的底部幾何面設為固定約束。

2）加載。由于流化床所受激振力是由2臺振動電機的偏心塊的同步反相高速旋轉產生的離心力提供，所以根據流化床的受力情況，當離心力平行于電機座法蘭盤盤面時提供給振槽整體的合力最大，對結構影響最大。所以在兩側的法蘭盤面上分別進行加載，加載作用力與水平面夾角為45°，大小為50 kN。其槽體自重通過Workbench自帶的標準重力施加在整個模型上；篩板上物料為結晶糖質量較輕，可忽略物料的作用，具體加載如圖2所示。

圖2 加載與約束

圖3 振槽結構編號

3 有限元結構分析結果及結構改進

3.1 靜力分析

首先對模型進行靜力學分析。為了便于表述，對振槽的各個部位結構進行編號，由于從分析結果看左右結構受力基本對稱所以只對右側結構進行編號，具體編號如圖3所示。

從圖4的分析結果可以看出，3號部位的加強板中部，彈簧座支架連接板中部及底部3塊的加強板的應力值都小于7 MPa，遠小于設計值；但是在實際的工作中，在頻率為16.64 Hz正弦激振力的作用下，加強板邊緣有開裂的問題，分析其原因：1）由于焊接時，加強板較厚，未焊透的導致應力集中；2）該處結構由鋼板加強，剛度較大；兩側排氣孔四周由拉筋加強，剛度較小；結構的應力分布不均，在正弦激振力的作用下容易產生應力集中。因此本文從改善結構應力分布均勻性和降低結構質量的角度考慮，提出4種改進方案，進行對比分析，具體如圖5所示。

圖4 改進前結構靜力分析應力云圖

圖5 結構改進方式

方案1：由于如圖4所示的幾處受力較小的結構，對整個結構的整體加強作用不大，所以考慮將這些加強板的中間部分材料進行切除處理。同時在有開裂問題的上側加強板的兩側的拉筋位置增加肋板，進行加強，使振槽的整體結構受力更加均勻，避免結構的受力不均勻而產生應力集中導致加強板開裂。

方案2：考慮到加強板為20 mm的厚板，不能采用沖壓成形，需要進行切割處理，在工藝上比較麻煩，所以在滿足性能要求的情況下簡化生產工藝，在方案1的基礎上，采用加強肋板的形式進行加強。

方案3：在改進方式1和2的基礎上進行分析后。考慮沒有加強板加強時，看是否也能滿足振槽的強度要求，并比較與其他方案的差異。

方案4：考慮到振槽的開裂部分結構在電機與彈簧支架之間的主要承載區域，在工作過程中受動載的作用，應力集中較為明顯，所以把開裂部分的結構移動到彈簧支撐座外側，并且，由于該結構不在主要承載區域，受力減小，所以去除加強板。另外，考慮到減小支撐跨距后，彈簧支撐座與電機座結構之間只有4根拉筋結構，強度較為薄弱，所以在4根拉筋處增加肋板結構進行加強，如圖5所示。

對這4種改進后的結構進行靜力分析其結果如圖6和表1所示。從分析結果看：

圖6 改進結構應力云圖對比

表1 靜力分析各處結構最大應力值 MPa

1）按4種方案改進后，結構的應力分布都更加均勻，其中方案1的結構應力均勻性最好，各部位結構的是最大應力差值最小，差值為18 MPa。

2）從表1的分析結果看，按這4種方式進行改進后，雖然應力分布均勻性有所改善，但各個結構的應力變化水平并不大。

3）方案4縮短了兩彈簧支架的支撐跨距后，對彈簧支架的作用力從25.1 MPa增加到39.2 MPa。雖然有所增加，但是仍在允許范圍內。支撐跨距減小了，振槽整體剛度也會有所增加。而有開裂問題的加強板結構移動到承載區域外側，開裂問題也將得到解決。除此之外，其它結構的應力水平也都能滿足設計的要求。

綜合考慮以上的4種方案后，決定采用方案4，即能解決加強板開裂問題，同時也能較大幅度減輕結構質量。對振槽結構進行改進。改進后振槽的質量從原來的3 875 kg減少到3 438 kg，整體質量減輕了11.28%。

3.2 模態分析

模態分析用于分析一個結構的固有頻率和陣型，固有頻率和振型是動載結構中的重要參數，為動態特性分析打下基礎。模態分析的另一個目的是鎖定與工作頻率相近的固有頻率，通過修改結構，使工作頻率遠離固有頻率，避免共振，優化結構設計［4］。

運用Workbench的模態分析模塊，分別對改進前后的模型進行模態分析，分別求解得到前15階的固有頻率，如表2所示。

表2 改進后流化床前后15階固有頻率 Hz

從表2中可以看：1）改進后與流化床的工作頻率16.64Hz比較接近的是7～10階模態值，其中第10階與工作頻率最接近。從其模態振型看，這4階的模態振型為振槽內的氣室的4塊隔板沿水平方面的振動。但第10階模態與工作頻率相差4.67 Hz，遠離工作頻率28%，不會產生共振對結構造成破壞，另外，隔板只起分隔氣室的作用，并非重要結構，所以無需進一步改進。2）第4階和第5階的振型振動方向與電機的激振方向在同一平面方向上，其模態值在改進后略小于原模型的模態值，說明改進后，振槽的整個結構的剛度也得到一定程度的提高。

3.3 諧響應分析

諧響應分析用于確定線性結構在承受隨時間按正弦（簡諧）規律變化的載荷時的穩態響應。本文采用Workbench諧響應分析模塊，運用完全法對模型進行諧響應分析。以獲得在工作頻率下振槽各個結構的加速響應、應力響應情況，并與實際工作情況進行對比。具體結果如下：

1）實際的加速度測點如圖7所示，實際的加速度測量結果與計算值如表3所示，可以看出理論計算值與實際測量結果誤差在12%以內，說明該模型的計算結果與實際情況基本一致，可作為設計和改進的參考依據。

2）從圖8的應力響應云圖可以看出，改進后的結構在正弦激振力的作用下，整體結構的應力分布比改進前的更加均勻。所以從應力的角度看，改進后的結構更加合理。

表3 加速響應值與實際測量加速值

3）從表 4中的結構應力表中可看出，3號和4號結構移動到5號 （彈簧支架結構）外側后，雖然去除加強板結構，但是應力水平卻有所下降。這樣既可解決加強板開裂的問題，又能起到簡化結構、減輕質量的作用。

圖8 應力響應云圖對比

表4 各部位結構最大應力響應值 MPa

4結 語

本文對流化床的振槽進行靜載和動載分析，并根據分析結果提出4種改進方案進行分析比較。采用縮短彈簧支撐跨距，將有開裂問題的結構移出主要的承載區域的方式對結構進行改進，解決加強板開裂問題；并在不改變整體結構應力水平的情況下，對結構進行優化，從而達到減輕振槽質量的目的。并通過有限元分析數據與實際測量數據進行比對，對原模型的有效性進行了驗證，但是，對改進后的結果還有待進一步的實踐驗證。但是由于時間和條件的限制，關于課題的其他問題還有待進一步探討和研究，如篩板的開裂問題，電機座法蘭盤的疲勞強度問題等。

［1］ 聞邦椿，劉鳳翹.振動機械的理論及應用［M］.北京：機械工業出版社，1982.

［2］ 尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結構有限元實例分析與高級應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［3］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2008.

［4］ 王建華，孔祥偉.振動流化床篩箱結構優化設計［J］.機械工程師，2012（7）：108-110.

［5］ 曹樹猛.雙層直線振動篩動力學分析與輕量化設計［J］.機械工程師，2012（10）：105-107.