基于ANSYS的多層振動篩中間橫梁改進

高陽,劉云飛,蔣文志,武甜,李晨光

(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安　710064)

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基于ANSYS的多層振動篩中間橫梁改進

高陽,劉云飛,蔣文志,武甜,李晨光

(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安710064)

摘要：針對某廠家生產的瀝青攪拌設備多層振動篩的中間橫梁易堵塞骨料導致清理困難的問題，提出截面形狀類似2個“J”形槽鋼焊接結構的中間橫梁結構，在ANSYS中對改進后的幾種方案進行仿真分析，選出最優方案，并進行理論計算。結果表明:該改進方案能有效解決原中間橫梁骨料堵塞問題，并且最大應力小于材料許用應力，滿足使用要求。

關鍵詞：振動篩；中間橫梁；ANSYS；仿真分析；理論分析

振動篩是一種分離不同粒徑物料的振動篩分設備，振動篩將提升機送來的骨料按照粒徑的不同進行重新篩分，為攪拌設備拌合前的精確計量做準備，以便拌合出合格級配的瀝青混合料。直線振動篩具有穩定可靠、消耗少、噪音低、壽命長、振型穩、篩分效率高等優點，是一種高效的篩分設備，廣泛應用于礦山、煤炭、冶煉、建材、耐火材料、輕工、化工等行業。振動篩篩箱主要由接料斗、側板、振源板、支撐橫梁、中間橫梁、預緊橫梁等組成，中間橫梁作為篩體的基本組成部分，在振動篩的工作過程中起著連接前端篩網和后端篩網的作用，并且可以調整前后端篩網的不同傾角。中間橫梁的強度和設計如果不滿足要求，將影響篩網的正常篩分狀況，最終將影響整個振動篩的正常運行。因此，對振動篩中間橫梁進行研究具有十分重要的意義[1-3]。

在對某振動篩測試過程中發現其中間橫梁凹陷處易塞滿骨料導致清理困難，進而增大更換篩網的難度。本文對該瀝青攪拌設備振動篩中間橫梁結構進行改進，并且利用ANSYS軟件進行仿真分析。

1仿真分析

振動篩原中間橫梁結構如圖1所示，由2塊彎板、中間筋板以及兩側端板焊接而成，材料為Q345。振動篩原方案能夠滿足使用要求，但是在更換篩網時，由于中間橫梁凹陷處塞滿骨料導致清理困難，使篩網更換不便。為此，對中間橫梁結構進行改進，改進后的中間橫梁結構如圖2所示，選取材料為Q345[4]。

以中間橫梁不同寬度l與厚度t的結構進行分析，得出橫梁的參數與分析結果如表1所示。

表1　不同結構的中間橫梁截面幾何參數及ANSYS分析結果

在拉網鉤處各施加預緊力F=96 kN，在ANSYS中進行靜力學與動力學分析[5-6]，可以查看中間橫梁在振動篩未工作和工作時的內部應力分布情況。從表1中可以看出：l120t12(橫梁寬度為120 mm、板材厚度為12 mm)仿真分析的靜應力和諧響應應力均小于橫梁材料Q345在150 ℃條件下的許用應力170 MPa，建議選用l120t12結構。

l120t12中間橫梁位移等值線和Von Mises等效應力分布[7]如圖3～6所示(圖3、5中單位為mm；圖4、6中單位為MPa)。

圖3　靜力學位移等值線圖

圖4　靜力學等效應力分布圖

圖5　動力學位移等值線圖

圖6　動力學等效應力分布圖

2受力分析

振動篩中間橫梁兩端與篩體側板鉚接，兩端既不能轉動，也不能移動，相當于兩端均為固定端支座[8]。

圖7　中間橫梁受力分析

該靜不定梁的受力分析如圖7所示，橫梁兩端受到來自振動篩側板的支反力偶MA、MB，水平支反力FAx、FBx和垂直支反力FAy、FBy作用，梁上受到來自篩網鉤的均布力q作用，梁的長度為l。

由圖7可得：FAy+FBy=ql，考慮到結構對稱性及中間梁實際受力情況[9]，有

由圖2所示，將上下2個篩網拉力F(分別與水平線的夾角為8°和11°)分解到垂直形心主軸1上得到力F1，分解到垂直形心主軸2上得到力F2，同時產生力矩M的作用[10]，即

式中：d1、d2為F到形心軸的距離。

即中間橫梁可以視為分別受到F1、F2和M的作用。

在F1作用下，以A點為原點，AB方向為x軸正方向建立數軸(見圖2)可得

根據撓曲線近似微分方程

式中：ω為撓度；E為材料彈性模量;I為截面對中性軸的慣性矩。

可得各段轉角[11]

式中a為常數。

所以在力F1作用下，彎矩表達式為

將橫梁基本尺寸及篩網拉力F帶入以上計算結果可得F1作用下最大彎矩為2 175.6 N·m，同理可得F2作用下最大彎矩為5 580.13 N·m。最大扭矩為4 141.44 N·m，位于橫梁兩端。

彎曲正應力計算公式為:

σ=My/I，

(1)

式中：M為彎矩，y為質點到中性軸的距離。

根據式(1)可分別計算出σA=121.9 MPa，σB=51.43 MPa，σC=-121.9 MPa，σD=-51.43 MPa。

扭轉切應力計算公式[12]為:

τ=Tρ/IP,

(2)

式中：T為扭矩，ρ為質點距軸線的距離，Ip為截面的極慣性矩。

根據式(2)可求出τA=21.184 MPa，τB=28.424 MPa，τC=21.184 MPa，τD=28.424 MPa。

按照第三強度理論，計算應力

式中:σ為彎曲應力，MPa；τ為扭轉切應力，MPa；α為折合系數，此處為脈動循環變應力，取α=0.6。

計算得到改進后中間橫梁端部的計算應力為：(σca)A=124.52 MPa，(σca)B=61.71 MPa，(σca)C=124.52 MPa，(σca)D=61.71 MPa。

理論計算的最大應力與仿真結果基本吻合，比仿真結果(147 MPa)小15.3%，且均小于Q345的許用應力170 MPa，滿足使用要求。

3端板與側板間摩擦力分析

圖8　中間橫梁端板的結構圖

鉚接良好的端板和側板之間應該有足夠的摩擦力,保證工作過程中兩者之間不得有滑移現象發生[13-15]。該橫梁在前半層與后半層篩網的拉力作用下，兩端產生逆時針最大扭矩為4 141.44 N·m，所以有必要對兩者的貼合情況進行校核。中間橫梁端板的結構圖如圖8所示。

振動篩采用16 mm環槽鉚釘緊固，單個鉚釘的鉚接力為72 kN，鋼與鋼之間在無潤滑條件下的摩擦系數μ取0.15，則保守計算中間橫梁上6個鉚釘產生的最大反力矩

Mmax=4 989.6 N·m>4 141.44 N·m。

每側端板通過6個鉚釘把中間橫梁鉚接在側板上的結構滿足要求。

4結語

根據分析與計算，建議將原中間橫梁結構改為類似兩個“J”型槽鋼焊接結構，橫梁材料為Q345，取寬度l=120 mm、高度h=100 mm、板材厚度t=12 mm，其中焊接點焊縫設置于E、G點處；并嚴格要求加工工藝，焊前材料進行預熱，焊后進行去應力回火，最后對法蘭兩側連接端面進行機加工。改進后的橫梁能有效解決原中間橫梁骨料堵塞問題，并且最大應力小于材料許用應力，滿足使用要求。

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(責任編輯：郭守真)

收稿日期：2016-03-04

作者簡介：高陽(1991—)，女，陜西渭南人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計與優化,E-mail: 1522578653@qq.com.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.014

中圖分類號：U415.52

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)02-0075-05

The Improvement of Middle Cross Beam of Multi-Layer Vibrating Screen Based on ANSYS

GAOYang，LIUYunfei，JIANGWenzhi，WUTian，LIChenguang

(KeyLaboratoryforHighwayConstructionTechnologyandEquipmentofMinistryofEducation,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China)

Abstract:Aiming at the problem that it is difficult to clean up because of the aggregate blockage caused by the middle beam of the multi-layer vibrating screen of the asphalt mixture equipment made by a factory, this paper puts forward a new middle beam structure with the cross section similar to two J-type welted steel structures. Then it makes the simulation analyses of several improved plans in the ANASYS, selects the optimized one and also conducts the relevant theoretical calculation. The results show that the improved plan can effectively solve the problem of the aggregate blockage of the original middle beam, and the maximum stress is less than that of the allowable stress of material, which meets the requirements.

Key words:vibrating screen; middle cross beam; ANSYS; simulation analysis; theoretical analysis