（机械设计及理论专业论文）基于有限元的清粉机筛格、筛体的结构分析.pdf

摘要 清粉机应用于面粉厂的制粉车间，用来把前路皮磨平筛分级后的中、下交物料，进 一步按颗粒的质量和粒度进行分级的设备。本文对f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机的工作参数、 振动体机械系统及结构进行了分析，应用s o l i d w o r k s 软件建立了清粉机筛格、筛体的三 维实体模型，对清粉机的振动系统即清粉机筛格、筛体进行整体分析，建立了结构的动 力学模型、结构的动力平衡微分方程的数学模型及数值计算的有限元模型。利用a n s y s 有限元分析软件对f q f d 4 9 2 x 3 型清粉机的整体结构进行分析，得到清粉机工作过程中 结构的变位参数和结构的各部位应力及应变的参数值，对清粉机的筛体和筛格的强度和 刚度进行了分析，分析了筛格的固有频率及清粉机筛体的固有频率以及在承受动态激励 载荷时各部分的响应，实验测定了振动体工作过程中结构各测点的应变及结构固有频 率。 通过分析阐明了简谐激振力作用下筛格、筛体结构的有限元计算方法，获得了振动 体结构的加速度大小、加速度方向、速度的运动学参数，变位、应力、应变、振动频率、 刚度、强度的结构静、动力学参数。 通过仿真分析及实验研究可知：1 ) 筛格主要承受垂直、水平弯曲载荷。拉压、翘 曲正应力较小，说明采用矩型型材的筛框条整体结构设计较合理。2 ) 筛框条水平弯曲 应力是垂直弯曲应力的5 6 倍。矩型梁型材水平、垂直惯性矩l 和不同，所 以横梁断面实际承受的弯矩m 。为肘。的2 3 倍。因此，横梁采用厚l $ m m 高4 0 r a m 的矩 型断面是合理的。3 ) 应用筛体结构分析的结果解释了清粉机使用过程中会出现漏粉现 象的原因。4 ) 应用筛体振动分析的结果解释了清粉机使用中物料跑偏的原因。5 ) 应用 筛体谐响应分析的结果解释了许多粉厂的清粉机在清粉机开、停车时都有晃动、跳动和 撞击现象的原因。 关键词：清粉机结构有限元 a b s t r a c t p u r i f i e ri sak i n do fm a c h i n et h a ti su s e di nt h em i l l i n gf a c t o r y a f t e rt h ef r o n tm i l l e ra n d t h ep l a n s i f t e rc l a s s i f i e dt h em a t e r i e l ，i tc a l lc l a s s i f yt h em i d d l ea n dt h en e t h e rg r a i na c c o r d i n g t ot h em a s sa n dt h eg r a n u l a r i t y t h et h e s i sr e s e a r c h e do nt h ew o r k i n gp a r a m e t e r so ft h e v i b r a t i n ge q u i p m e n ts y s t e ma n dt h es t r u c t u r eo ft h et y p eo ff q f d 4 9 x 2 3p u r i f i e nu s e dt h e s o l i d w o r k ss o f t w a r eb u i l tt h e3 d m o d e lo f t h ef i l t e rb o xa n dt h es c r e e nb o d y a n a l y s i so f t h e v i b r a t i n gs y s t e mo ft h ef i l t e rb o xa n dt h es c r e e nb o d y ，i tb u i l tt h ed y n a m i c sm o d e l i n g , t h e n u m e r i c a lm o d e lo ft h ed y n a m i ce q u i l i b r i u ma n dt h ef e mm o d e lo ft h en u m e r i cc a l c u l a t i o n u s e dt h ef e as o f t w a r eo fa n s y sa n a l y s i so nt h es t r u c t u r eo ff q f d 4 9 2 x 3p u r i f i e nt h e s t r u c t u r a ld e f o r m a t i o n ，t h es t r a i na n dt h es t r e s sr e s u l t sw e r eo b t a i n e dd u r i n gw o r k a n a l y s i so n t h es t r u c t u r ei n t e n s i t ya n ds t r e n g t h ，t h er e s o n a n tf r e q u e n c yo ft h ef i l t e rb o xa n dt h es c r e e n b o d y ，t h er e s p o n s eo ft h es c r e e nb o d yi nt h ed y n a m i ce x c i t a t i o nl o a d t h ee x p e r i m e n t a l m e a s u r e dt h es t r e s sa n dt h er e s o n a n tf r e q u e n c yo f t h es t r u c t u r ed u r i n gw o r k t h et h e s i si l l u s t r a t e dt h ea n a l y s i sm e t h o du s e df e mo nt h es t r u c t u r eo f t h ef i l t e rb o x a n d t h es c r e e nb o d yi nt h eh a r m o n i cf o r c e ，i to b t a i n e dp a r a m e t e r so f t h ek i n e m a t i c sa sa c c e l e r a t i o n s i z e ，a c c e l e r a t i o no r i e n t a t i o n v e l o c i t y , p a r a m e t e r so f t h es t a t i c sa n dd y n a m i c sa sd e f o r m a t i o n ， s t r e s s ，s t r a m ，t h er e s o n a n tf r e q u e n c y , i n t e n s i t ya n ds t r e n g t h t h ec o m p u t e r i z e ds i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi l l u m i n a t e d ：1 ) t h ef i l t e rb o x m a j o rb e h a v i o r sw e r ew i t h v e r t i c a la n dh o r i z o n t a lb e n dl o a d t e n s i o n c o m p r e s s i o na n d w a r p i n gs t r e s sw a ss m a l l e r , s ot h ed e s i g n i n gp r o f i l e dr e c t a n g l es t r u c t u r eo f t h ef i l t e rb o xw a s r e a s o n a b l e ，2 ) h o r i z o n t a lb e n ds t r e s so - m xw a sm o r et h a nv e r t i c a lb e n ds t r e s s o m y 5 - 6t i m e s t h ed e s i g n i n gp r o f i l e dr e c t a n g l eh a dd i f f e r e n tt h eh o r i z o n t a lm o m e n to fi n e r t i ai xa n dt h e v e r t i c a lm o m e n to fi n e r t i ai y , s ot h exd i r e c t i o nm o m e n tm xw a sm o r et h a nt h eyd i r e c t i o n m o m e n t m y2 - 3t i m e s 3 1i t i l l u s t r a t e dt h ep h e n o m e n o no ft h es e e p i n go ft h ef o u rf r o mt h e p u r i f i e rd u r i n gw o r kb yu s e dt h es t r u c t u r a lr e s e a r c hr e s u l t 4 、i ti l l u s t r a t e dt h er e a s o no ft h e m a t e r i e lm i s a l i g n m e n tb yu s e dt h er e s o n a n ts c r e e nb o d yr e s e a r c hr e s u l t 5 ) i ti l l u s t r a t e dt h e r e a s o no f t h ep u r i f i e rw a ss w a y i n g ，j u m p i n ga n db u m p i n gi ns t a r t i n g u pa n ds h u t d o w np r o c e s s b yu s e dt h eh a r m o n i ca n a l y s i sr e s u l t k e yw o r d ：p u r i f i e r ；s t r u c t u r e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河南工业大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名：日期： 立堡颦：= ! ! 星2 关于论文使用授权的说明 。本人完全了解河南工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；本人授权河 南工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 基于有限，亡的清粉机筛格、筛体的结构分析 第一章绪论 1 1 引言 清粉机应用于面粉厂的制粉车间，用来把前路皮磨平筛分级后的中、下交物料，进 一步按颗粒的质量和粒度进行分级的设备( 如图1 1 所示) 。现使用的清粉机分为复式 和单式两种类型，复式使用较普遍，所谓复式清粉机是指在一个机架上，装有两套独立 的清粉单元，即：二套振动筛、二套吸风系统、二套进出料机构，可以分别处理两种不 同的物料而不会相互干扰。清粉机采用适当的振动参数和气流参数相配合，使筛面上的 物料按其粒度和质量的不同呈分层状态，合理的配备各段筛格的筛孔大小，把各层物料 以不同筛格或筛面的筛下物、筛上物的形式进行分级。清粉机的工作过程：1 ) 物料在 筛面上受到振动和穿孔气流的综合作用，因此颗粒不仅按粒度分级，同时还按其空气动 力学性质进行风选，这样就使得粒度相同而质量不同的粉粒和麸屑、纯麦心和麦渣粒( 连 麸麦心粒) 能够分开。2 ) 由皮磨平筛分级后的中、下交物料，由喂料机构送至振动筛 面上，当物料铺满筛面以后，清粉机进入正常工作状态。筛面上的物料在振动和穿孔气 流的综合作用下，按其粒度、比重和空气动力学性质不同进行分层，完成分层后的物料 其断面上的排列顺序从筛面自下而上为：a 、小颗粒麦心；b 、大颗粒麦心；c 、小颗粒 麦渣；d 、大颗粒麦渣；e 、大颗粒麦皮；f 、麦屑和小颗粒麦皮。随着物料在筛面上的推 进，a 层或a 、b 层物料将成为前段筛面上的筛下物；c 层或b 、c 层物料将成为后段筛面 的筛下物；d 层将成为下层筛面的筛上物；e 将成为上层筛面的筛上物；f 层物料将被空 气流带走。清粉机的作用是：1 ) 可以把皮磨平筛分级后的中、下交物料分成：纯麦心、 大麦心与小麦渣混合物、大麦渣、大粒麦皮及吸风料等5 级物料。2 ) 清粉机能够及时 地清除麦心中的麸屑，减少进入心磨系统的渣粒数量。所以它有助于降低面粉的灰分、 提高面粉的质量、改善面粉的粉色。因此在等级面粉和专用面粉的生产过程中，清粉机 是必要的设备【l j 。 图1 1 清粉机 河奇t 业大学硕十学伊论文 1 2 国内外研究现状 国内从7 0 年代开始已有学者应用有限元法对振动筛的结构进行分析，并开展了振 动问题及力学问题的研究，取得了卓有成效的工作。河南工业大学、东北大学、矿业大 学、鞍山钢铁学院、洛阳矿机所等对于振动筛一类振动机械开展了深入细致的研究探讨， 进行了大量的工作，获得了较多的经验与成果。 具体来说有东北大学的闻邦椿等教授关于振动机械理论研究的专著振动机械的理 论与动态设计方法c 2 】，韩京燕、朱福先等作者在矿山机械杂志上发表的关于单质 体振动筛的理论分析的文章【3 r 4 c ”，李文英、韦继春、薛赣新等关于振动筛动力计算及 动态分析的学位论文【6 】【q 【8 】，萧龙翔、和世超、刘建文、王莹、刘晓艳等作者发表的关 于振动筛模态分析及动应力分析的文章 9 】 1 0 】【l i 】【1 2 】【1 3 】，张德臣、侯勇俊、朱维兵等作者应 用有限元理论所作的关于振动筛仿真的文章【1 4 】【”ic ”】。 但是，粮食行业的振动机械在此方面的研究，相对落后，与国内外其他行业相比还 存在一定的差距。根据笔者的调研及所收集的资料来看，国内外利用有限元技术研究粮 食加工机械特别是针对清粉机的研究未见报道。但清粉机作为生产高等级面粉不可缺少 的设备早已广泛应用于制粉行业。因此对现有清粉机的整体结构进行分析，有助于对清 粉机设备结构的基本工作参数和结构的总体受力及变形情况有一个更系统的参数值做 比较，从而在满足工艺要求的原设计结构的基础上提供更优的设计方案。 1 。3 研究的目的和意义 1 ) 清粉机使用过程中会出现漏粉现象，增加t n 粉车间的粉尘c 】。造成的原因有 零部件的老化，支撑橡胶弹簧的变形，由于在设计该类振动机的过程中，筛箱的结构形 状复杂，无法采用常规的力学方法计算，未能对这些构件进行静强度和动强度计算。本 文对清粉机的筛体和筛格进行了强度和刚度分析，有利于设备部件尺寸进行更优的选取 与结构的改进。 2 ) 清粉机是在振动的状态下工作，其零部件易发生变形损坏。物料跑偏是指清粉 机各仓进料正常，且物料在筛面上能够以一定速度向出科端流动，但逐渐呈一边厚一边 薄或是一边有料一边无料状态。在这两种状态下清粉效果显然不会太好。在一边料厚一 边料薄时，厚料边风无法吹透，而薄料边风吹得过透，这就导致厚料边该被风吸走的没 有被风吸走，该过筛的物科由于分级不充分而未筛出；薄料边不该被风吸走的反而被风 吸走，在一边有料一边无料时，风短路走无料边无法达到理想的清粉效果。本文从清粉 机运动工作过程中筛格、筛体结构的振动变形状况来研究筛体的弹性变形对清粉机物料 跑偏的影响。为设备合理设计、运转平稳提供了理论支持。 3 ) 许多粉厂的清粉机在清粉机开、停车时都有晃动、跳动和撞击的现象。清粉机 2 基于有限元的清粉机筛珞、筛体的结构分析 的工作频率远大于设备本身的共振频率，即工作在超共振频率范围内( f ，。- 2 6 3 岛；) 。这样，在开车时就会出现极短时间的共振。但时间极短，又加上是橡胶弹簧支 撑，所以仅会有轻微一抖的感觉。在停车时，电机在阻尼作用下减速，通过共振频率区 时间较长，跳动的时间也就较长些，个别设备有撞击现象( 1 3 次) ，发出较大噪音。 因此本文对清粉机筛体的固有特性及在承受动态激励载荷时结构各部分的响应进行了 分析，找到其发生明显共振的部件及其动态响应参数。 1 4 主要研究内容和研究方法 本课题选用f q f d 4 9 2 3 型清粉机作为分析的基本机型【1 8 1 ，通过对清粉机筛格、筛 体结构的理论计算、仿真分析和实验研究，得出该型号清粉机结构的基本工作参数和结 构的总体受力、变形情况，从而在满足工艺要求的原设计结构的基础上提供更优的设计 数据。主要包括以下几方面内容： 1 ) 分析f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机的工艺参数、机械特性及结构的力学特性，用参数 建模的方法建立f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机的三维模型。通过格式转换，建立f q f d 4 9 x 2 3 型清粉机的筛格及筛体的有限元模型，并划分单元网格。 2 ) 把振动质量引起的惯性力作为静作用力进行清粉机筛格、筛体的静强度计算。 将实际结构化为比较简单的力学模型，利用a n s y s 有限元软件对清粉机的筛格及筛体 的有限元模型进行仿真分析，求出各单元上的应力、应变及变位，计算出结构的总体受 力及变形情况，分析结构设计的合理性。 3 ) 根据动力学有限元方程，对清粉机筛格、筛体进行模态分析及动态响应分析。 利用a n s y s 有限元软件求解筛格的固有频率，求解筛体的固有频率、各结点位移及各 单元上的动应力。将振动电机的激振载荷转化为谐激励，分析其对筛体的响应，外载荷 作用下筛体的变位、应力、应变，结构的物理参数，结构随激振频率变化时结构的响应 曲线，确定结构的动态特性。 4 ) 实验验证计算结果。选用适当的实验方法，使用应变片对f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉 机的筛体进行现场测试，在仿真确定的应力集中区域布置应变片，验证仿真计算的应变 结果，测定筛体的模态参数和动态特性，对筛体的设计数据进行分析。 3 河南r 业大学硕十学行沦文 2 1 概述 第二章f q f d 4 9 2 x 3 型清粉机的振动系统分析 清粉机由振动系统、空气系统、迸科系统、排料机构、传动机构、机架等组成，本 章对清粉机的工作参数、振动系统的结构及运动状况进行了分析，应用现代化的设计手 段建立了清粉机筛格、筛体的三维实体模型。 2 1 1f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机的机械系统 清粉机从整体需要出发，通常可以有下列一些子系统：动力系统、传动系统、执行 系统和操作及控制系统等。f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机的总体结构如图2 - 1 所示【1 9 】。 l 毫赓 2 拯救葬蕾 3 帆门 l 鬟动电枉 5 匀辩藉 5 遗辩口 ? 其毫调节- 掘 l 风室 9 蘑风量调节把手 l o e 懦 l i 羞扳 1 2 扼蘩 1 3 翱髂 分科体 培珥节畚斗 1 6 籍下镑分* 籍 1 7 簿h 钉出r l 埔蹿括 2 l挖2 3 伸誓避槽 小连接舞 2 l 胜 毖压力门 盘把手 舶鬣譬角莰 图2 一lf q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机的总体结构图 箱宽撑并 自硼 2 7 嫠墁童 嚣倚 物出科斗 2 9 魔孵 撩翻张 2 1 2f q f d 4 9 2 x 3 型清粉机的振动系统 振动系统由筛格、筛体、橡胶弹簧、底座和振动电机等组成，它们形成了同侧上下 单振动体平衡惯性力的体系。筛体( 如图2 2 所示) 在振动电机的激振力作用下作往复 直线运动，筛体在往复振动过程中起到增加筛面的刚、强度，保证筛面的几何参数和运 动参数的作用。清粉机采用抽屈式筛格( 如图2 3 所示) ，每层筛面由四个封闭在筛体 内的筛格组成，每层筛面的筛格装有筛孑l 不同的筛绢，筛绢的筛孔尺寸从进料端到出料 端逐格加大，筛面上的物料受到振动和穿孔气流的综合作用进行分级，筛下物沿着分料 4 基于有限，亡的清粉机筛格、筛体的结幸句分析 体落入输送槽送到相应的出料管。振动筛面的振动方向角和倾斜角均可在一定的范围内 调节。 图2 - 2 筛体示意图 图2 - 3 筛格示意图 2 1 3f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机的筛体和筛格 f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机的筛格采用铝合金型材，通过组焊形成框架( 如图2 - 4 所 示) ，最后绷上筛绢【2 ”。筛体包括前基座、后基座、筛体侧板、连接梁、筛格、支撑腿 子、小横梁、输送槽、分料体、轴，各零部件通过铆接、焊接等装配而成( 如图2 5 、 2 6 所示) 。 5 n j 商t 业犬学硕士学伊论文 图2 4 筛格部件 图2 - 5 筛体部件一 图2 - 6 筛体部件二 6 基于有限元的清粉机筛格、筛体的结构分析 2 2f q f d 4 9 2 3 型清粉机 我国设计制造的f q f d4 9 x 2x 3 型清粉机，4 9 2 3 的含义是：振动筛筛面宽度 为4 9 c m ，清粉机机架上有二套独立的清粉单元，每个振动筛有三层筛面。下面确定 f q f d 4 9 x 2 3 型清粉机的工作参数。清粉机主要的工作参数有：筛面的振动方向角1 3 、 筛面倾斜角a 、振动圆频率u 、振幅y 及空气流的速度v 。 2 2 1 筛面振动方向角b 及筛面倾斜角a 的确定 根据清粉机对物料运动的要求，清粉机筛面的振动方向角b ，常采用大于9 0 。的角， 这样可使筛面对物料呈“下行体制”，且使筛面的加速度具有沿铅直方向的分量。b 大 于9 0 。必然造成物料在筛面上的平均推进速度过快，因此清粉机筛面采用较小的筛面倾 斜角a ，q 角较小还可以使物料相对筛面上滑的位移增加，以增加物料的筛程，提高纯 麦心的过筛率。 1 ) 1 3 ：可在9 0 。到1 0 0 。范围内变化，最常用的角度为9 5 。到1 0 5 。 2 ) a ：可在0 。到5 。范围内变化，最常用的角度为l 。到2 。 本机取b = 1 0 0 4 ，q = 1 。 2 2 2 筛面的振动频率和振幅y 的确定 物料在筛面上的运动按“下行体制”计算，振幅y 取8 5 9 m m 。 3 0 n 2 一 万 其中物料与筛面间的摩擦角( 一般粮食颗粒约为2 5 。) g 重力加速度 r 振动筛的振幅 n 2 物料沿筛面上滑的临界转速。 3 0 n 广一 石 ( r m i n ) 其中n 3 物料在筛面上跳动的临界转速。 将1 3 = 1 0 0 。，a = 1 。，y = 8 5 代入上述公式，得 n 2 = 2 2 7 1r m i n ，n 3 = 7 4 2 2 3r m i n 。 转速n 的计算 物料在筛面上不允许跳离筛面，取n 2 l o 1 9 51 6 08 6 2 5 2 3 3 振动电机的机械特性 振动电机就是具有二个轴伸的电机，在每个轴伸上各装有二块可调相对位置的偏重 快。振动电机二个轴伸上的偏重块的重量和重心处的旋转半径应完全相等，偏重惯性力 与垂直于振动方向所夹的角q 与相位应完全对称。调节二偏重块的相对位置，可改变 激振力的大小，当然上述调节必须在二个轴伸上同时进行。 若电机的角速度为。，偏重重心处的旋转半径为r ，则偏重的惯性力为 p 1 2 p 2 2 m 2 r( 2 7 ) 电机沿振动方向的分量 p t ，= m ( 0 2 r c o s c r i ( 2 8 ) 河南i 业夫学硕 学付论文 p 2 x = m e t ) 2c o s 口2 根据舣振动电机的自同步原理，在两方面的惯性力矩作用下， 持同步，p 。，= p 2 ，并使偏重始终对称于振动方向旋转。 ( 2 9 ) 左右电机会自动的保 f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机采用扬卅f 宝飞机电有限公司生产的型号为y z u 4 i o a ，转 速为5 9 0 r m i n ，功率为0 1 8 k w ，重量为4 9 k g 的振动电机。 2 3 4f q f d 4 9x2 3 型清粉机的工艺特性 1 ) 瞬时停留在筛面上的物料量q o q o = 3 6 0 0 v p b h v d a ( t h ) ( 2 - 1 0 ) b 筛面有效宽度( m ) ，b = 0 9 5 b o b o 筛面宽度( m ) v d 物料相对于筛面的平均流速( m s ) h 物料在筛面上的厚度( m ) p 物料的松散系数 v 。u _ 物料的容重( k g m 3 ) 物料在筛面上的平均推进速度v o = 牲毕c 眺， s + 颗粒相对于筛面的下滑位移 s 一颗粒相对于筛面的上滑位移 2 ) f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机单位负荷 进机物料必须均匀分布在筛面全宽上。进机物料必须覆盖筛面的全长，能否全长覆 盖和筛网配置、风力大小有关。进机物料的含粉量和粒度范围决定于清粉机筛路、筛格 和筛网配置的设计。f q f d 一5 0 x 3 x 2 型清粉机单位时间内停留在筛面上的物料为： m = 、t o ( k g ) ( 2 - 1 2 3 6 0 0 )， m - - 2 0 0 0 3 6 0 0 0 5 6 ( k ) 则f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机的工艺特性见表2 - 7 所示。 基f 有限，己的清粉机筛格、筛体的结构分折 表2 7f q f d 4 9 2 x 3 型清粉机的工艺特性 参数 f q f d 4 9 2 3 电机型号振动电机 电机功率018kw 转速 5 9 0 r m i n 整机重量 9 5 0 k g 粗渣处理量4 0 0 - 2 8 0 0 ( k g m 2 h ) 细渣处理量2 0 0 ( k 彰m 2x h ) 2 3 5 物料对筛格、筛体的影响 物料的内摩擦系数f ，指物料在不受任何限制和外力作用时，自然下落到水平面上， 达到相当数量和高度之后，会自动形成一个圆锥体，圆锥体母线和底平面所构成的角度 称为静止角或内摩擦角。内摩擦系数f - c 爿g 物料的内摩擦是决定物料流动性的主要因 素，因而内摩擦角大的物料流动性不好，筛分效率也不高。内摩擦系数和物料颗粒的表 面性状、粒度组成、水分和温度等有关。物料的外摩擦系数k 指当物料沿着某一种斜面 开始滑动，斜面与水平面所形成的夹角称为自流角或外摩擦角。外摩擦系数触g 由，m 的测定受组成斜面的材质和表面性状的影响很大，同时亦受到物料特性的影响，能从文 献中查到的数据都是在特定条件下取得的，且物料的种类很不全。物料与筛面之间的摩 擦能促进物料在筛分时自动分级，所以对清除小杂是有利的。物料颗粒的滑动和滚动摩 擦：滑动摩擦力f ，f = k n 在于燥表面上的一般规律：乱低压时，f 和n 成正比；b 冲 等压力时，摩擦总量与摩擦系数、接触面积无关；c 速度很低时，摩擦和摩擦速度无关； 速度增加时，摩擦减少；d 摩擦系数随接触面的材质不同而变化。滚动摩擦指当物体在 一个面上滚动时，抵抗运动的力称为滚动摩擦或滚动阻力。筛面物料受力如图2 - 7 所示。 物料对筛面的摩擦力f f - i n 2 n t g 妒 ( 2 1 3 ) 扣j 青t 、止大学硕十学伊沦文 f g n g g 图2 7 筛面物料受力图 单位时间内停留在筛面上的物料m 的重力g g 相比振动电机的激振力及结构的重力 较小，因此由g g 所产生的支撑力n 也较小，即物料对筛体的摩擦力可忽略不计。 2 4f q f d 4 9 2 3 型清粉机的振动系统的运动分析 清粉机的筛体在振动电机激振力的作用下，筛体支撑在4 个橡胶弹簧上，绕支撑腿 做倾斜直线振动，属于单质体振动机械系统，依据笛卡尔坐标系，以筛体质心为原点， 筛面为x o y 坐标系，具有平面内三个方向的自由度，x 、y 方向上的移动，绕z 轴的 转动。f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机的振动体如图2 - 8 所示。 图2 - 8f q f d 4 9 x 2 3 型清粉机的振动体 为了简化计算，假设振动器的转子回转中心与机体( 筛箱) 的重心重合，激振力和 弹性力通过机体重心。此时，筛子只作平移运动。 取机体静止时的重心o 作为固定坐标系统( x o y ) 的原点，而以振动器转子的旋 转中心0 i 作为动坐标( x 1 0 l y l ) 的原点。 1 4 丫_ j l 皆 一 基于有限正的清粉机筛格、筛体的结构分析 2 5 建立f q f d 4 9 2 3 型清粉机振动系统的三维实体模型 三维实体建模具有以下优点：1 ) 设计的直观性，直接建立三维实体图形，并生成 装配图和零件爆炸图，可以动化显示实体图和变形图，具有可视性，可以进行全方位设 计。2 ) 设计的准确性，利用计算机的超强数据处理能力，可进行结构的精细受力分析、 多种误差估计和分析操作。例如进行能量百分比误差分析，对所选择的单元的位移、应 力、温度进行估计，可用于承受相似载荷的相似结构的相似模型分析。3 ) 设计的快速 敏捷性，通过预装配和计算机仿真，进行运动学校验和干涉测量，大大缩短了整个产品 的设计周期。如通过动化演示应力等值线图，可清楚描述一种结果在整个模型中的变化， 并快速确定模型中的“危险区域”。4 ) 设计的灵活性，利用参数设计技术，使用户能够 进行“如何将会怎样”的方案研究、灵敏度研究和优化设计等等，从而使分析和设计更 具灵活性和适应性田j 。因此应用三维建模软件s o l i d w o r k s 2 0 0 5 来建立振动系统及其部件 的三维实体模型。 2 5 1f q f d 4 9 x 2 3 型清粉机的筛格 筛格的几何尺寸( n u n ) 如表2 8 所示，建立的筛格的装配图如图2 - 9 、2 - 1 0 、2 - 1 1 所 示。 表2 - 8 筛格部件尺寸 图2 - 9 清粉机筛格装配图 图2 一1 0 清粉机筛格主视图 1 5 青 业大学硕十学伊论文 图2 - 1 1 清粉机筛格俯视图 2 5 2f q f d 4 9 x 2 3 型清粉机的筛体 建立筛体的三维实体模型如图2 1 2 所示。 图2 ，1 2 筛体的三维实体模型 2 5 3f q f d 4 9 x 2 x 3 型清粉机的振动系统 建立振动系统的三维实体模型如图2 1 3 、2 1 4 所示。 1 6 基于二有限元的清粉机筛格、筛体的结构分析 图2 1 3 振动体的三维实体模型一 图2 - 1 4 振动体的三维实体模型二 1 7 河亩：、止大学硕士：学竹论文 2 6 本章小结 本章分析了满足物料的工艺特性参数的f q f d 4 9 x 2 3 型清粉机的振动系统的形 态参数、物理机械特性参数和部件结构参数，为清粉机的振动系统的研究奠定了基础， 建立起了f q f d 4 9 2 3 型清粉机筛格、筛体的三维实体模型，并建立了整个振动体的 三维装配图。 基于有限元的清粉机筛格、筛体的结构分析 第三章f q f d 4 9x2x3 型清粉机的筛格、筛体的静、动强度计算 3 1 概述 本章主要针对清粉机的振动系统即清粉机筛格、筛体进行整体分析，建立了结构的 动力学模型、结构的动力平衡微分方程的数学模型及数值计算的有限元模型。阐明了简 谐激振力作用下，筛格、筛体结构的有限元计算方法，应用a n s y s 有限元软件对清粉 机的筛格、筛体进行了刚度及强度的分析计算。 计算结果表明，利用有限元计算方法能有效地反映结构中存在的薄弱环节，为清粉 机的总体结构设计和改进提供了必要的理论依据。 3 2f q f d 4 9 2 3 型清粉机的筛格、筛体结构的力学分析 f q f d 4 9 2 3 型清粉机采用两台振动电机传动，两电机平行安装在清粉机的前机 座的横轴上，调整电机的安装位置可调整激振力的大小与方向。振动电机两个轴伸上的 偏重块的重量和重心处的旋转半径完全相等，相位完全对称，激振力通过振动体的重心。 当偏重块旋转时保持自同步，振动体受圆周变化的激振力的作用作往复运动。两个电机 以等角速度绝对同步反向旋转，偏重所产生惯性力的一个分量互相抵消，另一个分量相 叠加，相互抵消的分量是垂直于振动方向的分量，相叠加的是沿振动方向的分量，该分 量驱使振动体作强迫振动。 3 2 1 振动体的力学模型 将实际振动结构化为比较简单的力学模型：在建立力学模型时，为简化计算，并没 有完全采用实际的模型，而是根据其材料及尺寸得到弹性模量e 值，且假设其交形在线 性弹性范围内，假设部件闻的连接不发生相对滑移且接触紧密，约束良好，不考虑几何 及材料非线性的影响，状态非线性的影响。 1 ) 建立振动体的直角坐标系：为了简化计算，假设振动器的转子回转中心与振动 体的重心重合，激振力和弹性力通过振动体重心。取振动体静止时的重心0 作为固定坐 标系统( x o y ) 的原点，而以振动器转子的旋转中心0 l 作为动坐标( x 1 0 l y l ) 的原点。 则振动体的三个方向上的自由度为：x 、y 方向上的移动，及绕z 轴的转动，振动体近似 作平面回转运动。因此筛格、筛体看作倾斜平面的回转运动，把振动体看作单质体振动 机械系统，它具有三个自由度。 2 ) 振动体系统：假设振动体工作时，筛框的变形和振动位移相比可以忽略不计， 则振动体的运动可看作刚体的一般运动。整个振动体的弹性振动力学模型如图3 1 所示 1 9 ；青：业大学硕十学侍论文 1 2 3 1 。：兰， 1 - ，_ x 、k ? 1 7 、_ 、w 图3 1 振动体的弹性振动力学模型 3 2 2 筛格、筛体的静力分析 f _ y 3 2 2 1 筛格的静力分析 筛格的受力分析：清粉机工作状态下，清粉机的筛格主要受到筛体的惯性力、筛格 重力、筛绢的张紧力、物料及侧边的摩擦力、筛体对它的支撑力的作用如图3 2 所示。 图3 - 2 筛格结构受力分析示意图 以筛格长度方向为x 轴，厚度方向为y 轴，据右手定则垂直x o y 平面向左为z 轴建 立坐标系，则 1 ) 筛格y 方向的惯性力f 。 f = 2 m o c 0 2 rs i n p os i n c o t ( 3 一1 ) 其中m o 为筛格的质量，o 为振动电机的角速度，r 为振动器与偏心轴合成的总偏心 距，bo 为筛面的振动方向角。 则y 方向的最大惯性力f y m 。 2 0 基f 有限元的清粉机筛格、筛体的结构分析 k - - - 2 x 2 2 x 6 1 8 2 x 9 x 1 0 4 x s i n 9 7 。1 5 0 i n( 3 - 2 ) 2 ) 筛格x 方向的惯性力f x c = 2 m o c o c o s 属s i n c o t ( 3 - 3 ) 则x 方向的最大惯性力f 。 k 2 2 x 2 2 x 6 1 8 2x 9 x 1 0 4 x c o s 9 7 = - 1 8 4 n( 3 - 4 ) 3 ) 物料在筛面的受力( 如图2 7 所示) 分析：g g 为物料重力，砘为物料惯性力， n 为工作面法向反作用力，f 为摩擦力。考虑到清粉机吸风作用，物料对每层筛面的作 用力非常微弱，因此物料的重力以及摩擦力对筛格的影响可忽略不计。 4 ) 筛绢的张紧力：f l = 1 5 o n ，方向垂直于筛框内侧面。 5 ) 筛格的重力：g = m o g = 1 8 n ，方向与y 轴同向。 3 2 2 2 筛体的静力分析 筛体的受力分析：清粉机工作状态下，清粉机的筛体主要受到振动体的惯性力、筛 体重力、物料及侧边的摩擦力、橡胶弹簧对它的支撑力的作用如图3 3 所示。 图3 - 3 筛体结构受力分析示意图 以筛体长度方向为x 轴，高度方向为y 轴，据右手定则垂直x o y 平面向左为z 轴建 2 1 河商i 业夫学硕 学竹沦支 立坐标系，则 1 ) 筛体y 方向的惯性力f ， e = 2 m o c 0 2 r s i n 风s i n c o t( 3 - 5 ) 其中m o 为筛体的质量，u 为振动电机的角速度，r 为振动器与偏心轴合成的总偏心 距，bo 为筛面的振动方向角。 则y 方向的最大惯性力f y m 。x 瓦。- - - 2 x 9 5 0 x 6 1 8 2 x 9 x 1 0 。x s i n 9 7 。= 6 4 8 2 2 2 n ( 3 6 ) 2 ) 筛体x 方向的惯性力f 。 e = 2 m o 2 ，c o s 成s i n c o t( 3 - 7 ) 则x 方向的最大惯性力f x m a x ，斌。= 2 x 9 5 0 x 6 1 8 2 x 9 x 1 0 4x c o s 9 7 。= - 7 9 5 9 2 n ( 3 8 ) 3 ) 筛体的重力g g = m 0 9 2 9 3 1 0 n ( 3 - 9 ) 方向与y 轴同向。 4 ) 弹簧的支撑力p 只2 t x 、0 2 k , y ( 3 - lo ) y 方向 - m y - f l y - k 。y - 2 m 0 0 巳缈2 r s i n f l o s i n c o t ) = 0 ( 3 11 ) x 方向 - m x 一f 2 x - k 。x - 2 m o ( x 。一缈2 r c o s f l o s i n c o t ) = 0( 3 1 2 ) 其中 m 2 m 。+ k 。m 。 式中 m 。振动体的实际质量 k 。物料结合系数 m 。物料质量 f 1 - y 方向等效阻力系数 x 方向等效阻力系数 b 隔振弹簧中心线y 方向上的刚度 ( 3 1 3 ) 基f 有限元的清粉机筛珞、筛体的结构分析 k 。隔振弹簧中心线x 方向上的刚度 t 5 t + 屯 ( 3 1 4 ) y 、y ，、y 及x 、x 、x m 振动体在y 方向和x 方向的位移、速度和加速度。 整理可得 ( m + 2 m o ) y ：“小伊2 m 。7 s i n o s i n c o t ( 3 - 1 5 ) 【( m + 2 m o 矿+ l x + k , x = 2 m 0 0 7 2 r c o s f l os i n c o t 3 2 3 筛格、筛体的动力分析 静动力分析准则为：1 ) 一般情况下，激励频率低于结构最小固有频率的1 3 时，静 力求解就足够了。2 ) 惯性力是动力问题不同于静力问题的关键之处。 3 2 3 1 振动体的弹性支撑 f q f d 4 9 2 3 型复式清粉机采用橡胶弹簧支撑，橡胶弹簧用于振动电机传动的振 动体的优点：1 ) 橡胶弹簧允许三个方向的小幅度运动，因此可以满足清粉机在启动和 停车过程中筛体几个方向运动的需要。2 ) 橡胶弹簧的特性曲线可以是非线性的，变形 量越大，刚度越大，且阻尼越大，所以能有效地降低振动体的共振振幅及共振时间，而 无需限振装置。 橡胶弹簧受到筛体作用变形时具有几何、材料及接触非线性特征，其刚度是非线性 的，不满足胡克定律2 4 1 。设计时依据经验，选取丁晴橡胶或氯丁橡胶，硬度取3 0 - - - 8 0 肖 氏度。 3 2 3 2 橡胶弹簧刚度确定 橡胶弹簧静弹性模量e 和g e 3 g = 3 5 7 x 1 0 5 e o ”“ ( 3 1 6 ) 疋= a , g h ( 3 1 7 ) e = a t , k e h ( 3 - 1 8 ) 以= x c d ：一谚) 4 ( 3 1 9 ) 4 = 万( d 1 + d 2 ) ( 3 - 2 0 ) k = 1 2 ( 1 + 1 6 5 n 2 1 ( 3 - 2 1 ) 河商：+ 业犬学硕 学付沦文 爿 n = 一 4 。 ( 3 2 2 ) 厅= 石p h 石 ( 3 2 3 ) 一r n u 式中 p - 一外加负荷( n ) a 。橡胶弹簧的承载面积( m 2 ) a 广橡皎弹簧的自由面积 h 弹簧自由长度( m ) k 。、k x 、y 方向的弹簧静刚度 d l 弹簧变形前的直径( m ) d 2 弹簧变形前的内径( m ) e 一剪切弹性模数( m p a ) e 拉伸弹性模数( m p a ) k 圆柱形橡胶弹簧形状系数 n 橡胶弹簧的承载面积a l 与所有的自由表面积a f 之比 h s 橡胶硬度，h s = 3 0 8 0 取h s = 6 0 h = 0 0 9 6 m d t = o 0 5 0 m d 2 = 0 0 3 7 m 因此 g = o 8 6 1 8 9 m p a e 2 2 5 8 5 6 7m p a a 。= ( 0 0 5 2 0 0 3 7 2 ) 4 = 0 0 0 0 8 8 8 2 8 5 m 2 a p = r0 0 5 + 0 0 3 7 ) + o 0 9 6 = 0 0 2 6 2 3 8 5 8 1m 2 弹簧拉伸等效刚度：k 。= o 0 2 8 7 6 4 4 4 1 * 1 0 6 n m 弹簧剪切等效刚度：k 。= o 0 1 1 2 8 2 1 1 3 1 0 6n m k ，与k 。分别