基于ANSYS Workbench的激振力作用下香蕉篩疲勞分析

摘要：香蕉篩被廣泛應用于選礦作業流程，其關鍵部件的設計影響整機的使用壽命?；贏NSYS Workbench進行靜力學分析，并利用 Fatigue Tool 進行疲勞壽命模擬計算，得到香蕉篩結構件的壽命云圖，從而確定香蕉篩結構件的薄弱環節，為優化設計提供了理論依據。

關鍵詞：香蕉篩；靜力學分析；疲勞分析；優化設計；ANSYS Workbench

中圖分類號：TD452 文章編號：1001-1277（2024）02-0029-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240206

引 言

香蕉篩是一種重型等厚振動篩^［1］，廣泛應用于分級、脫泥、脫介及脫水等工藝環節。在香蕉篩的使用過程中，主梁在疲勞和重復加載的情況下容易發生斷裂，疲勞裂紋通常出現在結構危險位置的周圍區域內，因此，對結構惡化的過程進行偵測是相當困難的。此外，結構件的累積損傷并不會自行恢復，因此香蕉篩災難性事故發生之前通常沒有任何預兆。

隨著虛擬仿真技術的推廣應用，疲勞壽命分析技術也日漸成熟，本文提出基于ANSYS Workbench的疲勞壽命模擬^［2］，分析了香蕉篩壽命薄弱點，為優化設計提供了理論依據。

1 香蕉篩激振力計算

香蕉篩工作時由電動機帶動帶輪和三角帶傳遞動力，再通過萬向聯軸器將動力傳遞給激振器，激振器帶動2個偏心塊運轉，相同質量的2個偏心塊作同步反向旋轉運動，產生的離心力在軸向上相互抵消，從而使得物料作直線運動。激振力的大小和作用方式對香蕉篩的工作性能和篩分效果有著至關重要的影響，在實際應用中，常常需要根據篩分物料的特性和生產需求，選擇合適的激振力類型和大小，以達到篩分要求；同時，香蕉篩的激振力大小也影響著自身的結構強度和使用壽命。本文通過對焦家金礦3661 型香蕉篩的研究，并結合實際應用情況，驗證理論計算和有限元分析方法的準確性，為香蕉篩的設計和優化提供一定參考依據。

激振力分析是香蕉篩有限元分析的基礎，因此，對激振力的分析應力求可靠。香蕉篩簡化模型受力分析如圖1所示。

香蕉篩激振力在偏心塊作用下產生離心力，離心力的合力在局部坐標系x′O′y′中沿y′方向為最大值，隨著偏心塊旋轉逐漸減小，至x′方向變為 0，變化規律為正弦函數，由此帶動香蕉篩沿y′方向作直線往復運動，激振力F計算公式^［3］為：

F=meω²sin（ωt）= Psin（ωt）

式中：m為偏心塊總質量（kg）；e為偏心距（mm）；ω為偏心塊旋轉角速度（rad/s）； P為激振力最大值（MPa）;t為工作時間（s）。

根據產品說明書，8 個偏心塊的總質量為 1 096 kg，已知其工作頻率為 13.67 Hz，求得ω=85.89 rad/s，偏心距 e=198 mm，代入激振力計算公式：

F=1 443 000·sin（85.89t）

2 香蕉篩靜力學分析

香蕉篩靜力學分析是有限元分析的一種，激振力對香蕉篩結構的穩定性和變形會產生一定的影響。

在進行香蕉篩疲勞分析時，需要先進行靜力學分析，以確定香蕉篩在靜態負載下的應力分布和變形情況，為疲勞分析提供基礎數據。通過靜力學分析，可以優化香蕉篩的設計，提高其承載能力和穩定性，減少在使用過程中可能出現的故障和損壞。

為提高建模效率，在Solidworks中建立香蕉篩簡化模型，并導入ANSYS Workbench中，設置接觸方式、網格劃分、添加集中質量等參數^［4］。對模型添加重力，設置重力加速度為 9.8 m/s²，在激振器支承橫梁上添加激振力F。由于香蕉篩與地面之間通過彈簧連接，在力的作用下會產生位移，所以在分析設置中需要打開慣性釋放（Inertia Relief），從而允許對完全無約束的結構進行靜力分析。軟件會自動給模型添加一個與作用力等大、反向的慣性力，以此來使模型保持平衡狀態。模型受力狀態見圖2。

設置完成后，對香蕉篩進行靜力學分析，香蕉篩應力分布云圖和應變分布云圖見圖3。

從圖2、圖3可以看出：最大應力出現在左后方彈簧支座上，最大應變位置與最大應力位置相同，最大應力約為92.5 MPa，最大應變約為 5×10^-4 m/m。與實際應用情況相符，最大應力位置放大圖見圖4。從圖4可以看出：應力集中點位于彈簧支座縱向加強筋的彎折處。該處為2個應力集中相互疊加：一方面，筋板折彎，由于設置的折彎半徑較小而引起的應力集中；另一方面，在激振力作用下，彈簧壓縮彈性勢能引起的筋板變形，共同作用引起的應力集中，為重復應力集中。此外，激振器的支承橫梁為應力較大處，應力為30.5 MPa，應變為1.4×10^-4 m/m。

3 香蕉篩疲勞分析

疲勞分析是研究香蕉篩在重復動態負載下的響應情況。疲勞分析可以確定香蕉篩在重復動態負載下可能出現的疲勞損傷和壽命，以便及時進行維護和更換，避免因疲勞損傷導致的安全問題和設備故障。通過疲勞分析，可以優化香蕉篩的設計，提高其抗疲勞性能和工作壽命。

在疲勞分析中，對于應力-壽命分析方法，需要將結構的應力結果與材料的S-N曲線對比，計算出結構各位置的疲勞損傷、疲勞壽命等結果。本文利用ANSYS Workbench中Mechanical模塊自帶的Fatigue Tool功能，依次導入模型、定義材料、設置接觸方式、劃分網格、添加載荷及支撐，輸入材料的S-N曲線，之后在分析結果 Solution 中添加壽命計算模塊，選擇需要輸出的結果后進行疲勞分析。Fatigue Tool 疲勞分析步驟見圖5。

1）設置疲勞強度因子K_f。疲勞強度因子K_f是指結構件在疲勞循環載荷下的耐久性能，其影響因素包括材料的性能、零件的幾何形狀、載荷類型和大小等。不同結構件表面光滑程度不同，表面粗糙的結構件更有可能存在初始裂紋，因此疲勞強度會減弱^［5］。疲勞強度因子 K_f 是用來描述結構表面不光滑度對結構強度及壽命的影響，一般小于1。由于香蕉篩的工況比較惡劣，在篩分過程中物料顆粒與篩體發生碰撞摩擦，會導致疲勞強度進一步降低，結合經驗，疲勞強度因子 K_f = 0.7。

2）設置載荷類型。載荷類型可以設置為單向循環載荷、對稱循環交變載荷、不對稱循環交變載荷3種^［6］。由激振力計算公式可得，在激振力作用情況下，在該疲勞分析中設置載荷類型為對稱循環交變載荷（見圖6）。

3）設置疲勞分析類型。機械疲勞分析通常有應變疲勞、多軸疲勞、焊縫疲勞、隨機振動疲勞、熱機疲勞、蠕變等類型。振動篩載荷為循環交變載荷，疲勞類型屬于應變疲勞。

4）設置使用壽命?？紤]香蕉篩的使用工況，按一天工作8 h、使用壽命10 a計算，約為1.08×10⁸s。

5）運行求解。可以通過圖標選項，將云圖的應變、應力等修改為浮點計數法；通過右擊結果，選擇添加安全系數圖解，在設置完成各項參數后，疲勞分析將在應力分析之后自動進行。分析結果見圖7。

從圖7可以看出：香蕉篩最低壽命為3.9×10⁸s，滿足設計要求。危險位置位于左后方彈簧支座。該位置既是受力較大部位，又是構件之間的連接位置，所以疲勞壽命偏低。

安全系數云圖見圖8。從圖8可以看出：數值表示設計壽命中的交變應力與給定點的等效交變應力之比，數值越大表示該位置越安全，最低安全系數為1.1，其中激振器支承橫梁、側板、彈簧支座位置安全系數相對較小。

雙軸應力狀態是一種物質受到2個相互作用的應力的狀態，即同時存在正應力和剪切應力的狀態^［7］。在材料中，雙軸應力通常由2個垂直方向的力引起，可以用正應力-剪切應力圖來表示（見圖9），即某一點剪切應力為0時，數值較小與數值較大的法向應力的比值。數值為0代表該位置為單軸應力狀態，數值為-1代表該位置為純剪切應力狀態，數值為1代表該位置為雙軸應力狀態；對應應力雙軸指示圖，顏色越接近紅色表示雙軸應力占主導，顏色越接近藍色代表剪切應力占主導，綠色代表單軸應力占主導。從圖9可以看出，篩板整體以單軸應力為主，局部存在明顯剪切應力，激振器支承橫梁與側板連接位置雙軸應力明顯。

通過分析得到了疲勞壽命敏感性曲線（見圖10）。實際應用中，大型工程設備在工作時受到的作用力往往不是一成不變的，會因外部環境變化、能量變化、傳動系統損耗而在一定范圍波動，疲勞敏感性曲線可以反映出這種載荷變化對疲勞壽命的影響，定義載荷變化為50 %～200 %。從圖10可以看出：疲勞壽命隨載荷的改變有比較明顯的變化，當載荷增大到基本載荷的 1.5 倍時，疲勞壽命僅剩約3.86×10⁶s。

4 結 論

1）通過對香蕉篩進行靜力學分析，可以得到結構件應力集中部位，與實際應用情況相符，證明該有限元分析方法具有參考意義。

2）通過對香蕉篩進行疲勞分析，得到了香蕉篩疲勞壽命分布云圖及最低壽命，并通過觀察疲勞壽命云圖發現危險位置位于左后方彈簧支座上，具體位于縱向加強筋的彎折處，為應力集中造成的。后續改進中可以改變結構形狀，使形狀變化更加平滑，或者通過加強結構件來加強該位置的剛度，從而提高疲勞壽命。

3）通過對香蕉篩結構件安全系數進行分析，發現香蕉篩的激振器支承橫梁、側板、彈簧支座安全系數相對較低，在日常的檢查維護中應作為重點對象，及時發現裂紋等疲勞破壞前兆，避免造成更大損失。在實際使用中，出現過側板有裂縫的情況，由于側板受循環交變載荷，焊接會改變局部材料組織性能，因此在實際處理時應采取在裂縫末端鉆止裂孔的方式，防止裂紋的延伸。

4）香蕉篩疲勞壽命對載荷變化比較敏感，表現為當載荷增大時疲勞壽命出現大幅下降。在日常使用中，瞬時載荷波動不會產生太大影響，但還應盡量避免載荷長時間波動，以延長香蕉篩使用壽命。

［參 考 文 獻］

［1］ 趙懷帥，侯磊.國內外香蕉篩的研究現狀及今后我國重點研究方向［J］.礦山機械，2010，38（5）：85-90.

［2］ 呂凱波，劉混舉.基于有限元法的機械疲勞壽命預測方法的研究［J］.機械工程與自動化，2008，37（6）：113-114，117.

［3］ 孫旖，王兆申.大型香蕉篩的研究與設計［J］.選煤技術，2005（6）：4-7.

［4］ 張功學，申曉凱.大型香蕉型振動篩靜力學及模態分析［J］.礦山機械，2012，40（11）：60-64.

［5］ 彭飛.基于ANSYS Workbench的大型香蕉篩動力學分析［J］.機械研究與應用，2020，33（3）：39-41，44.

［6］ 李富強，韓越.礦用振動篩結構損傷監測系統設計［J］.煤礦機械，2021，42（11）：15-18.

［7］ 安曉衛，王富剛，徐文彬，等.香蕉形直線振動篩的動力學仿真分析［J］.機械設計，2012，29（9）：41-46.

Fatigue analysis of banana vibration screen under

excitation force based on ANSYS Workbench

Xu Shiqun，Sun Wei

（Shanjin" Heavy Industry Co.，Ltd.）

Abstract：The banana vibration screen is widely used in the mineral processing operation process.The design of its key components affects the service life of the whole machine.Based on static analysis using ANSYS Workbench and" fatigue life simulation calculation using Fatigue Tool，and the life cloud diagram of the banana screen structure components is obtained.This determines the weak link of the banana screen structure components，providing a theoretical basis for optimizing the design.

Keywords：banana vibration screen;static mechanical analysis;fatigue analysis;optimization design;ANSYS Workbench