宽筛面强迫同步直线振动筛强度分析及优化硕士学位论文.doc

摘 要硕 士 学 位 论 文宽筛面强迫同步直线振动筛强度分析及优化the strength analysis and optimization of wide-deck and constrained synchronizing straight line vibrating screendissertation submitted tohebei united universityin partial fulfillment of the requirementfor the degree ofmaster of engineeringbywang mingheng (mechanical engineering)supervisor:professor cheng xiangwen xu chunjiangmarch, 2015摘要在煤炭领域中，振动筛的应用非常广泛，作为对物料进行筛分的重要机械，具有洗涤、脱水、分级、脱介等多种功能。振动筛种类繁多，其中，直线振动筛不仅能够获得更好的分级效果，同时工作效率更高，检修更加容易。振动筛的动态特性的好坏，对其工作效率与使用周期之间产生影响。研究振动筛动力学响应与系统结构，优化其结构，提高性能从而达到生产与设计要求，具有一定必要性。以zk3648-sh振动筛作为主要研究对象，由动力学与静力学两方面出发，有针对性的研究我国振动筛使用寿命与底梁断裂情况，并通过使用软件ansys有限元分与析软件分析研究振动筛。文章对需要研究振动筛的参数提前设计与选择，基于振动筛基本工作原理，分析并研究筛面上振动筛力力学与物料运动学，建立振动筛的力学模型；其次用三维设计软件creo建立三维模型，导入基于有限元法的ansys软件对大型直线振动筛进行静力学、模态、时间历程响应分析，与试验模态分析相结合，优化结构，确保振动筛能正常工作。最后，由于一些大型直线振动筛普遍表现出较低的使用寿命，需要预测振动筛核心位置疲劳寿命，作为设计、安装以及应用振动筛所需的参考。采用有限元分析和实验模态分析等动态设计方法，为解决振动筛强度问题提供了一种新的结构改进方案，对振动筛的设计和制造具有指导意义。图 52幅；表 9个；参 43篇。关键词：直线振动筛；动力学分析；有限元；结构优化；强度分类号：th222 abstractin the field of the coal, vibrating screen has a very wide range of applications, as an important part of material processing machinery, with washing, dewatering, classification, medium and other functions. there are many different kinds of vibrating screen and straight vibrating screen production efficiency is better, not only can get better classification effect, and its efficiency is higher, and easy maintenance. vibrating screen dynamic characteristics, and can be having a direct effect on its working efficiency and service life. therefore, it is necessary for vibrating screen and the in-depth study of the dynamic behavior of the, and carries on the structure of the optimization, maximum efficacy into play, it enhances the working efficiency of the coal operation.in zk3648-sh shaker for the study, for domestic shaker base beams were more prone to fracture, the relatively short life of these two significant problems from different angles statics and dynamics, finite element analysis using ansys software analysis and research of the shaker.papers selected shaker design and related parameters studied, and the shaker works analyzed using knowledge movement mechanics noted movement on the vibrating screen material, and its depth and detailed analysis and research, mechanical model shaker; followed by the establishment of a three-dimensional model of three-dimensional design software, creo, import ansys software based on finite element method for large linear vibrating screen statics, modal time history response analysis, and experimental modal analysis combined optimize the structure to ensure the shaker to work properly. the last large-scale linear vibrating screen for low life characteristics of the focus position of the shaker fatigue life prediction, provide a reference for the shaker design, installation and use.dynamic design method using finite element analysis and experimental modal analysis, etc., to solve the problem shaker intensity provides a new structure improvement program, with guidance for the design and manufacture of vibrating screen.figure 52; table 9; reference 43keywords: linear vibrating sieve, dynamic analysis, finite element, structure optimization, strengthchinese books catalog: th222 - vi -目 次目次引言1第1章 绪论21.1 课题的研究背景及意义21.2 振动筛国内外研究状态31.2.1 国外振动筛研究现状31.2.2 国内振动筛研究现状51.3 课题主要研究内容71.4 小结8第2章 宽筛面直线振动筛的工作原理及参数设计92.1 振动筛工作原理92.1.1 宽筛面直线振动筛的主要结构92.1.2 宽筛面直线振动筛的工作原理102.2 宽筛面直线振动筛物料运动与工艺参数分析112.2.1 筛面物料运动分析112.2.2 直线振动筛工艺参数选择132.3 宽筛面直线振动筛的设计参数分析152.3.1 振动筛参振质量152.3.2 激振器偏心距的计算162.3.3 激振弹簧刚度172.3.4 筛箱重心及激振器位置分析172.3.5 振动筛振幅及电机功率计算182.4 小结20第3章 振动筛有限元模型的建立213.1 有限元建模需考虑的问题213.2 筛箱模型简化213.3 单元的选取233.3.1 实体单元的选取233.3.2 弹簧阻尼单元的选取243.4 筛箱有限元模型243.4.1 定义材料属性243.4.2筛箱有限元模型253.5 筛箱有限元模型载荷与约束263.5.1 激振器的模拟263.5.2 筛箱的约束施加273.6 小结28第4章 振动筛箱的动力学分析294.1 筛箱模态分析294.1.1 模态分析概述294.1.2 筛箱模态分析结果314.2 筛箱谐响应分析404.2.1 谐响应分析概述404.2.2 筛箱谐响应分析结果424.3小结46结 论47参考文献48致 谢51导师简介52作者简介53学位论文数据集54引 言引言我国是制造业大国，随着经济的高速发展，我国机械制造业迎来了良好的发展契机。振动筛分技术就是基于我国先进的机械制造业而逐渐发展起来的，已经被应用到矿山、冶金、建材、化工等诸多领域。振动筛分机械对推动我国资源开采和利用发挥着非常重要的作用，在矿山、冶金、建材、化工等方面的表现尤为突出。国内外振动筛技术具有一定发展目标，都向着标准化、大型化以及中性化方面不断延伸。实现标准化与大型化振动筛，可降低在设备管理、购买、类型以及数量上投入的费用，降低设备在初期的费用投入，占地面积也随之降低。大型振动筛有以下优点：性能可靠性强、运行效率高、处理数据量大等特点，受到国内外专家学者的一致青睐。随着振动筛体积的不断增加，必须要对振动筛的结构进行优化，进而实现小型振动筛无法实现的功能。大型振动筛在设计制造方面，由于振动筛所具有的承重能力逐渐加大，所需振动前端基本要求提高，振动筛宽度成为之前的两倍，并逐渐增大管梁应变力，伴随着大型机械大负荷的工作强度，必须增加大型振动筛的强度与刚度，确保大型振动筛的使用寿命。振动筛需要定期进行检修，对可能存在的问题需要及时进行处理。影响振动筛使用寿命的主要因素有很多，比如我们常见的现象，横梁出现断裂、筛帮发生开裂、下梁出现断裂、出料口意发生开裂等。振动筛处于工作状态下，受到多种力的共同作用下，会激发出振动筛不同结构件的多阶固有模态，产生共振，最终造成振动筛受到损坏。振动筛受到的力包括物料位于筛面上运动作用力与激振器产生的激振力等。振动筛具有较复杂的结构，由多种零部件组合加工而成，如果单纯的对某一部分的零部件进行检修，则无法确保振动筛整体能够达到最大的工作效能。同时，振动筛各个零部件之间所形成的整体结构是通过计算得出的，若要将振动筛的动态性能进行检查，必须要借助动力学原理来完成。因此，传统中使用的静态设计方式、经验以及类比无法达到基本需求。可以使用更行之有效的计算对机械结构动态强度进行处理，本文课题主要针对该问题而出发。本文所选取的振动筛为直线振动筛，型号为zk3648-sh，通过对其进行分析和研究，指出其中所存在的动态设计方面的问题，并对存在的问题提出了相关的解决策略。直线振动筛是振动筛中最为常见的，通过对直线振动筛的分析和研究，能够对振动筛的动态性有更加清楚的认识，不仅具有较高的理论研究价值，对于推动大型工程建设也具有非常积极的作用。- 19 -第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题的研究背景及意义20世纪末至今，人们加大了资源开采的力度，这也使振动筛分机械得到了迅猛的发展，并以此来完成各种不同的工艺过程。目前广泛用于各种工业部门，如：水利电力、选矿、石油化工、轻工、冶金、建筑、交通运输等。不同类型的振动筛运动轨迹大不相同，这是由于国民经济中各个行业的需求不同，所以需要采用不同的筛分方式，并产生不同形式的筛分机械，在各个工业部门中实现广泛使用。例如在建筑工程中需要各种大型的筛机对沙石进行分级；在选煤厂，普遍用概率筛、圆振动筛、直线振动筛和等厚筛来完成对末煤、精煤和粗煤的分级、脱水和脱介等工艺；在焦化厂则采用直线振动筛对焦碳进行筛分工作。振动筛正向着高效、自动化和精密方向发展，这种变化趋势主要是由于科学技术和生产尤其是制造技术、计算机辅助设计的发展。随着目前产品的结构的日益复杂化，对振动筛分机械的工作性能的要求也随之提高。振动筛分机械受力状况比较复杂，同时筛分机械所处的环境较为恶劣，并且多为长时间作业，因而容易造成机械零件疲劳和失效，各种温湿环境也会对筛分机械的金属体造成腐蚀，其中最为明显的就是筛分机械两侧的筛帮开裂，前帮开裂、下梁断裂、配料口横梁断裂等。振动筛在工作时会进行振动，并且产生极大的噪音，会对操作者的身体健康造成严重损害，同时，设备的损坏将严重导致经济效益的降低，并且也会严重的破坏环境问题，所以严格满足筛分机械结构的动态、静态特性、低噪声、小振动的要求是我们在振动筛的设计与生产过程中的前提条件。传统的设计方法对于当前工作强度逐渐增大的使用需求而言已经落伍，必须要推陈出新，采用新设计来解决振动筛所存在的问题。如今在筛分机的设计方法上主要有两种，一种是类比设计方法，另一种是常规的设计算法，对振动筛结构强度未考虑局部结构和高阶的动态特性的影响，只作静强度计算和分析研究。强大的交变载荷激振力的作用使振动筛筛箱容易发生疲劳损坏，导致振动筛箱体不同程度的损伤。实验证明，即便是在筛框能够满足静强度的情况下，振动筛的筛框也会受到不同程度的损伤。可见，必须要加强振动筛的设计，通过振动筛的设计来对各种结构和参数进行优化，增强振动筛的工作强度，延长振动筛的使用寿命。对于大型振动筛而言，由于振动筛存在动态特性，这使振动筛能够适应当前大强度的振动作业，但在动态特性的分析中，必须要融入动力学原理的相关知识。通过对振动筛结构上实现动态设计，以满足大型筛分机械在高强度工作条件下的使用需求，对振动筛的结构进行创新，延长工作筛工作寿命，提高振动筛的稳定性以及可靠性。下表是近年来我国大型振动筛的使用情况1：表1 筛面面积24m2的振动筛运行状况table.1 operation status of vibrating screen with area larger than 24 m2制造商型号使用情况结果分析德国khd公司usl3675(27 m2)使用年限5年，横梁断裂，侧板开裂。根据横梁断裂部位与形状进行判断，侧板裂纹是高强度疲劳损坏，振筛刚度低，存在亚共振。日本神户制钢3.27.5（24 m2）使用年限3年，纵梁断裂，产生较大噪音。振动筛刚度小，存在亚共振，同步后应力较大，并产生较大噪音。洛阳矿山机械厂3.67.5（27 m2）使用年限3个月，纵梁断裂、螺栓松动，产生较大噪音。振动筛刚度小，存在亚共振，同步后应力较大，并产生较大噪音，螺栓松动是人为因素导致。唐山分院zk30525运行稳定性差，存在“漂振”、过度横摆。振动筛刚度小，存在亚共振，产品存在质量问题，侧板与轴承座不垂直，两孔同轴度无法保障。另外，国内生产的大型直线振动筛，无较长的使用寿命与无故障运行时间，与国外发达国家对比，还存在较大差距。所以，设计、研究以及生产大型直线振动筛，成为当前情况下我国研究振动筛遇到的主要问题。随着计算机辅助设计的发展，有限元法是目前我国主要是利用对振动筛进行了强度方面的研究的方法。本文就是应用动力学分析的方法对zk3648-sh大型直线振动筛进行动态仿真和有限元分析，提高振动筛使用可靠性以及寿命，使筛体的结构能够尽可能的合理的满足振动筛在设计上的基本需求。1.2 振动筛国内外研究状态1.2.1 国外振动筛研究现状发达国家筛分机械在技术上相对更加成熟。16世纪，英国设计建造了全球第一台煤炭用固定筛，但这时的筛分机械发展缓慢，直到18末世纪才得到长足的发展2。19世纪至今，全球能源消耗大幅度的增加，这主要是由于工业的迅速发展，矿业开采依托于科学技术的发展在全球的经济比重不断上升，对发展筛分机械具有推进作用。德国申克集团具有260种筛选设备品种齐全，技术水平高；khd公司生产超过200种规格的筛分设备；1976年，德国生产了单处理能力在千吨级/时的振筛机械。由美国公司自主研发的dfn双频振动筛激振器能使用不同的速度。瑞典斯维达拉公司生产的在印度尼西亚的黄金振动筛已成为最大的双直线振动筛。从事解决潮湿细粉煤筛分的英国，研制成功旋转概率筛。苏联也研制了多用途自同步直线振动筛。为了容易对细粒度进行分类，日本rexnoro通过纵向分析周期和旋转运动研发出气流筛。在科学技术的推动下，国外仿真技术发展也非常迅速，同时应用有限元分析，使振动筛的发展步入了新的纪元。欧美发达国家极其重视机械产品的结构动态设计，并将其作为重点发展方向。对于振筛机械横梁的强度方面俄罗斯人走在了前面，前苏联bh巴杜拉耶夫在对结构力学进行研究的基础上，计算了平面刚架结构的主要内力弯矩，主要是将筛框进行简化使之成为平面刚架结构，对振动筛的筛体进行了结构强度分析和研究。其分析结果表明振动筛的横梁自身强度不足，使梁产生弯曲与扭转，在振动筛的整体结构中，筛框是最易发生损坏的部分，同时截面尺寸以及结构动力受力不均，则是造成横梁断裂的主要原因。巴拉度耶夫等人基于对冷矿筛的研究，在理论上实现了振动筛的结构优化，但在其推导的过程中是处于一种无干扰的理想状态，在实践中的可行性存在局限。苏联研究团队voinov.o.v等人于1990年指出振动筛筛框侧板不仅会在水平面内有弯曲变形，用有限元法对振动筛全部强度进行计算，并提出振动筛侧板与地面处于垂直状态仍然会表现出弯曲。此外，这个研究团队在对筛箱受力状况进行研究后，将古典结构力学中的冗余假设进行精简，削弱了古典结构力学中的各种限制因素，使计算结果的精度更高，更能直观反映振动筛实际情况3-5。国外振动筛的发展正在向大型化、规模化、专业化、高效化方向发展，并且拥有较为完善的结构体系6，对应用振筛机械的各个行业发挥着非常重要的作用。 发达国家振筛机械在技术方面更加先进，针对不同的生产条件能够生产出与之对应的振筛机械，并且在功能上也更加完备，同时在大型振筛机械的研发方面更为突出，极大的提升了振筛机械的效率，在全球范围内被广泛应用。国内大型振筛机械的发展相对比较落后，大部分市场份额被国外振筛机械企业所吞占。国外对于振筛机械的研发在理论方面数量更多，其中对振动筛工作过程中应力下降所进行的实验模态分析有相关介绍，同时还有对振动筛、搅拌机、非对称双容器等结构的动态特性分析等7,8。国外在进行振动筛，尤其是设计与研发新型振动筛，都采用计算机仿真技术创建试验机，由两方面出发分析振动筛动力学，并对其结构合理性进行测试，采用有限元中的两种测试方法，分别为静力学测试与动力学测试，对振动筛不同结构受力进行分析与研究，根据上述应力应变设计与图形，评价已研发的振动筛。若不合格，通过计算机完成优化与改进，达到与最终结果相同。国内外专家学者采用有限元动力学分析与静力学分析两种方式设计与研究新产品，以获得的数据作为根本。目前，已经广泛应用的两种有限元分析软件分别为adams与ansys。下表是国外大型振动筛的生产情况：表2 国外公司生产的大型振动筛table.2 the large screens made in foreign companies公司宽(m)长(m)筛分面积（m2）德国筛子技术公司5.51050德国申克公司48.534日本神户制钢所4.87.134.08美国rno公司3.77.327日本川崎重工41248德国洪堡特和韦达克公司4.56.75301.2.2 国内振动筛研究现状煤炭能源目前是我国最主要的能源之一，占我国能源的75%以上。我国煤炭资源的特点是产量丰富，储量多，品种齐全。由于我国经济的高速发展，采掘煤矿已经不断提升使用的机械化程度，需要更多能源需求量作为支持，因此研发大重型振动筛具有一定重要性，重点为容量较大的振动筛，需求量逐渐凸显，在振动筛分机械的工作效率和处理能力的要求愈来愈高。我国对筛分机械主要经历了三个研制阶段：第一、仿制阶段。第二、自行研制阶段。第三、提高阶段。我国筛分机械的发展在仿制国外先进产品的同时，在技术上不断进行创新，进而培养出振筛机械方面的专业人才。20世纪70年代，基于国外振筛机械研究基础，我国自主研发出具有创新意义的新型振筛机械，其中有两系列共同振筛分别为15平方米与30平方米、重型振动筛1.53米系列、等厚概率筛系列、自同步直线振动筛系列、煤用单轴、双轴振动筛系列、冷热矿筛系列等。这些设备研制成功在一定程度上满足了国内对振动筛的需求，虽然存在着部分技术和质量上的问题，但是这对我国进行独立研发筛分机械奠定了良好的基础。20世纪末，我国筛分机械的发展上升到了新的阶段，自主研发出多种新型振动筛系列，包括振动概率、箱式激振器、旋转概率以及自同步振动筛等。我国振动筛的发展经历了几十年，尽管取得了一些成就，但仍然无法达到尖端振筛机械的研发水平，对大型振动筛的研制并没有取得明显进展，与很多发达国家相比，技术水准，在生产能力，劳动生产率等方面还有相当大的差距。振动筛结构强度问题是发展大型振动筛的关键问题之一9。筛箱不仅承受了很大的激振力，而且还承受了被筛分物料的重量，这是由于振动筛在较高振动频率下工作，对筛箱结构有一定的要求，必须要确保筛箱能够有一定的强度与刚度，这对我国在大型振筛机械的研究方面具有非常重要的意义。当筛宽扩大为原来的2倍，那么梁的应变力将要相应增加至原来的17倍10，所以为了不严重影响筛分机械的使用寿命，梁径也会随之增加一样的倍数。振筛机械在结构上不断增大，内部激振力也会随之增大，因而所产生的负荷也会增加，因而必须要对振筛机械的强度也有了更高的要求。目前国外筛分机的使用寿命可达10年，而国内一般却在8年以下。由振动筛设计规范出发，从两方面要求振动筛动力响应，首先是运动要求，两个侧板之间的振幅差小于0.5mm，筛箱横向摆动小于1mm；另一方面动应力要小于24.5mpa11。振动筛筛箱的强度问题主要是侧板、大梁和横梁的强度，这些部件是重要的承重与受力部件，为了加强这些部件的支撑力，学者进行了不懈的努力。1975年，韩二忠率先确定出横梁受力最大的位置，用结构力学对横梁的内力分布进行演算，但受到计算机的约束，仅研究了桥梁强度12。计算机技术处于不断发展中，学者采用工程技术软件对振动筛进行了立体式的动态分析，也推动了采用有限元法对振筛机械所进行的研究。由日本学者通过使用软件kastan，研究日本生产的振动筛分机械，长度为12米，宽度为4米，总面积为48平方米的筛分面积，对其中惯性振动筛的振动强度进行计算，指出振动筛在预定转速中，构建应力值的变化并不明显，并且构建之间并不存在共振点，以此证明振动筛的可靠性；傅莉运用sap91软件对振动筛进行强度分析，研究对象为2zkx1760，表示振动筛主要应力点分布在横梁与筛箱的接触部位，振筛机在振动的过程中应力值始终较低，其他部位应力也不高，强度储备可以进行释放，可以降低振筛机的重量，进而降低振筛机的制造成本13。李永志则对sxj4261型香蕉筛振筛机的动态性进行研究，对筛机各部位进行了应力校核，通过分析得出筛机工作在远共振区14；刘金生对三电机振动筛进行研究，应用有限元法对其中的动态性以及应力进行研究15；侯勇俊运用有限元法对振筛机的结构强度进行研究，通过对xrzs-z振筛机的结构进行研究后，指出其最大应力在许用应力范围内，能够满足强度使用的要求16。目前，国内外振动设备方面的专家学者主要研究的内容有：闻邦椿在对振筛机不断深入分析与研究，并提出了相关理论，包括物料运动理论、振动筛振动质量、系统阻尼计算设计、弹簧刚度与强度等内容，通过对现代机构创新及机械系统动态优化设计理论与方法对弹性连杆式、惯性式、电磁式振动筛进行了动力学分析，并在振动筛设计领域的应用进行了深入研究26。刘初升、赵跃民主要对大型圆振动筛分析其动力响应、模态分析等，并研究双自由度大型振动筛自身具备的可靠性，并对筛分理论进行了详尽的阐述。他编制了振动筛的仿真用软件，建立了多激振器振动筛的数学模型，并对仿真结果进行了测验，还对通过超静定网梁结构创建的大型振动筛的自身功能展开了深入的分析27。沈惠平针对筛分特性特别是筛分效率进行了专门的详细的实验验证，并对关于非平面筛面并联运动振动筛筛分机理与设计理论进行了分析28。林超等学者对双驱动卷扬机多流传动系统所具有的各种非静止类性能展开了分析，在考虑支承弹簧弹性下的系统耦合振动模型采用功率键合图理论和方法建立双驱动卷扬机多流传动系统，并展开了实验探究29；美国著名学者mehta对精密类振动筛选择曲线的数学分析展开了深入研究30。1.3 课题主要研究内容文章重点研究与分析的课题对象为由某矿山机械公司使用的型号为zk3648直线振动筛，宽筛面zk3648型强迫同步直线振动筛的横梁在实际使用过程出现裂纹，通过高阶实体单元创建振动筛筛箱的有限元模型，并对谐响应与模态展开研究，确定振动筛工作状态下的动态应力分布，找出最危险截面。同时用creo2.0软件建立振动筛三维实体模型，确定质心位置，对原设计提出改进方案，并对改进后的结构进行分析计算。其研究内容如下：1） 首先与振动筛分基本原理与结构相结合，并对直线振动筛工作原理更加深入的分析，创建有关直线振动筛力学模型，通过应用振动筛动力学参数可更加方便采用动态方式分析与计算。2） 根据振动筛结构特性及工程图纸，通过三维建模软件创建类型为zk3648的直线振动筛筛箱实体模型，将简化后的实体模型转化为ansys软件有限元模型，并实现规划网格，并建立筛箱有限元模型。3） 基于ansys，采用动力学方式分析筛箱。应用模态分析方式，可得到位于前二十二阶筛箱具有的振型与频率，对振动筛处于工作状态下是否会出现共振现象研究。4）寻找筛箱存有哪些缺陷，通过动力学研究数据，侦测振动筛是不是存有应力集中或位移突出的故障点。1.4 小结本文基于当前筛分技术发展形势之上对本文的研究背景和意义进行阐述，介绍了筛分作业的方式以及筛分机械的种类和特点，阐述了本论文的主要研究内容及研究方案。第2章 宽筛面直线振动筛的工作原理及参数设计第2章 宽筛面直线振动筛的工作原理及参数设计2.1 振动筛工作原理2.1.1 宽筛面直线振动筛的主要结构组成大型直线振动筛的结构的部分较多，一般都包括筛箱、筛网、筛框、减振弹簧、传动装、电机台座、支撑装置、振动电机等。由电机带动激振器主轴回转，利用万向联轴器，实现激振器与电机之间的连接，让筛箱发生振动，该振动是由位于激振器上偏心轮在作用下产生的离心惯性力37。橡胶弹簧作为筛框的主要支撑部分，弹簧可分为六组。橡胶弹簧具有较大阻尼以的特点，可以抑制筛体产生的共振现象。筛框核心部件主要为侧板、排料咀和后挡板以及横梁等。侧板是利用环槽铆钉或者强度比较高的螺栓与后挡板、横梁、排料咀连接。激振器通过铆钉安装在筛框侧板上，如图1。每个激振器分别由一根联结轴、两组偏心轮（其中单组偏心轮又分为主、副偏心轮）、两套轴承座以及大游隙轴承等组成。激振器产生的振动力是通过两组偏心轮的回转而形成的。可以通过调整偏心轮的配重进而实现对振动力幅值的改变。万向联轴器能够实现激振器与电机的同步结合。图1 激振器位置示意图fig.1 sketch map of the position of the vibrator型号为zk3648振动筛筛面长度与宽度分别为4.8m与3.6m，组成部分分别为筛箱、筛网、筛框、电机设备、激振器、支架、隔振弹簧等，下图2所示：1表示偏心块；2表示电机；3表示弹簧图2 zk3648振动筛基本工作原理fig.2 zk3648 vibrating screen operating principle2.1.2 宽筛面直线振动筛的工作原理直线振动筛采用双振动电机驱动，筛机的以直线作为运动轨迹，由偏心块产生的激振力与电机轴垂直的力相互叠加成为一种合力，可实现两台电机同步与反向旋转，与电机轴线相平行的方向实现抵消。与筛面相对的两电机轴之间存在倾角，物料在筛面上被抛起跳跃式向前做直线运动，与此同时在物料自重力和激振力的合力作用下，达到对物料进行分级和筛分的目的38。常用的直线振动筛有以下四种：dzsf型直线振动筛、zkb型直线振动筛、fs直线振动微粉筛以及型号为dzsf-kd型直线振动筛等。我国科学家以我国基本需求作为基础，研发出zk系列直线振动筛，是一种新型系列振动筛，基于吸收与消化国内外先进振动筛特性，并根据多年相关设计经验，进一步研发的具有高效性筛分设备，适合在多种部门中应用，分别为污水处理、选煤、发电、选矿、制盐、制糖等。通过采用该振动筛，可按照不同的湿度类型对细物料实现干、湿式粒度作业，可分为脱水、脱泥以及脱介等，与不同类型直线振动筛相同，两台电机完成反向与同步旋转，通过双电机驱动方式，两台激振器具有相同偏心距离与偏心质量进行反向同速旋转，在平行于电机轴线的方向其偏心块所产生的激振力相互抵消，在垂直于电机轴方向采用叠合方式成为合力39。力学原理作为基础，两偏心质量可完成自动同步运动，位于振动方向振动筛可完成直线型运动与往复直线运动。物料通过给料机慢慢地进到筛分机中，在经过层层筛选后不同类型的物料在指定的排口排出，最终可实现分析与筛选物料。2.2 宽筛面直线振动筛物料运动与工艺参数分析2.2.1 筛面物料运动分析1）筛面运动方程直线振动筛按照振动方向的筛面向展开直线型运动，它的位移为40：（1）式中：；基于与筛面保持平行状态的x方向、与筛面保持垂直状态的的y方向把筛面运动进行位移分解，能够获取下述数值： （2）（3）根据上述两个算式对的一阶导数与二阶导数，能够获取筛面顺着x、y方向所形成的加速度与速度：（4）（5）（6）（7）公式中：表示为振动方向角，物料与筛面跳离的瞬间产生的夹角，被称作抛射角。文章研究的振动筛夹角是45。2）分析筛面物料运动筛面物料运动状态类型较多，可分为相对静止、反向滑动、正向滑动、抛掷运动等，筛面选择的运动状态按照振幅频率与筛面倾角确定。抛掷运动表示物料颗粒的一种运动模式，本论文就抛掷运动的基本理论进行分析，物料被抛起时沿工作面向前做抛物线运动。物料筛面上做抛掷运动时在的受力情况如图3所示41：图3 筛面上物料颗粒的实际受力状态参考图fig.3 force state of material granules on the screen surface基于简单分析的目标，只需对单个物料粒在晒面上形成的运动状态进行分析而忽略颗粒间的相互摩擦力。图中，筛面沿s方向振动，n为筛面对物料所形成的法向反力，f表示筛面对物料所形成的摩擦力，其中单颗物料的具体受力值的计算公式如下：（8）（9）物料颗粒能够进行抛掷运动需要满足这个条件：顺着y方向的正压力值是0，也就是说相对加速度值是0：（10）（11）式中：消去m得：（12）（13）（14）（15）式中：若物料抛掷指数值时，存在解值并保持在0180中；时，则没有解。2.2.2 直线振动筛工艺参数选择振动筛工艺参数指标主要包括抛射角、振幅、振动篩频率、筛面倾角等结构参数直接影响着振动筛的工艺效果。1）振动强度与抛掷指数的确定一般小于8，许用值（代表了振动筛的强度值）k=46。，通过可以通过高速抛掷方式进行物料的筛选与分类，其中直线振动筛通常选择2.54.0；并且，通常选择2.55，可选择中速抛掷方式。此类方式对振动筛机体的性能（如强度和刚度）要求也不高，并且产量和筛分效率都很高42。2）筛面倾角安装后筛面与水平方向的夹角是筛面倾角。筛面倾角小时，筛分效率高，并且生产量低，物料移动的较慢。直线振动筛物料采用斜抛方式，通常采用水平方式安装，产生的倾角为0。处于直线振动情况下，颗粒较大的物料容易堵塞筛孔，筛面属于平面型，为避免此类情况的出现应该对筛面晃动速度提出更高标准要求，晃动速度不仅无法高于指定范围，同时无法超过临界值。筛孔直径与临界晃动速度之间成正比。在屏面上安装的振动筛一般要选择中、小颗粒的筛孔。造成圆振动筛的筛面倾角弧度很大的原因在于圆振动筛的抛射角度大，不过基于筛面之上的物料滑动速度不快，只有增大筛面倾角才能加快物料滑动速度，进而提高工作效率43。3）振动方向角直线振动筛最关键一个参数就是振动方向角，它指的是夹角和筛箱的一种整体运动方向，也被称之为抛射角。通常起角控制在3065内，我国普遍选择45。4）振幅与频率振动筛在工作期间最重要的一个参数值就是振幅值，其中振动筛频率表示在一分钟内筛箱总振动次数。各种类型的振动筛具体振幅要求不同。直线振动筛振幅控制在46mm内，圆振动筛振幅控制在34mm内。其中筛箱的速度大小及加速速度大小决定振幅及振率。其中筛箱运动的加速度为44：（16）从上式中可以看出，振动筛在工作时要使物料在筛面上抛起需要足够的加速度才能完成，这就要求振动筛要有足够的振次与振幅，筛箱加速度提高后，筛箱的振动次数与振幅均提高，与振动次数对比，更大程度影响筛箱加速度。若产生的加速度较高，要求具备较高的振动筛内部结构。由经验提出，筛箱最佳加速度处于7085m/s2最合适。5）物料运动速度物料在筛面上转动，产生的速度通常情况根据经验公式来计算，这是由于理论值与实际值相差很大。对于直线振动筛，物料的运动速度按下式进行计算：（17）式中：表3 倾角对物料平均速度的影响系数table.3 influence coefficien of angle effects on materials average speed倾角-15-10-50510150.60.80.80.90.90.9511.051.11.21.41.52.0表4 物质层厚度影响系数table.4 influence coefficien of material layer thickness物料层厚度筛孔a的倍数薄料层（12a）中厚料层（35a）厚料层（1020a）料层厚度影响系数0.910.80.90.70.8表5 滑行运动影响系数table.5 influence coefficien of angle effects on materials average speed抛掷指数11.251.51.7522.531.11.151.051.111.0516）生产率通过下文使用的两种方法对生产率计算：（1）流量法（18）式中：（2）平均法（19）式中：2.3 宽筛面直线振动筛的设计参数分析2.3.1 振动筛参振质量对直线振动筛来说，参振总质量包括两个部分：一部分是参加振动的物料的质量；一部分则是参加振动的振动筛各部件的质量（包括激振器、筛箱、支撑装置的上弹簧座等的质量），其参振总质量对于固有频率以及惯性力影响较大：（20） （21）式中： （222）式中：其中，每个激振器的质量为1583kg；联轴器的质量为40kg；联轴器罩质量为10kg；弹簧座质量为320kg；筛面宽度为3.6m；长4.8m；物料松散密度为0.9103 kg/m3；筛面上物料厚度为200mm。通过采用上文公式，得到直线振动筛整体参振质量是13790公斤。 2.3.2 激振器偏心距的计算偏心块发挥关键作用的是主副偏心轮，它的重量与回转半径需要达到下述条件： （233）式中： 其中振幅a属于设计值，取35mm；偏心轮组数为8；单组偏心块的质量为设计值75.4kg；偏心块质量是75.42kg，偏心距94.76mm。2.3.3 激振弹簧刚度任何振动机械都会产生交变载荷，所以振动机械都应该具有减振装置，否则向基础传递的交变载荷会损坏基础设施，弹簧的功能是降低对交变载荷值的依赖性，在直线振动筛中利用6组橡胶弹簧具有一定支撑作用，下面是计算刚度使用的公式： （244）式中： ；，取5400rad/s； 。每个弹簧的刚度： （255）式中： 该大型直线振动筛橡胶弹簧规格为24024050；静刚度为31510 n/mm；弹簧刚度为313n/mm。2.3.4 筛箱重心及激振器位置分析直线振动筛的重心可以按照下列式子进行计算： （266） （277）式中分别表示为第个构件的质量和其x，y坐标。2.3.5 振动筛振幅及电机功率计算1）系统的振动方程激振器产生的简谐激振力构成该振动筛系统所受到的外力。由于激振器产生定向的简谐力，振动筛体将在其作用下产生定向振动。大型直线振动筛系统在振动运行时，筛箱与弹簧会各自形成不同类型的力，比如惯性力、弹簧力等，基于达朗贝尔工作理论，系统振动公式如下所示：（288）（299）式中： 由前文分析可知，在方向激振力总是抵消，所以在式（28）的解为零，整理式（29）的右端，可得： （30）在计算过程中，如果系统阻尼较小，可以忽略系统阻尼，这样可以方便计算，所以方程可改写为： （311）2）振动筛筛箱的振幅振动筛的振动在激振力的作用下属于稳态的强迫振动，通过振动筛力学模型所获取的振动公式能够得到具体的筛箱振幅值，振幅会随着能量的消耗而逐渐降低，因此在计算时只要求得特解就可以，该值是： （322）对上分别求其一阶、二阶导数，得：（333） （344）将式（32）和式（33）代入式（34）中，于是： （355）求解得振幅为4.166mm。3）电机功率计算振动筛的电机功率满足下式： （366）式中： （1）振动阻尼消耗的功率振动阻尼消耗的功率主要是由激振器为克服振动筛筛箱的运动阻力而消耗的功率，其表达式为： （377）式中： （2）摩擦力消耗的功率摩擦力的损耗通常指的是在运行工作中，激振器需要应付轴承形成的摩擦力，其损耗功率主要取决于激振力或筛箱运动的惯性力，这部分的表达式为： （388）式中： 2.4 小结本章通过物料运动与工艺参数以及振动筛的工作原理对直线振动筛进行了运动学分析，介绍了直线振动筛的主要结构与运行原理，并且还对物料的运作模式与振动筛工艺具体参数值进行了研究。第3章 振动筛有限元模型的建立第3章 振动筛有限元模型的建立3.1 有限元建模需考虑的问题位于有限元分析内，创建模型作为最重要的一部分，模型质量高低与最终得到分析数据的准确性有直接关系。在创建模型时，可对部分次要因素忽略，从而减少计算机运行周期、降低建模工作量、减少运算过程对硬件资源的需求量等，在简化后不会出现较大误差的情况下，简化部分实体。创建振动筛有限元模型过程中必须重点考虑以下几个方面：1）选择有限单元选择单元作为建立有限元模型中最重要的一部分，建立模型过程中需要考虑的问题类型较多，主要包括各个学科领域、模型维数、模型对称性、该单元支持的计算机特性与单元、设置单元关键字选项、设置单元实常数与截面属性、连接各个单元、限制单元、输出单元结果数据等。2）创建一一般模型分析与否振动筛模型的结构具有对称性，在激振器大梁两侧安装相应的激振器，由此可见，筛箱载荷同样具有对称性。建立有限元分析对称性模型，建模过程变得更加简单，计算机运算量很大程度降低。3）创建振动筛二次隔振系统模型与否振动结构中，二次隔振系统具有一定重要性，可降低来自振动筛对地基产生的冲击性。文章中提到位于有限元分析过程中，二次隔振系统不会对振动筛应力产生较大影响，未创建该模型。4）模拟激振器与增加激振力创建振动筛模型时遇到问题是关于如何完成激振力的增大与模拟激振器。文章在该方面做了深入研究，通过质量点单元对大偏心块质量的激振器进行模拟，利用刚化区域的方式在激振器安装座上完成质点刚化。3.2 筛箱模型简化按照振动筛的实际结构对大型直线振动筛建立振动筛有限元模型时需要对其进行适当的简化处理，这样不仅能有助于提高工作效率，更能便于简化分析模型。模型质量的高低将会对有限元信息精准度产生最为重要的影响。相对其他结构而言大型直