【文章內(nèi)容簡介】 在動態(tài)特性的分析中，必須要融入動力學原理的相關知識。通過對振動篩結構上實現(xiàn)動態(tài)設計，以滿足大型篩分機械在高強度工作條件下的使用需求，對振動篩的結構進行創(chuàng)新，延長工作篩工作壽命，提高振動篩的穩(wěn)定性以及可靠性。 下表是近年來我國大型振動篩的使用情況 [1]： 表 1 篩面面積＞ 24m2的振動篩運行狀況 Operation Status of Vibrating Screen with Area Larger than 24 m2 制造商 型號 使用情況 結果分析 德國 KHD公司 USL3675 (27 m2) 使用年限＞ 5 年，橫梁斷裂，側板開裂。 根據(jù)橫梁斷裂部位與形狀進行判斷，側板裂紋是高強度疲勞損壞，振篩剛度低，存在亞共振。 日本神戶制鋼 （ 24 m2） 使用年限＞ 3 年，縱梁斷裂，產(chǎn)生較大噪音。 振動篩剛度小，存在亞共振，同步后應力較大，并產(chǎn)生較大噪音。 洛陽礦山機械廠 （ 27 m2） 使用年限＞ 3 個月，縱梁斷裂 、螺栓松動，產(chǎn)生較大噪音。 振動篩剛度小，存在亞共振，同步后應力較大，并產(chǎn)生較大噪音，螺栓松動是人為因素導致。 唐山分院 ZK30525 運行穩(wěn)定性差，存在“漂振”、過度橫擺。 振動篩剛度小，存在亞共振，產(chǎn)品存在質量問題，側板與軸承座不垂直，兩孔同軸度無法保障。 另外，國內(nèi)生產(chǎn)的大型直線振動篩，無較長的使用壽命與無故障運行時間，與國外發(fā)達國家對比，還存在較大差距。所以，設計、研究以及生產(chǎn)大型直線振動篩，成為當前情況下我國研究振動篩遇到的主要問題。隨著計算機輔助設計的發(fā)展，有限元法是目前我國主要是利用對振 動篩進行了強度方面的研究的方法。本文就是應用動力學分析的方法對 ZK3648SH 大型直線振動篩進行動態(tài)仿真和有限元分析，提高振動篩使用可靠性以及壽命，使篩體的結構能夠盡可能的合理的滿足振動篩在設計上的基本需求。 振動篩國內(nèi)外研究狀態(tài) 國外振動篩研究現(xiàn)狀 發(fā)達國家篩分機械在技術上相對更加成熟。 16 世紀，英國設計建造了全球第一臺煤炭用固定篩，但這時的篩分機械發(fā)展緩慢，直到 18 末世紀才得到長足的發(fā)展 [2]。 19 世紀至今，全球能源消耗大幅度的增加，這主要是由于工業(yè)的迅速發(fā)展，礦業(yè)開采依托于科學技 術的發(fā)展在全球的經(jīng)濟比重不斷上升，對發(fā)展篩分機械具有推進作用。 第 1 章 緒論 5 德國申克 集團具有 260 種篩選設備品種齊全，技術水平高 ； KHD 公司生產(chǎn)超過 200 種規(guī)格的篩分設備 ； 1976 年 ，德國 生產(chǎn)了 單 處理能力在千噸級 /時的振篩機械。由美國公司自主研發(fā)的 DFN 雙頻振動篩激振器 能 使用不同的速度。瑞典斯維達拉公司生產(chǎn)的在印度尼西亞的黃金振動篩已成為最大的雙直線振動篩。從 事 解決潮濕細粉煤篩 分 的英國，研制成功旋轉概率篩。蘇聯(lián)也研制了多用途 自 同步直線振動篩。為了容易 對 細粒度進行分類 ， 日本 rexnoro 通過縱向分析周期和旋轉運動 研發(fā)出 氣 流篩。 在科學技術的推動下，國外仿真技術發(fā)展也非常迅速，同時應用有限元分析，使振動篩的發(fā)展步入了新的紀元。歐美發(fā)達國家極其重視機械產(chǎn)品的結構動態(tài)設計，并將其作為重點發(fā)展方向。 對于振篩機械橫梁的強度方面俄羅斯人走在了前面，前蘇聯(lián) BH 巴杜拉耶夫在對結構力學進行研究的基礎上，計算了平面剛架結構的主要內(nèi)力 — 彎矩，主要是將篩框進行簡化使之成為平面剛架結構，對振動篩的篩體進行了結構強度分析和研究。其分析結果表明振動篩的橫梁自身強度不足，使梁產(chǎn)生彎曲與扭轉，在振動篩的整體結構中，篩框是最易發(fā)生損壞的部分，同時截面尺寸以 及結構動力受力不均，則是造成橫梁斷裂的主要原因。巴拉度耶夫等人基于對冷礦篩的研究，在理論上實現(xiàn)了振動篩的結構優(yōu)化，但在其推導的過程中是處于一種無干擾的理想狀態(tài)，在實踐中的可行性存在局限。 蘇聯(lián)研究團隊 等人于 1990 年指出振動篩篩框側板不僅會在水平面內(nèi)有彎曲變形，用有限元法對振動篩全部強度進行計算，并提出振動篩側板與地面處于垂直狀態(tài)仍然會表現(xiàn)出彎曲。此外，這個研究團隊在對篩箱受力狀況進行研究后，將古典結構力學中的冗余假設進行精簡，削弱了古典結構力學中的各種限制因素，使計算結果的精度更高，更 能直觀反映振動篩實際情況 [35]。 國外振動篩的發(fā)展正在向大型化、規(guī)?；?、專業(yè)化、高效化方向發(fā)展，并且擁有較為完善的結構體系 [6]，對應用振篩機械的各個行業(yè)發(fā)揮著非常重要的作用。 發(fā)達國家振篩機械在技術方面更加先進，針對不同的生產(chǎn)條件能夠生產(chǎn)出與之對應的振篩機械，并且在功能上也更加完備，同時在大型振篩機械的研發(fā)方面更為突出，極大的提升了振篩機械的效率，在全球范圍內(nèi)被廣泛應用。國內(nèi)大型振篩機械的發(fā)展相對比較落后，大部分市場份額被國外振篩機械企業(yè)所吞占。國外對于振篩機械的研發(fā)在理論方面數(shù)量更多，其中對振動篩 工作過程中應力下降所進行的實驗模態(tài)分析有相關介紹，同時還有對振動篩、攪拌機、非對稱雙容器等結構的動態(tài)特性分析等 [7,8]。 河北聯(lián)合大學碩士學位論文 6 國外在進行振動篩，尤其是設計與研發(fā)新型振動篩，都采用計算機仿真技術創(chuàng)建試驗機，由兩方面出發(fā)分析振動篩動力學，并對其結構合理性進行測試，采用有限元中的兩種測試方法，分別為靜力學測試與動力學測試，對振動篩不同結構受力進行分析與研究，根據(jù)上述應力應變設計與圖形，評價已研發(fā)的振動篩。若不合格，通過計算機完成優(yōu)化與改進，達到與最終結果相同。國內(nèi)外專家學者采用有限元動力學分析與靜力學分析兩種方式設 計與研究新產(chǎn)品，以獲得的數(shù)據(jù)作為根本。目前，已經(jīng)廣泛應用的兩種有限元分析軟件分別為 ADAMS 與 ANSYS。 下表是國外大型振動篩的生產(chǎn)情況： 表 2 國外公司生產(chǎn)的大型振動篩 The large screens made in foreign panies 公司 寬 (m) 長 (m) 篩分面積（ m2） 德國篩子技術公司 10 50 德國申克公司 4 34 日本神戶制鋼所 美國 RNO 公司 27 日本川崎重工 4 12 48 德國洪堡特和韋達克公司 30 國內(nèi)振動篩研究現(xiàn)狀 煤炭能源目前是我國最主要的能源之一，占我國能源的 75%以上。我國煤炭資源的特點是產(chǎn)量豐富，儲量多，品種齊全。由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，采掘煤礦已經(jīng)不斷提升使用的機械化程度，需要更多能源需求量作為支持，因此研發(fā)大重型振動篩具有一定重要性，重點為容量較大的振動篩，需求量逐漸凸顯，在振動篩分機械的工作效率和處理能力的要求愈來愈高。我國對篩分機械主要經(jīng)歷了三個研制階段：第一、仿制階段。第二、自行研制階段。第三、提高階段。 我國篩分 機械的發(fā)展在仿制國外先進產(chǎn)品的同時，在技術上不斷進行創(chuàng)新，進而培養(yǎng)出振篩機械方面的專業(yè)人才。 20 世紀 70 年代，基于國外振篩機械研究基礎，我國自主研發(fā)出具有創(chuàng)新意義的新型振篩機械，其中有兩系列共同振篩分別為15 平方米與 30 平方米、重型振動篩 3 米系列、等厚概率篩系列、自同步直線振動篩系列、煤用單軸、雙軸振動篩系列、冷熱礦篩系列等。這些設備研制成功在一定程度上滿足了國內(nèi)對振動篩的需求，雖然存在著部分技術和質量上的問題，但第 1 章 緒論 7 是這對我國進行獨立研發(fā)篩分機械奠定了良好的基礎。 20 世紀末，我國篩分機械的發(fā)展上升到了 新的階段，自主研發(fā)出多種新型振動篩系列，包括振動概率、箱式激振器、旋轉概率以及自同步振動篩等。 我國振動篩的發(fā)展經(jīng)歷了幾十年，盡管取得了一些成就，但仍然無法達到尖端振篩機械的研發(fā)水平，對大型振動篩的研制并沒有取得明顯進展，與很多發(fā)達國家相比，技術水準，在生產(chǎn)能力，勞動生產(chǎn)率等方面還有相當大的差距。振動篩結構強度問題是發(fā)展大型振動篩的關鍵問題之一 [9]。篩箱不僅承受了很大的激振力，而且還承受了被篩分物料的重量，這是由于振動篩在較高振動頻率下工作，對篩箱結構有一定的要求，必須要確保篩箱能夠有一定的強度與剛度，這 對我國在大型振篩機械的研究方面具有非常重要的意義。當篩寬擴大為原來的 2 倍，那么梁的應變力將要相應增加至原來的 17 倍 [10]，所以為了不嚴重影響篩分機械的使用壽命，梁徑也會隨之增加一樣的倍數(shù)。振篩機械在結構上不斷增大，內(nèi)部激振力也會隨之增大，因而所產(chǎn)生的負荷也會增加，因而必須要對振篩機械的強度也有了更高的要求。 目前國外篩分機的使用壽命可達 10 年，而國內(nèi)一般卻在 8 年以下。由振動篩設計規(guī)范出發(fā)，從兩方面要求振動篩動力響應，首先是運動要求，兩個側板之間的振幅差小于 ，篩箱橫向擺動小于 1mm；另一方面動應力 要小于[11]。振動篩篩箱的強度問題主要是側板、大梁和橫梁的強度，這些部件是重要的承重與受力部件，為了加強這些部件的支撐力，學者進行了不懈的努力。1975 年，韓二忠率先確定出橫梁受力最大的位置，用結構力學對橫梁的內(nèi)力分布進行演算，但受到計算機的約束，僅研究了橋梁強度 [12]。計算機技術處于不斷發(fā)展中，學者采用工程技術軟件對振動篩進行了立體式的動態(tài)分析，也推動了采用有限元法對振篩機械所進行的研究。由 日本學者通過使用軟件 KASTAN，研究日本生產(chǎn)的振動篩分機械，長度為 12 米，寬度為 4 米，總面積為 48 平方米的篩分面積，對其中慣性振動篩的振動強度進行計算，指出振動篩在預定轉速中，構建應力值的變化并不明顯，并且構建之間并不存在共振點，以此證明振動篩的可靠性；傅莉運用 SAP91 軟件對振動篩進行強度分析，研究對象為 2ZKX1760，表示振動篩主要應力點分布在橫梁與篩箱的接觸部位，振篩機在振動的過程中應力值始終較低，其他部位應力也不高，強度儲備可以進行釋放，可以降低振篩機的重量，進而降低振篩機的制造成本 [13]。李永志則對 SXJ4261 型香蕉篩振篩機的動態(tài)性進行研究，對篩機各部位進行了應力校核，通過分析得出篩機 工作在遠共振區(qū) [14]；劉金生對三電機振動篩進行研究，應用有限元法對其中的動態(tài)性以及應力進行研究河北聯(lián)合大學碩士學位論文 8 [15]；侯勇俊運用有限元法對振篩機的結構強度進行研究，通過對 XRZSZ 振篩機的結構進行研究后，指出其最大應力在許用應力范圍內(nèi)，能夠滿足強度使用的要求[16]。 目前，國內(nèi)外振動設備方面的專家學者主要研究的內(nèi)容有：聞邦椿在對振篩機不斷深入分析與研究，并提出了相關理論，包括物料運動理論、振動篩振動質量、系統(tǒng)阻尼計算設計、彈簧剛度與強度等內(nèi)容，通過對現(xiàn)代機構創(chuàng)新及機械系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化設計理論與方法對彈性連桿式、慣性式、 電磁式振動篩進行了動力學分析，并在振動篩設計領域的應用進行了深入研究 [26]。劉初升、趙躍民主要對大型圓振動篩分析其動力響應、模態(tài)分析等，并研究雙自由度大型振動篩自身具備的可靠性，并對篩分理論進行了詳盡的闡述。他編制了振動篩的仿真用軟件，建立了多激振器振動篩的數(shù)學模型，并對仿真結果進行了測驗，還對通過超靜定網(wǎng)梁結構創(chuàng)建的大型振動篩的自身功能展開了深入的分析 [27]。沈惠平針對篩分特性特別是篩分效率進行了專門的詳細的實驗驗證，并對關于非平面篩面并聯(lián)運動振動篩篩分機理與設計理論進行了分析 [28]。林超等學者對雙 驅動卷揚機多流傳動系統(tǒng)所具有的各種非靜止類性能展開了分析，在考慮支承彈簧彈性下的系統(tǒng)耦合振動模型采用功率鍵合圖理論和方法建立雙驅動卷揚機多流傳動系統(tǒng)，并展開了實驗探究 [29]；美國著名學者 Mehta 對精密類振動篩選擇曲線的數(shù)學分析展開了深入研究 [30]。 課題主要研究內(nèi)容 文章重點研究與分析的課題對象為由某礦山機械公司使用的型號為 ZK3648 直線振動篩， 寬篩面 ZK3648 型強迫同步直線振動篩的橫梁在實際使用過程出現(xiàn)裂紋 ，通過高階實體單元創(chuàng)建 振動篩篩箱的有限元模型， 并對 諧響應 與模態(tài)展開研究 ，確定振動篩 工作狀態(tài)下的動態(tài)應力分布，找出最危險截面。同時用 軟件建立振動篩三維實體模型，確定質心位置 ，對 原設計提出改進方案，并對改進后的結構進行分析 計算。 其研究內(nèi)容如下： 1） 首先與振動篩分基本原理與結構相結合，并對直線振動篩工作原理更加深入的分析，創(chuàng)建有關直線振動篩力學模型，通過應用振動篩動力學參數(shù)可更加方便采用動態(tài)方式分析與計算。 2） 根據(jù)振動篩結構特性及工程圖紙，通過三維建模軟件創(chuàng)建類型為 ZK3648的直線振動篩篩箱實體模型，將簡化后的實體模型 轉化為 ANSYS 軟件有限元模型 ， 并實現(xiàn)規(guī)劃網(wǎng)格，并建立 篩箱有限 元模型。 第 1 章 緒論 9 3） 基于 Ansys，采用動力學方式分析篩箱。應用模態(tài)分析方式，可得到位于前二十二階篩箱具有的振型與頻率，對振動篩處于工作狀態(tài)下是否會出現(xiàn)共振現(xiàn)象研究。 4） 尋找 篩箱存有哪些缺陷，通過動力學研究數(shù)據(jù)，偵測振動篩是不是存有應力集中或位移突出的 故障 點。 小結 本文基于當前篩分技術發(fā)展形勢之上對本文的研究背景和意義進行闡述，介紹了篩分作業(yè)的方式以及篩分機械的種類和特點，闡述了本論文的主要研究內(nèi)容及研究方案。 河北聯(lián)合大學碩士學位論文 10 第 2 章 寬篩面直線振動篩的工作原理及參數(shù)設計 振動篩工作原理 寬篩 面直線振動篩的主要結構 組成大型直線振動篩的結構的部分較多，一般都包括篩箱、篩網(wǎng)、篩框、減振彈簧、傳動裝、電機臺座、支撐裝置、振動電機等。由