ZKB型直线振动筛优化设计与仿真分析.pdf

第3 2 卷第5 期 2 0 1 2 年1 0 月 矿冶工程 M D l i I N GA N DM E ．r A L L U R G I C A LE N G I N E E R D i G V 0 1 ．3 2 №5 0 c t o b e r2 0 1 2 Z K B 型直线振动筛优化设计与仿真分析① 刘辉1 ，朱格来2 ，林玲1 ，郑新栩1 1 ．江西理工大学应用科学学院，江西赣州3 4 l 0 0 0 ；2 ．赣州金环磁选设备有限公司，江西赣州3 4 l O o o 摘要采用M a t l a b 与A N s Y s 等计算机辅助分析设计软件，研究分析了振动筛振动理论，分别建立了z K B l 8 2 5 型直线振动筛的优 化数学模型和有限元分析模型，对振动筛进行了结构参数的优化设计，以提高振动筛生产效率与使用可靠性，为振动筛的设计提供 了一种有效的设计思路与方法。 关键词振动筛；优化设计；仿真分析；生产效率；可靠性；M a d a b ；A N s Y s 中图分类号T H 2 3 7 ；T P 3 1 9文献标识码A文章编号0 2 5 3 ～6 0 9 9 2 0 1 2 0 5 0 0 5 0 一0 4 o I 胁I l i z 撕0 nD 啜i g I la n dS i m u l 撕肌A n a l y s i so fZ K B “n e 盯Ⅵb r 撕0 nS c r ∞璐 L I UH u i l ，Z H UG e ．1 a i 2 ，L I NL i n 9 1 ，Z H E N GX i n ．x u l 1 ．c 0 2 2 e 驴Q 厂A P p 比d ＆如n c e ，以鲫肜i №讹巧渺矿 i e n c eo n d ‰ 加Z p g y ，能砌o M3 4 1 0 0 0 ，以口蟛i ，吼讥口；2 ．5 幻n 肼n g 船￡i cS e p o m ￡o r 三纪，C ‰磁 o M3 4 1 0 0 0 ， o 蟛；， 流i H o A b s t r a c t V i b r a t i o nt h e o r yo fv i b r a t i o ns c r e e n sw a si n V e s t i g a t e da d o p t i n gs o f t w a r e sl i k eM A T L A Ba n dA N S Y S ，a n d o p t i m i z e dm a t } l e m a t i c a lm o d e la n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo fZ K B l8 2 5l i n e a rV i b r a t i o ns c r e e n sw e r ec r e a t e d ． T o i n c r e a s et h ep r o d u c t i o ne m c i e n c ya n do p e r a t i o nr e l i a b i l i t y ，s t m c t u r ep a r a m e t e r so fV i b r a t i o ns c r e e n sw e r eo p t i m i z e d ， w h i e hs u p p l i e sap r a c t i c a ls c h e m ea n dm e t h o df b rt h ed e s i g no fV i b r a t i o ns c r e e n s ． K e yw o r d s v i b r a t i o ns c r e e n ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；s i m u l a t i o na n a l y s i s ；p m d u c t i v i t y ；r e l i a b i l i t y ；M A T L A B ；A N S Y S 筛分设备是工矿等行业普遍使用的关键设备之 一，筛分作业的结果不仅对下一作业的效率有着重要 影响，而且较大程度上影响到所产生的商品价值。随 着工业技术和科学技术的发展，筛分设备的发展相当 迅速，技术也日益提高，振动筛由于结构简单、工作效 率高，成为最主要的筛分设备o ‘3o 。最近几年，各国对 振动筛分技术的研究很重视，如强化振动参数，设备大 型化，筛机零部件的三化，自同步技术的推广应用，新 筛机的出现等都是围绕着振动筛发展起来的。目前国 内外振动筛产品结构性能落后的筛分机仍占一半以 上∞J ，存在强度低、使用寿命短、噪声大、共振振幅大 等问题，多年来国内外研究人员一直在进行研究，但却 没有从根本上得到解决。如何消除或减少振动筛存在 的这些问题，以提高振动筛生产效率、降低动力消耗， 增强使用可靠性和延长使用寿命，传统的设计方法很 难找到突破口。本文在传统设计的基础上，结合相关 理论基础，利用M a t l a b 和A N s Y s 等计算机辅助软件 对z K B l 8 2 5 型直线振动筛进行优化设计，以提高振动 筛生产效率、降低动力消耗，增强使用可靠性和延长使 用寿命。 l 振动筛振动理论分析 直线振动筛的振动属于质量一弹簧一阻尼系统的稳 态强迫振动”。j 。z K B l 8 2 5 型直线振动筛是双轴惯性 直线振动筛，两激振轴等速反向同步旋转，两激振偏心 质量块产生的离心力作用在垂直于振动方向上的分力 完全抵消，二者的合力始终平行于振动方向，并且合力 的大小呈正弦规律变化，其力学模型如图l 所示。 图1 振动筛力学模型 根据达朗伯原理，系统的振动微分方程为 胖 2 帕戈 ％岖一2 砌守“c o 哂 1 【 M 2 m 广 q y ’ K y 2 m ∥r s i n ∞￡s i 硒 ①收稿日期2 叭2 - 0 4 - 1 4 作者简介刘辉 J 9 8J 一 ，男，湖南邵阳人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为机械设计、机电液技术，有限元仿真分析。 万方数据 第5 期刘辉等z K B 型直线振动筛优化设计与仿真分析 式中肘为所有参振质量之和，k g ；m 为单串偏心块质 量之和，k g ；C ，、c ，分别为戈、 ，方向的弹性阻尼系数； 疋、K ，分别为x 、 ，方向的弹簧总刚度；r 为偏心块质心 回转半径，m ；∞为回转角速度，r a d ／s ；￡为时间，s ；艿为 振动方向角， o 。 直线振动筛的振动频率，为 ，一上／匝⋯ o 一2 √丌2 A s i n 艿 、‘7 式中／为激励频率，H z ；g 。为重力加速度，m ／s 2 ；K 为 抛射强度；0 1 为筛面倾角， o ；A 为振幅，m 。 振动筛单位生产量的功率消耗E 一“。为 ． ，v魄。 c A K 。c o s a 厶枨。c o s a Q 2 0 88 5 7 ．6 订3 叼B J I l y C 。C C 。C 。A s i n 6 c o s 6 3 式中，v 为功率消耗，k w ；Q 为振动筛的生产量，∥s ；C 为阻尼系数以为轴承磨擦系数；d 为激振器轴直径， m ；卵为传动系数；B 为筛面宽度，m ；h 为筛面上物料层 厚度，m ；y 为物料松散密度，L ／m 3 ；c 。为筛面倾角对平 均速度的影响系数；C 。为物料厚度影响系数；c 。为物 料形状影响系数；C 。为滑行运动影响系数。 2 振动筛结构参数优化与仿真分析 常规的设计方法往往只是根据理论公式和经验进 行设计，一般很难同时考虑诸多因素，设计周期较长， 需要反复多次验证，而且设计的可靠性和合理性不够 强。为此利用M a t l a b 与A N s Y s 对振动筛的运动参数 和结构进行优化，提高振动筛工作效率，延长使用寿 命，降低经济成本。 2 ．1 结构参数优化 振动筛动力学参数对筛分工艺有重要影响，根据 实际生产对振动筛高生产效率与低动力消耗的基本要 求，以单位生产量的功率消耗最小为目标，对其基本设 计参数进行优化设计【_ 卜8 | 。针对式 3 ，利用已知设 计条件直线振动筛的振动方向角6 为3 0 0 一6 5 0 ，振幅 A 取3 6m m ，抛射强度K 。 通常取2 ．5 4 。筛面倾角 a 通常取一1 0 。一 1 0 。，建立直线振动筛的优化设计 数学模型，利用M a t l a b 进行编程优化设计。式 3 中 各项参数计算如表l 所示，初始条件与优化结果见 表2 。 表l 振动筛相关参数 表2参数初始条件及优化结果 由表2 可见，优化设计得到的单位生产量功率消 耗较常规设计有明显下降，降低了约3 6 ％。由此可 见，采用优化设计方法可使振动筛的单位功率生产量 有较大提高，有效实现{ 了能，经济效益相当明显。 经过优化结果值与初始设计值比较发现振动方 向角6 减小，倾角a 增大，振幅A 也增大。振动方向角 6 减小，物料每次抛掷、前进的距离越远，物料通过筛 面的时间越快，处理能力高；倾角a 增大，将增加筛上 物料的抛掷强度，从而物料在筛面上向前的运动速度 加快，使振动筛处理量提高。同时振幅A 增大，筛孔 堵塞现象将大大减少，有利于物料的分层，提高了筛面 的实际使用效率，从而提高使用效率。 2 ．2 可靠性分析与结构强度优化 固有频率是机械系统固有的振动特性，振动筛工作 时的工作频率要远离其固有频率，防止产生共振而影响 振动筛工作可靠性。利用A N S Y S 模态对该振动筛固有 频率和振型进行分析，验证固有频率是否远离工作频 率，避免产生共振pJ 。采用S 0 l i d w o r k s 三维设计软件建 立振动筛模型，转化为木～_ t 文件格式导人到A N s Y S 中，对于筛框的侧板采用壳单元s h e l l9 9 ，各横梁与加强 梁采用梁单元b e 踟1 8 9 ，偏心轮的质量采用质量单元 m a s s2 1 。通过定义材料属性、网络划分和施加载荷，使 用B l o c kI 丑n c z o s 法进行求解，得出z K B l 8 2 5 型直线振 动筛的各阶频率和振型0 l 。其有限元分析模型如图2 所示，各阶频率伍如表3 所示。利用式 2 求得振动筛 的工作频率为1 3 ．0 6 6H z 约为7 8 0r ／I I l i n ，位于第3 阶 与第4 阶频率之间，相差分别约在1 0 0 ％以上，能够有 效避开共振区，使振动筛工作可靠。 图2 有限元分析模型 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 表3 振动筛l 一1 5 阶固有频率 阶数频率／H z阶数频率／H z阶数频率／H z l0 ．0 0 0 2 6 466 4 ．1 2 51 11 4 6 ．3 6 20 ．0 7 0 l78 0 ．3 0 21 21 4 7 ．6 9 3O ．5 1 688 6 ．6 2 l1 31 6 1 ．】8 43 2 ．4 7 799 3 ．7 5 51 41 8 5 ．4 8 53 7 ．8 4 51 01 0 3 ．8 41 51 8 7 ．2 3 振动筛的第3 与第4 阶振型如图3 和图4 所示， 第3 阶主要表现为由整体沿纵向的错动，第4 阶振型 主要表现为筛体的整体扭转振动。 图3 振动筛第3 阶振型 图4 振动筛第4 阶振型 振动筛稳态工作时承受随时间按正弦规律变化的 激振力，通过谐响应分析确定结构在承受随时问按正 弦规律变化的载荷时的稳态响应。每个激振块的激振 力大小为3 2 ．7k N ，利用A N S Y S 采用模态叠加法对其 进行谐响应分析，得到振动筛在稳态工作频率下的应 ／J 分布情况，如图5 所示。从图5 可得到应力过大可 能出现危险或者强度不够的部位，在主梁、加强梁、伸 出梁头与侧板连接处，应力值达到了4 5 6M P a ，超过了 振动筛结构采用材料Q 2 3 5 A 的许用应力值【[ 盯] 等 竽．9 2 M P a 其中材料Q 2 3 5 A 强度极限为 3 7 5 4 6 0M P a ，安全系数s 。为3 9 此处取5 1 。故 此在该部位采用连接法兰，并增加加强筋，以提高强 度，防止强度不够或出现危险。其他部位的应力都在 5 0 ．7M P a 以下，满足强度要求。 图5 应力分布图 2 ．3 弹簧的优化设计 振动筛在启动和停止过程中，都会经过共振区，其 振幅将会急速加大，致使筛子产生大幅度的振摆。对 式 2 进行变化得出振幅与工作频率之间的关系为 A 黔焉 ㈤ 可2 1 T 2 s i 晒 、。 根据已知参数的大小，代入式 4 求得振幅与工 作频率之间的关系为A 坠磐。利用M a t l a b 软件绘 1 制出振幅与工作频率曲线关系如图6 所示。从图6 可 以看出，当工作频率低于1 0H z 时，振动幅度急剧增 加，可能会引起筛箱与橡胶弹簧之间产生较大的冲击。 这种反复冲击将筛框产生形变并使橡胶弹簧失效，影 响振动筛的工作可靠性，降低使用寿命。为延长振动 筛的使用寿命，改用4 根金属弹簧进行支撑，金属弹簧 的丝径d 0 为2 8m m ，外径J D 为2 5 0m m 。 1 ．O 0 ．9 0 ．S 0 ．7 皇o ．6 粤0 - 5 擎0 ．4 0 J o ．2 o ．1 O 频率／l h 图6 振幅与工作频率曲线关系 万方数据 第5 期刘辉等z K B 型直线振动筛优化设计与仿真分析 5 3 3 结语 针对筛分设备存在的生产效率不高、强度低、使用 寿命短、噪声大、共振振幅大等问题，通过振动动力学 理论分析研究，利用M a t l a b 与A N s Y s 进行优化与仿 真分析，对振动筛结构参数进行了进一步设计优化，从 而提高了振动筛生产效率、降低动力消耗，通过有效避 开共振区，提高振动筛使用可靠性并延长其使用寿命。 采用M a t I a b 与A N S Y S 进行优化与仿真分析，有效减 少了物理样机的数量与试机次数，缩短了产品开发周 期，为振动筛的设计提供了一种有效的设计思路与 方法。 参考文献 [ 1 ] 段志善，郭宝良我国振动筛分设备的现状与发展方向[ J ] ．矿 山机械，2 0 0 9 。3 7 4 1 4 ． [ 2 ] 赵环帅，王振年．国内外高频振动筛的现状与发展趋势[ J ] ．金 属矿山，2 0 0 9 1 1 1 0 5 1 6 1 ， [ 3 ] 郭年琴，匡永江．振动筛国内外研究现状及发展[ J ] ．世界有色 金属，2 0 0 9 5 2 6 2 7 ． [ 4 ] 刘习军，贾启芬．工程振动理论与测试技术[ M ] ．北京高等教育 出版社，2 0 0 4 ． [ 5 ]张建勋，王辉，周明，等．z K B 2 4 6 0 直线振动筛的设计[ J ] ． 煤矿机械，2 0 0 2 1 2 1 6 1 8 ． [ 6 ] 张翠萍，魏少强，郭勤淘，等．振动筛设计规范[ M ] ．北京机械工 业部机械标准化研究所，1 9 9 9 ． [ 7 ]任玉杰．数值分析及其M A T L A B 实现[ M ] ．北京高等教育出版 社．2 0 0 7 ． [ 8 ]杨善国．基于M A T I A B 的直线振动筛优化设计[ J ] ．煤矿机械， 2 0 0 5 5 6 7 ． [ 9 ] 盛和太，喻海良，范训益，等．A N s Y s 有限元原理与工程应用实例 大全[ M ] ．北京清华大学出版社，2 0 0 6 ． [ I O ]毛会庆．基于有限元法大型直线振动筛动态性能的分析[ D ] ， 青岛青岛科技大学机电工程学院，2 0 l O ． 上接第4 9 页 [ 1 2 ]何焕华．氧化镍矿处理工艺述评[ J ] ．中国有色冶金，2 0 0 4 6 1 2 一1 5 ． [ 1 3 ]陈景友，谭巨明．采用红土镍矿及电炉生产镍铁晶粒技术探讨 [ J ] ．铁合金，2 0 0 8 3 1 3 一1 5 ． [ 1 4 ] 李建华，程威，肖志海．红土镍矿处理工艺综述[ J ] ．湿法冶 金，2 0 0 4 ，2 3 4 1 9 1 1 9 2 ． [ 1 5 ]范兴祥，汪云华，顾华祥，等．一种转底炉一电炉联合法处理红土 镍矿生产镍铁晶粒方法中国，z L2 0 0 6 1 0 1 6 3 8 3 4 ．x [ P ] ． [ 1 6 ]汪云华，范兴祥，顾华祥，等．不同类型红土镍矿的还原- 磨选处 理方法中国，z L2 0 0 6 1 0 1 6 3 8 3 1 ．6 [ P ] ． [ 1 7 ]范兴祥，汪云华，顾华祥，等．一种转底炉快速还原含碳红土镍矿 球团富集镍的方法中国，z L2 0 0 6 1 0 1 6 3 8 3 2 ．0 [ P ] ． [ 1 8 ] 汪云华、范兴祥、关晓伟，等．一种从红土镍矿中富集镍及联产铁 红的方法中国，2 0 0 8 1 0 0 5 8 0 8 2 ．x [ P ] ． [ 1 9 w a n gY u n - h u a ，F a nx i n g - x i a n g ．Ap m c e s sf o rc o n c e n t r a c i o no fn i c k e l a n dj o i mp r o d u c t i o no fi r 。nf e df r o mn i c k e ll a t e r i t e C h i n a ， 2 0 0 8 2 3 7 5 6 9 『P ] ． 万方数据