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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第12頁(yè)
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英文原文
中文譯文
2010年第三屆國(guó)際信息與計(jì)算會(huì)議
大型振動(dòng)篩篩箱的模態(tài)特性研究和有限元分析
摘要-通過(guò)使用有限元分析軟件ANSYS，建立了大型振動(dòng)篩的靜載應(yīng)力分布模型，同時(shí)，分析了大型振動(dòng)篩篩箱的動(dòng)態(tài)特性，得到了篩框的低階固有頻率和振篩箱的模態(tài)，以及在額定負(fù)荷下篩框各部分的應(yīng)力分布、變形情況，它提供了有關(guān)設(shè)計(jì)改進(jìn)和動(dòng)強(qiáng)度研究的必要基礎(chǔ)。針對(duì)網(wǎng)框底部和側(cè)板連接處產(chǎn)生的裂縫，根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)論，改善篩箱結(jié)構(gòu)，改變鋼管與側(cè)板的焊接連接為法蘭連接，這種改進(jìn)得到良好的效果。
關(guān)鍵詞 大型振動(dòng)篩，篩箱，有限元，模態(tài)特性。
一 導(dǎo)言
大型振動(dòng)篩由偏心塊激振器、篩箱、電機(jī)、底座和附屬設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠等的特點(diǎn)。篩箱結(jié)構(gòu)采用焊接接頭，牢固而可靠，如圖1所示。除了在在中部有偏心軸外，在每個(gè)主軸的兩端都固定有偏心輪。通過(guò)三角皮帶的連接，電機(jī)帶動(dòng)偏心塊高速旋轉(zhuǎn)。偏心塊產(chǎn)生很大的離心力，帶動(dòng)篩箱作特定振幅的周期運(yùn)動(dòng)。彈簧是用來(lái)支撐篩框，并降低篩框運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)傳給地基的激振力。
二 篩箱模型
以2YAC2460大型振動(dòng)篩的模型為研究對(duì)象。有兩種方法建立篩箱有限元模型：一種方法是在CAD中建立模型，然后將模型導(dǎo)入ANSYS，這不僅需要長(zhǎng)時(shí)間建立模型，也需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)計(jì)算，甚至無(wú)法獲得結(jié)果；另一種方法是在ANSYS中建立篩箱有限元模型。這種方法可以快速建立模型，計(jì)算快速、準(zhǔn)確 。
1. 篩箱有限元模型
為了準(zhǔn)確合理地模擬篩箱，使用63個(gè)殼單元，188個(gè)梁?jiǎn)卧?14個(gè)組合單元， 21個(gè)質(zhì)量單元來(lái)分別模擬側(cè)板，上篩框，底部篩框，彈簧和激振單元。如表1所示。
要注意的是，在完成網(wǎng)格劃分以后，必須有共同的節(jié)點(diǎn)來(lái)傳遞不同厚度側(cè)板之間、側(cè)板與橫梁之間、側(cè)板和加強(qiáng)筋之間的載荷；否則在板單元交界處、板單元和梁?jiǎn)卧g在計(jì)算過(guò)程中會(huì)發(fā)生分離，導(dǎo)致結(jié)果的不準(zhǔn)確乃至模型建立的失敗。側(cè)板是由一定數(shù)量的面組成，這其中包括的邊界就是加強(qiáng)梁。曲面邊界線(xiàn)的交點(diǎn)是側(cè)板與板梁的連接點(diǎn)。網(wǎng)格劃分完之后就完成了模型的建立，無(wú)論是通過(guò)焊接連接還是通過(guò)法蘭連接都沒(méi)有問(wèn)題。在這個(gè)模型中，有公共節(jié)點(diǎn)來(lái)代表他們。在篩框側(cè)板模型中，螺栓、法蘭的質(zhì)量和剛度對(duì)篩箱系統(tǒng)的影響都非常小，如果在模型的建立，將給網(wǎng)格劃分帶來(lái)麻煩，并明顯地增加數(shù)字單位，因此忽略他們。篩箱處理后的的有限元模型如圖2顯示：
2. 邊界條件和激振力分析
在振動(dòng)篩工作??過(guò)程中，篩箱承受重力、激振力、彈簧恢復(fù)力和阻尼力。振動(dòng)篩是一種慣性振動(dòng)，主要是靠來(lái)自激振器偏心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的慣性力。彈簧恢復(fù)力和阻尼力可以忽略不計(jì)，因此，針對(duì)篩框的強(qiáng)度分析，它受重力和激振力。偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振力，它等價(jià)于作用在兩個(gè)側(cè)板上的集中力，然后在X，Y方向分解，得到的分力為，。為了實(shí)現(xiàn)仿真，它利用在ANSYS中的剛性區(qū)域設(shè)置，視偏心塊為質(zhì)量單元，分別在偏心輪的旋轉(zhuǎn)中心建立了四組質(zhì)量單元，然后用這四個(gè)點(diǎn)的質(zhì)量單元代表四個(gè)偏心塊的質(zhì)量，以此作為它的主節(jié)點(diǎn)，并在偏心塊的安裝位置設(shè)置16個(gè)節(jié)點(diǎn)，模擬激振器和側(cè)板法蘭的從節(jié)點(diǎn)。通過(guò)建立ANSYS的剛性區(qū)域命令，來(lái)連接主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)。這兩個(gè)激振器傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速相同，其力學(xué)特征為正弦。將它沿水平和垂直方向的激振力分解，并計(jì)算出偏心軸的質(zhì)量，將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用到激振器與側(cè)板連接處得節(jié)點(diǎn)處。
角速度的大小是由電機(jī)和皮帶輪傳動(dòng)比的大小決定的：
偏心距：r=107.5mm，偏心塊重量：m=209Kg。
3. 邊界條件
對(duì)篩框進(jìn)行了有限元分析，為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，有必要施加邊界約束條件。例如，簡(jiǎn)化螺旋彈簧作為拉壓邊界支撐彈簧，依次確定計(jì)算模型的邊界條件。利用ANSYS中的彈簧-阻尼單元來(lái)模擬橡膠彈簧，該單位一端和篩框連接，而另一端與地連接。
三 篩箱靜力分析
在ANSYS軟件中，設(shè)置的分析類(lèi)型為靜態(tài)，規(guī)劃求解器會(huì)自動(dòng)求解模型[4]，求解結(jié)果將在后處理器POST1中顯示。
根據(jù)靜載荷下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力位于振動(dòng)篩下部管梁處。側(cè)板上激振器周?chē)惺茏畲罅Φ牡胤綉?yīng)力最?。坏撞抗芰哼B接處、側(cè)板連接處得最大應(yīng)力為31.7Mpa。在振動(dòng)篩實(shí)際運(yùn)行的情況下，會(huì)在激振器底部產(chǎn)生裂縫，有時(shí)也產(chǎn)生在與梁與側(cè)板的連接處。在偏心激振力的作用下，它會(huì)在管梁與側(cè)板之間產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此，裂縫由于焊接殘余應(yīng)力而產(chǎn)生，這是符合實(shí)際情況的。
四 篩箱模態(tài)分析
由于振動(dòng)篩依靠振動(dòng)篩體進(jìn)行工作，因此，有一個(gè)工作頻率。如果頻率正好處于或太接近自然頻率，將會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生共振時(shí)，理論上振幅是無(wú)限大的，在這種情況下，振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)將很快被破壞，并將產(chǎn)生很大的噪音。此外，在周期性變化的激振力的作用下，箱體的位移和應(yīng)力將產(chǎn)生變化。在工作頻率的作用下，有些地方可能承受了很大的響應(yīng)或過(guò)剩的壓力，它將變得容易疲勞而容易損壞。例如，通過(guò)使用大型振動(dòng)篩領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)篩的主要故障是跨片破裂，因此，僅做篩框的靜態(tài)分析是不夠的。當(dāng)對(duì)篩框進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，應(yīng)從三個(gè)方面進(jìn)行。首先，根據(jù)它的自然頻率和模態(tài)形式做模態(tài)分析，并對(duì)它進(jìn)行評(píng)估和修改，以避免其自然頻率等于或接近工作頻率。然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，通過(guò)觀察應(yīng)力和位移云圖的分布，看看是否在振動(dòng)篩工作時(shí)存在應(yīng)力過(guò)大的現(xiàn)象。最后，由于振動(dòng)篩是根據(jù)固定頻率激振力而工作，有必要做它的諧波響應(yīng)分析，并考慮諧波響應(yīng)的情況，以免諧共振現(xiàn)象。
模態(tài)分析是用來(lái)確定振動(dòng)篩的固有頻率和模態(tài)形式，所以它是一個(gè)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的重要一步。典型的非阻尼模態(tài)分析的基本方程是經(jīng)典特征值問(wèn)題：。
其中k是剛度矩陣，Φi??是一階下的特征向量，ωi是一階模態(tài)下的固有頻率，M是質(zhì)量矩陣。
模態(tài)分析包括四個(gè)步驟：建模、施加載荷、求解、模態(tài)擴(kuò)展、結(jié)果展現(xiàn)和后處理。模型可以是在這一節(jié)中建立的有限元模型；唯一有效的“有效載荷“是在振動(dòng)篩模態(tài)分析中的零位移約束，而其它負(fù)載將被忽略。此外，要確定要求解的階數(shù)，就是要確定求解多少階固有頻率，振動(dòng)篩的模態(tài)擴(kuò)展將寫(xiě)入輸出文件中。做完這些工作后，振動(dòng)篩的模式可以在后處理器中觀察到。最后，觀察自然頻率和振動(dòng)篩模型振動(dòng)模式，而振動(dòng)模式可以在動(dòng)畫(huà)[8]中觀察到。
在ANSYS軟件中，篩箱固有頻率的前30階值如表2所示。從表4.5中可以觀察到，接近篩框的工作頻率為f (0) =800/60=13.33HZ。它是第25階、26階、27階的固有頻率。在ANSYS中，振動(dòng)篩模式與固有頻率模式圖，可通過(guò)擴(kuò)展振動(dòng)模式獲得。圖4為26階篩箱振型圖。
表2列出了這些模態(tài)頻率及振型圖，從中可以看出，第26階的模態(tài)形式與實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致，其自然頻率也與實(shí)際符合。這些都說(shuō)明了該模型的準(zhǔn)確性。此外，在26階模態(tài)頻率左右的頻率都是超過(guò)工作頻率10％以上的頻率。振動(dòng)篩遠(yuǎn)離共振點(diǎn)而工作，因此，其工作頻率也遠(yuǎn)離自然頻率。這些數(shù)據(jù)表明該振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)是合理的。從第27階模態(tài)的振動(dòng)看，振動(dòng)篩的振動(dòng)水平反向，所以在實(shí)際工作中，在篩箱下部安裝4個(gè)彈簧以緩沖應(yīng)力和位移。
五 結(jié)構(gòu)改進(jìn)
從圖3中可以看出，受力最大的位置在激振器孔周?chē)牡撞俊⒌撞抗芰旱倪B接處和側(cè)板處。為了有效地增加剛性，我們對(duì)產(chǎn)品作了相應(yīng)的改進(jìn)，使底部管梁和側(cè)板的連接變成法蘭連接。
在離心激振力的作用下，它在管梁和側(cè)板連接處產(chǎn)生了一個(gè)垂直方向上不斷變化中的焊接內(nèi)應(yīng)力。在焊接殘余應(yīng)力的長(zhǎng)期作用和交變應(yīng)力的作用下，焊縫內(nèi)的終點(diǎn)很容易破解，它逐步向外發(fā)展，直至焊縫完全破解。從現(xiàn)場(chǎng)操作看，振動(dòng)篩框架管梁的斷裂一直是影響篩分機(jī)壽命的重要原因。在產(chǎn)品上，我們改進(jìn)了連接方式，如在圖5和圖6所示，原始焊接程序轉(zhuǎn)變成一個(gè)法蘭連接。整個(gè)網(wǎng)框鋼管先前為槽鋼焊接，但是它的焊接應(yīng)力將導(dǎo)致篩框的底部和側(cè)板扭曲變形，尤其經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，它甚至可能使鋼管和側(cè)板裂紋。所以我們采用帶一個(gè)法蘭的焊接鋼管，然后通過(guò)一個(gè)高強(qiáng)度螺栓連接。這9個(gè)鋼管和法蘭處理后將得到得到一個(gè)準(zhǔn)確的尺寸，并與側(cè)板連接后不產(chǎn)生變形。當(dāng)鋼構(gòu)件承受的張力和彎曲時(shí)，法蘭將通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接成一個(gè)單位。該方案保證了剪切單元和框架可靠的連接。這些改進(jìn)使振動(dòng)篩無(wú)裂紋現(xiàn)象，壽命更長(zhǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中獲得良好的效果。
六 結(jié)論
根據(jù)靜力學(xué)有限元分析，我們得到了篩箱的應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)在篩箱結(jié)構(gòu)的缺陷，并加以了改進(jìn)。使用法蘭連接側(cè)板和篩框底部，現(xiàn)場(chǎng)使用證明，它不會(huì)產(chǎn)生裂紋，并有效地延長(zhǎng)了振動(dòng)篩的使用壽命。
通過(guò)模態(tài)分析，我們得到了篩箱的自然頻率和它的前30 階固有頻率，使工作頻率遠(yuǎn)離自然頻率（超過(guò)10％），說(shuō)明電機(jī)參數(shù)的選擇是合理的。
振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)分布相對(duì)密集，它的振動(dòng)是一種剛體的振動(dòng)。當(dāng)在此頻率附近激勵(lì)時(shí)，整體結(jié)構(gòu)將主要作橫向擺動(dòng)、振動(dòng)和俯仰扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。因?yàn)闊o(wú)論是底部的卸料口還是在進(jìn)料口的頂部都有很大變形，我們可以在此安裝加強(qiáng)筋。
表1 單元及實(shí)常數(shù)
階數(shù)
單元類(lèi)型
實(shí)常數(shù)
標(biāo)記
1
殼63
厚度
兩種厚度
0.008
0.012
2
梁188
鋼管界面
3
質(zhì)量21
100kg
偏心重
4
組合體14
300N/mm
彈簧剛度
表2 前30階固有頻率值
階數(shù)
1
2
3
4
5
6
頻率
0.0000
0.89E-4
0.13E-1
1.9026
3.020
3.3942
階數(shù)
7
8
9
10
11
12
頻率
4.1419
4.5284
5.1326
5.3801
5.6067
6.4474
階數(shù)
13
14
15
16
17
18
頻率
6.8826
7.8218
7.8602
8.1481
9.1087
9.1729
階數(shù)
19
20
21
22
23
24
頻率
9.3476
9.4112
9.4419
9.5370
9.8154
10.128
階數(shù)
25
26
27
28
29
30
頻率
10.208
14.658
15.088
18.741
19.37
21.630
參考文獻(xiàn)
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致 謝
通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我不僅把知識(shí)融會(huì)貫通，而且豐富了大腦，同時(shí)在查找資料的過(guò)程中也了解了許多課外知識(shí)，開(kāi)拓了視野，認(rèn)識(shí)了振動(dòng)篩的發(fā)展方向，使自己在專(zhuān)業(yè)知識(shí)方面和查閱資料方面有了新的提高。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是我作為一名學(xué)生即將完成學(xué)業(yè)的最后一次作業(yè)，它既是對(duì)學(xué)校所學(xué)知識(shí)的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又為今后走向社會(huì)的實(shí)際操作應(yīng)用鑄就了一個(gè)良好開(kāi)端，畢業(yè)設(shè)計(jì)是我對(duì)所學(xué)知識(shí)理論的檢驗(yàn)與總結(jié)，能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計(jì)者獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力；是我在校期間向?qū)W校所交的最后一份作業(yè)，也是在校教師對(duì)我們的最后一次綜合性培訓(xùn)。其次，畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)是老師檢驗(yàn)其教學(xué)效果，改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量的絕好機(jī)會(huì)。
畢業(yè)的時(shí)間一天一天的臨近，畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。在不斷的努力下我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在沒(méi)有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺(jué)得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來(lái)所學(xué)知識(shí)的大概總結(jié)，但是真的面對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的想法基本是錯(cuò)誤的。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來(lái)知識(shí)太理論化了，面對(duì)單獨(dú)的課題的是感覺(jué)很茫然。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺(jué)得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。
總之，不管學(xué)會(huì)的還是學(xué)不會(huì)的的確覺(jué)得困難比較多，真是萬(wàn)事開(kāi)頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負(fù)的感覺(jué)。此外，還得出一個(gè)結(jié)論：知識(shí)必須通過(guò)應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值！有些東西以為學(xué)會(huì)了，但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會(huì)用的時(shí)候才是真的學(xué)會(huì)了。
在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽(tīng)聽(tīng)不同的看法對(duì)我們更好的理解知識(shí)，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。
在此要感謝我們的指導(dǎo)老師劉老師對(duì)我悉心的指導(dǎo)，感謝老師們給我的幫助。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我通過(guò)查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹(shù)立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不太好，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。