用于移动破碎设备的振动筛箱体有限元动态响应分析

于 冲，杨龙岗（唐山冀东装备工程股份有限公司，河北 唐山 ）

0 前言

近年来，随着环保要求越来越高，在矿山开采以及建筑垃圾破碎工艺中，移动破碎设备呈突破式快速发展的趋势。移动破碎设备正常工作时，物料通过给料机给料进入振动筛，通过振动筛的筛分作用将物料筛选，成品物料可直接进入出料设备，大块物料进入破碎机进行破碎，从而提高设备的破碎效率，减小了功耗。因此，振动筛是移动破碎设备上不可或缺的部分。然而，振动筛箱体的结构强度和刚度问题是至今仍未得到很好解决的十分突出的问题[1]。振动筛工作时，同时受静态以及周期性交变载荷作用，因此，对振动筛箱体进行动态响应分析是很有必要的。

1 振动筛结构特点

用于移动破碎设备的振动筛，其结构如图1所示。该振动筛由箱体、振动电机、筛板、支撑装置等组成，两台振动电机平行安装，振动电机的两个外伸部分各装有一对偏心块。振动筛工作时，通过两侧振动电机内偏心块旋转产生周期性交变载荷即激振力驱动振动筛产生振动。

图1 振动筛结构图

2 动态响应分析

本文使用ANSYS Workbench软件对箱体结构进行动态响应分析。

2.1 模态分析

为了解箱体的振动特性，需要对其进行模态分析。通过模态分析方法搞清楚箱体结构在某一频率范围内各阶主要的模态特性，就可得到该结构在此频段内在外部动载荷作用下产生的实际振动响应。

（1）有限元模型建立及加载。本文对振动筛箱体进行有限元建模，为了计算方便在保证计算结果的精度以及控制模型的规模[2]的基础上对模型进行了线性简化处理，即忽略箱体上的工艺孔及螺栓孔、将各焊接件看成一个整体。振动筛工作时通过支撑装置内的弹簧来减缓设备对下方固定面的冲击，因此本文在建模时对箱体四个支点根据弹簧刚度建立对地弹簧连接。

（2）后处理。箱体结构在振动时，高阶固有频率由于阻尼的作用衰减的很快，对结构响应的贡献很小，因此本文只选取箱体的前6阶模态进行分析，模态分析计算结果见表1，其对应的振型见图2～7。

表1 前6阶模态分析计算结果

图2 第1阶振型

由图2～7可以看出，第1、2、3阶基本无振型，第4阶振型为X轴方向平动，第5阶振型为Z轴方向的平动，第6阶振型为两侧板的弯曲振动。振动筛中正常工作时外部激振频率为50 Hz，本文计算得到的前6阶固有频率均远离外部激振频率，因此箱体正常工作时不会发生共振。

由此，通过分析得到该箱体的固有频率和振型，为下一步进行谐响应分析做好准备。

2.2 谐响应分析

在振动筛工作时，周期性交变激振力会通过振动电机梁作用于箱体上。当激振力频率与箱体的固有频率相近时，则会发生共振，这不仅会影响振动筛的正常工作，还可能造成箱体的损坏，因此需要对箱体进行谐响应分析。

图3 第2阶振型

图4 第3阶振型

图5 第4阶振型

根据振动筛工作的实际情况，取两个振动电机的激振力为80kN，取初相位φ=0。由于振动电机激振力频率为50Hz，因此本文选择研究外激振频率范围为0～80Hz时箱体对受迫振动以及自激振动的响应，如图8所示。

由图8可知激振频率在0～80Hz的范围内最大主应力首先随频率的增大而迅速增大，在3～4Hz时到达最大值，随后随着频率的增大主应力减小，当激振频率增大至50Hz左右时，箱体上最大主应力已衰减至远离共振区。

图6 第5阶振型

图7 第6阶振型

图8 最大主应力的频率响应

4 结论

本文通过有限元分析软件对振动筛箱体进行动态响应分析，首先通过模态分析得到箱体前6阶固有频率和振型，然后根据模态分析结果进行谐响应分析，以此得到了振动筛箱体在正常工作及起停过程中的动态响应特性：振动筛启停过程中会经历时间很短的共振区，随着频率迅速增大至正常工作频率，箱体不会再发生共振。由此可以确定该箱体结构设计是合理的。