振动筛关键部件的动态分析及裂纹诊断.pdf

中图分类号TD452学校代码10081 UDC密级公开 硕硕士士学学位位论论文文 振动筛关键部件的动态分析及裂纹诊断振动筛关键部件的动态分析及裂纹诊断 论文作者闫小锋 学生类别专业型 学科专业机械工程 学位类别工程硕士 指导教师冯立艳 教授 企业导师于忠安 唐山唐山华北理工大学华北理工大学 年年月月 Dynamic analysis and crack diagnosis of key parts of vibrating screen Dissertation ted to North China University of Science and Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Engineering（（ME）） by Yan Xiaofeng Mechanical Engineering Supervisor Feng Liyan Yu Zhongan March, 2020 独创性说明 本人郑重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，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得华北理工大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材 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做了 明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名日期年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论 文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、 检索和交流。 作者和导师同意论文公开及网上交流的时间 □ 自授予学位之日起 □ 自年月日起 作者签名导师签名 签字日期年月日签字日期年月日 摘要 - I - 摘要 振动筛是利用振动来筛选矿石、煤炭等的机械设备，主要用来过滤杂质、粒度 分级。本文研究的 LF1850D 直线振动筛具有噪音较低、筛分效率高等优点，在采 矿、煤炭等行业得到广泛的应用，由于振动筛在工作时振动强度大、工作环境恶 劣、整个筛体长期受集中的动应力作用，导致振动筛频频发生轴承损坏、筛帮开裂 以及大梁断裂等故障。其中，大梁断裂是振动筛最致命的故障之一。故本文以直线 振动筛为研究对象，就如何避免共振、大梁裂纹的诊断、关键部件的变形等进行研 究。 对直线振动筛进行有限元建模，并且在振动筛大梁上添加预制裂纹，利用裂纹 扩展特性进行分析，分析其裂纹损伤程度与剩余寿命的关系，然后对振动筛的下连 接梁、上连接梁、侧帮、筛框等关键部件进行了模态分析，得出其前十阶固有频 率，发现侧帮和筛框某一阶固有频率比较接近振筛的工作频率，并以筛框为例利用 谐响应分析验证了改进后的效果。 利用虚拟样机技术对振动筛横梁等部件进行变形试验测试，试验结果证明通过 模态频率变化可以判断出振动筛大梁是否存在裂纹。 本研究为保证振动筛的安全稳定、高效运行提供了重要的理论依据和重要参 考，对企业在振动筛选型、故障检测、根据生产实际进行局部改进等方面具有真正 的指导意义。 图 45 幅；表 10 个；参 61 篇。 关键词关键词振动筛；有限元分析；模态分析；振动测试 分类号分类号TD452 华北理工大学硕士学位论文 - I - Abstract Vibrating screen is a kind of mechanical equipment which uses vibration to screen ore, coal and so on. It is mainly used to filter impurities and size classification. The lf1850d linear vibrating screen studied in this paper has the advantages of low noise and high screening efficiency, and has been widely used in mining, coal and other industries. Due to the large vibration intensity, bad working environment and the concentrated dynamic stress on the whole screen body for a long time, the bearing damage, screen side cracking and girder fracture and other faults occur frequently. Among them, girder fracture is one of the most fatal failures of vibrating screen. Therefore, this paper takes the linear vibrating screen as the research object, and studies how to avoid resonance, diagnosis of girder crack, deation of key components, etc. The linear vibrating screen is modeled by finite element , and a prefabricated crack is added to the main beam of the vibrating screen. The crack propagation characteristics are used to analyze the relationship between the damage degree of the crack and the remaining life. Then the modal analysis of the key components of the vibrating screen, such as the lower connecting beam, the upper connecting beam, the side wall and the screen frame, is carried out. The first ten natural frequencies are obtained, and a certain side wall and screen frame are found The order natural frequency is close to the excitation frequency of the vibrating screen, and the improved effect is verified by the harmonic response analysis of the screen frame. The virtual prototype technology is used to test the deation of the shaker beam and other components. The test results show that the crack of the shaker beam can be judged by the change of modal frequency. This study provides an important theoretical basis and important reference for ensuring the safe, stable and efficient operation of the shale shaker, and has a real guiding significance for enterprises in the aspects of vibration screening, fault detection, and local improvement according to the actual production. Figure45; Table 10; Reference 61 Key words Vibrating screen, finite element analysis, modal analysis, vibration test Chinese books catalog TD452 目次 -Ⅲ- 目次 第 1 章 绪论............................................................................................................. - 5 - 1.1 课题研究背景及意义................................................................................ - 5 - 1.2 国内外研究现状和发展趋势.................................................................... - 7 - 1.2.1 振动筛简介..................................................................................... - 7 - 1.2.2 振动筛故障诊断技术国内外研究现状......................................... - 7 - 1.3 研究内容.................................................................................................... - 9 - 1.4 论文结构安排.......................................................................................... - 10 - 第 2 章 振动筛的工作原理及动力学分析........................................................... - 11 - 2.1 直线振动筛的结构组成.......................................................................... - 11 - 2.1.1 直线振动筛工作原理................................................................... - 11 - 2.1.2 直线振动筛的振动扰力............................................................... - 12 - 2.2 直线振动筛筛面上物料的运动分析...................................................... - 13 - 2.3 振动筛工艺参数选择.............................................................................. - 14 - 2.4 振动筛的动力学分析及参数计算.......................................................... - 16 - 2.4.1 振动筛的动力学分析................................................................... - 16 - 2.4.2 振动筛的动力学参数计算........................................................... - 18 - 2.5 本章小结.................................................................................................. - 20 - 第 3 章 振动筛有限元模型及大梁裂纹扩展特性分析....................................... - 22 - 3.1 基于有限元的动力学分析基本理论...................................................... - 22 - 3.1.1 动力学基本方程的有限元描述.................................................... - 22 - 3.1.2 激振频率与特征值问题............................................................... - 23 - 3.2 有限元模型建立及相关问题处理.......................................................... - 24 - 3.2.1 有限元建模需要考虑的问题....................................................... - 24 - 3.2.2 相关问题的处理........................................................................... - 25 - 3.3 振动筛大梁裂纹扩展特性研究.............................................................. - 27 - 3.3.1 扩展有限元（XFEM）基本理论................................................- 27 - 3.3.2 裂纹扩展理论................................................................................ - 28 - 3.3.3 直线振动筛大梁裂纹扩展速率影响因素研究........................... - 31 - 3.4 本章小结.................................................................................................. - 36 - 第 4 章 振动筛关键部件模态分析....................................................................... - 38 - 华北理工大学硕士学位论文 -Ⅵ- 4.1 模态分析概述.......................................................................................... - 38 - 4.1.1 直线振动筛关键部件的模态分析............................................... - 39 - 4.1.2 振动筛结构改进........................................................................... - 47 - 4.2 振动筛横梁的应力分析.......................................................................... - 49 - 4.3 振动筛的谐响应分析.............................................................................. - 53 - 4.4 本章小结.................................................................................................. - 55 - 第 5 章 振动筛局部损伤检测实验....................................................................... - 56 - 5.1 试验方式选择.......................................................................................... - 56 - 5.2 实验系统的组成...................................................................................... - 57 - 5.3 实验过程.................................................................................................. - 58 - 5.4 实验数据分析.......................................................................................... - 58 - 5.5 实验结论.................................................................................................. - 59 - 5.6 本章小结.................................................................................................. - 60 - 第 6 章 结论........................................................................................................... - 61 - 6.1 总结.......................................................................................................... - 61 - 6.2 展望.......................................................................................................... - 61 - 参考文献................................................................................................................. - 62 - 致谢..................................................................................................................... - 66 - 在学期间研究成果................................................................................................. - 67 - 第 1 章 绪论 - 5 - 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 振动筛是一种利用振动来筛选矿石等材料的机械设备，它广泛应用在化工、 食品、医药、冶金、建材等行业领域[1]。它的主要作用就是过滤杂质、粒度分级。 直线振动筛具有操作简便，噪音较低、筛分效率高的优点，目前在我国矿山企业有 着良好的应用。但就目前的使用情况来说，直线振动筛的安全稳定高效运行是各企 业关注的重中之重。振动筛在工作时振动强度大、工作环境恶劣、长期受物料的冲 击、整个筛体长期受动应力作用十分集中，导致振动筛故障频发[2]，经常产生的故 障问题有轴承损坏，筛帮开裂以及连接横梁和大梁断裂等，本文研究的直线振动筛 （见图 1）就是某矿山易发生类似故障的案例之一，其中，大梁断裂是振动筛目前 存在的主要故障之一，也是对于振动筛来说最致命的故障之一，现阶段，我国对于 振动机械的故障检测方面与发达国家存在着较大差距，我国主要采取人工进行检 测，这种检测方法效率低，检测时间长，另外，还会耗费更多的人力和物力，最终 检测的效果不理想[3-5]。在矿山选料行业中振动筛多应用于流水线的作业中，其可 靠性直接关系到整条生产工艺的正常高效运行[6]。如果不及时有效的维护现场，很 容易造成振动筛的损坏[7]。而在断裂之前，一般会先出现裂纹，所以在开始产生裂 纹以及裂纹的发展过程中，必须要采取及时有效的手段进行维护，从根本上避免发 生振动筛大梁断裂失效事故。 因此，本文主要针对直线振动筛大梁出现轻微损伤后进行后续研究，为企业 提供实际指导作用，以及对其他关键部件如何避免产生共振、变形等故障进行研究 并进行结构改进。本文运用有限元分析技术进行裂纹扩展特性研究，对其他关键部 件进行模态分析，根据分析结果进行局部结构改进，并在振动筛的模态振型的基础 上，进一步确定在线测试横梁、筛帮损伤实验中，安装加速度传感器的对应位置， 分析在线测试实验数据，确定关键部件产生裂纹或变形的判断依据。本文研究的直 线振动筛情况如图 1 所示 华北理工大学硕士学位论文 - 6 - aLF1850D 直线振动筛 b振动筛侧板裂纹 c振动筛横梁裂纹 图 1LF1850D 振动筛现场情况 第 1 章 绪论 - 7 - 1.2 国内外研究现状和发展趋势 1.2.1 振动筛简介 振动筛是工矿企业比较常用的一种机械设备，它主要是利用振动的多孔筛 面，将粒径大小不同的物料按粒度进行分级。它一般安装在给料机、皮带机等设备 的下边，给料机或皮带机应均匀地供料。振动筛种类繁多，一般有以下几类。 1）惯性振动筛 惯性振动筛是具有偏心重的飞轮（激振器）旋转使筛子获得惯性力振动进行筛 分的设备，现在惯性振动筛由于性能较好，结构、维护方式都比较简单，因此这种 振动筛被广泛应用在金属矿山或非金属矿山企业中，它根据筛上物料的运动轨迹又 分为圆振筛和直线振动筛。 2）共振筛 共振筛是一种筛面的振动频率与筛面包含装载的物料的固有振动频率一致的 振动筛，它利用偏心轴的旋转带动橡胶弹簧，使筛分机产生振动而工作。由于筛体 工作时处于共振状态，机械部件（如支撑弹簧、激振弹簧和箱板等）的运动幅度和 工作强度都比较大，所以磨损消耗特别厉害。另外共振筛在安装上要求高，技术复 杂，所以这种振动筛发展缓慢，应用也较少。 3）其他类型的振动筛 为适应不同的工况条件，不同的市场需求，出现了其他一些特殊类型的振动 筛，例如可用于煤炭、焦炭、矿石、砂或其他物料的中、小颗粒干湿式分级的等厚 振筛、还有能将物料快速筛分的概率振筛等。 1.2.2 振动筛故障诊断技术国内外研究现状 振动筛机械是一种利用振动而产生动力的工作设备，它工作时受到了许多因素 的影响，这些因素会导致机械在运转过程中出现故障，其中，主要的故障影响点在 于环境问题以及工作强度等问题，这些故障如果能够解决，那么它对于整个机械的 安全运转来说具有重要意义[8]。 关于振动筛机械的运转故障检测，以往主要靠人工检测的方法对机械进行故障 检测，浪费人力和时间，而如今，利用电子计算机就可以进行实时监控，从而提高 了检测质量和效率；目前在我国有许多专家学者对这种检测方法进行研究，主要集 中在高校研究生工作站中，比如东北大学，大连理工大学等高校。现在的振动筛机 械故障检测方法相比原有的人工故障检测方法而言，它是一种利用软件检测的方式 华北理工大学硕士学位论文 - 8 - 进行故障检测[9]。其中，对于振动筛方面的检测，主要可以依靠振动运行模式与正 常参数进行对比，从而发现异常数据，当数据出现异常时，表明该设备出现了故 障，需要维修。 1 国外研究现状 国外的一些发达国家在筛分机械方面研究的比较早，最早在 16 世纪时，就有 学者对此进行了专项研究，当此技术真正应用时，意义十分可观[10-12]，它解放了人 们的双手。在欧洲进行工业革命时，这种技术就被广泛的应用在了工业革命所使用 的大型机械中，为当时的欧洲工业发展做出重要贡献[13]。在新时代来临时，筛分 机械的相关技术已经非常发达，许多专家学者都对此进行了深入研究。比如，德国 的申克公司，可制造出多达 260 种形式各异的筛分机械设备；日本神钢集团在原有 的筛选机械基础上，开发了一种高级筛分机械，这种机械的筛分面积得到了进一步 的强化，因此，该类机械的筛选能力较传统的筛选机械来说有着重大提高；在美国 的 AC 公司在筛分机械方面的研究也比较早，他们研究的成果在于研究了一种新 型的重型筛分机械，虽然这种机械属于重型机械，但是筛分能力非常强，不弱于传 统的筛分机械[14]。 Chen和Garba针对大型空间结构的损伤识别工作，首次提出模态应变能的方 法，并且基于损伤前后模态应变能的变化构建损伤指标，完成损伤识别。采用实验 方法进行模态应变能识别研究的较多，Stubbs和Kim以及史治宇等人均研究了结构 模态应变能的变化作为评价指标，并且通过实验验证的方法证实了该方法在损伤检 测中的优异性。2002 年Bernal提出的损伤定位向量法（DLV），以及在此基础上 2006 年进一步提出的随机激励下的损伤定位向量法（SDLV），这两种方法的提出 对于损伤识别的工程应用具有较大的价值；Gao等基于DLV的方法，采用实验方 法，通过搭建实验室模型测试数据验证了该方法的有效性。 2）国内研究现状 国内真正的工业大起步是在建国以后，因此，我国在筛分机械方面的起步与发 达国家相比比较晚，我国在筛分机械制造方面，主要经历了了仿制、自行研制和提 高三个阶段。虽然起步晚，但随着我国矿山机械行业近几年的快速发展，国内的企 业对振动筛分技术的研究越来越重视，不断进行自主研发创新，同时从国外引进最 新的技术，国内振动筛与国外振动筛的技术差距越来越小。 太原理工大学郑渝分别对振动筛下横梁在近自由状态和约束状态下的基本振动 特性进行研究，并对下横梁在不同程度缺陷情况下的模态频率和频响函数的变化规 律进行了理论推导，分别得到模态频率的漂移与损伤长度之间关系的近似经验公式 第 1 章 绪论 - 9 - 以及频响函数幅值的变化与损伤程度关系的近似经验公式[15]。文献[16]采用超声与 低频涡流相结合的方法，通过理论分析其可行性，进行相应的实验，测试得出了裂 纹大小与超声回波幅度和低频涡流幅值之间对应关系。文献[17]针对目前现有检测 方法都很难检测具有较厚包覆层的铁磁性材料裂纹的现状，提出采用低频涡流检测 方法。结合大梁检测的现场实际环境，运用 COMSOL 软件仿真得到 7mm 包覆层 厚度下涡流强度随着频率改变的变化趋势。还进行相应的实验研究，得出了 7mm 包覆层下不同大小裂纹的检测频率与幅值和相位之间的关系，进而确定了低频涡流 的最佳检测频率，从而为振动筛大梁裂纹现场检测提供参考[18]。从以上查阅的文 献情况来看，目前结合振动筛现场实际工况，基于振动检测方法的研究及针对振动 筛大梁裂纹的检测在国内外研究较少，成熟的理论研究及现场应用更是未见有报 道。 振动筛的组成主要包括激振器、 运行电机、 筛选架构以及筛选下方的弹簧组 成[19]。当上述部分任何一个地点发生问题时，都有可能对整合机器运行系统造成 影响。但是目前，对于弹簧故障方面的检测，大多数国家仍然停留在故障发生后进 行停机检修，这种模式不利于目前快速发展的生产力[20]。在实时监控控制上，也 发生了一些转变，传统的是由人工进行监视，因此，只要机器在正常运转，就需要 有人值守，这样比较浪费时间，而目前，这种模式已经转变为了自动化检测系统， 全程依靠计算机的支持，当机器出现问题时，能够及时进行问题预警[21]。振动筛 是一种利用振动从而对一些物品进行筛选的机械，因此在对其进行监控时，运用到 多种技术普通工作检测技术、声控检测、温度控制和振动反馈检测等方面[22]。 在进行监测参数设定时，对每个振动筛进行具体问题具体分析，防止由于兼容 性不好而导致参数设定与现实不符的情况。在进行故障诊断时，由于现在已经从传 统的人工检测转为了自动化的计算机检测模式，因此，目前，故障检测只需要在计 算机中编写相关程序，将参数直接录入即可，大大缩短了时间，这也是以后在故障 检测方面的主要发展方向[23-25]。 1.3 研究内容 根据现有的振动筛大梁裂纹故障诊断分析的经验和资料，通过有限元分析，找 到一种适用于振动筛大梁裂纹故障诊断的方法，得到完整的能够分析振动筛横梁疲 劳寿命和剩余寿命的方法并运用该方法对直线振动筛下横梁进行疲劳寿命分析，计 算横梁在理想状态和近似实际工作条件下的疲劳寿命，并对现场已经产生裂纹的横 梁进行了剩余寿命估算。 华北理工大学硕士学位论文 - 10 - 主要研究内容如下 1）对直线振动筛的结构原理进行研究，并对振动筛的工艺参数进行选择，对 振动筛动力学进行分析，尤其对参振质量、弹簧刚度的计算。 2）利用有限元扩展理论进行大梁裂纹扩展分析，在电脑软件中建立大梁简化 模型，并根据实际情况在大梁中间易断区添加预制裂纹，然后施加载荷进行裂纹扩 展分析，最后分析出裂纹扩展尺寸与剩余寿命的关系。 3）对振动筛的下连接梁、上连接梁、侧帮、筛框等关键部件进行了模态分 析，分析各关键部件的固有频率与工作频率的关系，对比较接近的部件进行改进， 并以谐响应分析验证改进后的效果。 4）根据虚拟样机技术对振动筛横梁进行故障诊断，通过分析振动筛横梁的模 态频率，通过模态频率的前后对比判断其是否存在裂纹。 1.4 论文结构安排 本论文结构安排如下 第一章绪论，重点阐述了振动筛在一些行业中的使用情况以及使用中普遍存 在的主要问题，同时，对国内外关于振动筛结构方面的研究情况进行了阐述。 第二章对振动筛的工作原理进行了介绍，对直线振动筛进行动力学分析及参 数计算。 第三章主要内容为振动筛有限元模型及大梁裂纹扩展特性分析，主要包括基 于有限元的动力学分析基本理论，即动力学基本方程的有限元描述及激振频率与特 征值问题；同时还对有限元模型建立及相关问题处理进行了阐述，并对振动筛大梁 裂纹扩展特性进行了研究包括有限元建模需要考虑的问题、扩展有限元（XFEM） 基本理论、直线振动筛大梁裂纹扩展速率影响因素研究。 第四章对振动筛关键部件进行模态分析，对振动筛的下连接梁、上连接梁、 侧帮、筛框等关键部件进行了模态分析，得出其前十阶固有频率，发现侧帮和筛框 某一阶频率比较接近振筛的固有频率，为避免产生共振，对结构进行局部改进，并 以筛框为例利用谐响应分析验证了改进后的效果。 第五章利用虚拟样机技术对振动筛侧帮、横梁等关键部件进行变形试验测 试，试验结果证明通过模态频率变化可以判断出振动筛大梁是否存在裂纹。 第六章主要对本文研究内容进行了总结，指明以后需要重点研究的方向。 第 2 章 振动筛的工作原理及动力学分析 - 11 - 第 2 章 振动筛的工作原理及动力学分析 2.1 直线振动筛的结构组成 直线振动筛利用振动电机激振作为振动动力来源，使物料在筛网上被抛起，同 时向前作直线运动，物料从给料机均匀地进入筛分机的进料口，通过多层筛网产生 数种规格的筛上物、筛下物、分别从各自的出口排出。它的关键部件主要有筛箱、 筛框、筛网、振动电机、电机台座、减振弹簧、支架等组成。 筛箱是由筛框、筛面及其坚固装置组成的。箱框由侧板和横梁构成。侧板用 6～16mm 厚的钢板制成，栋梁用钢管、槽钢或工字钢制成；可用铆接、焊接或高 强度螺栓等三种方式将它们联接起来，筛网主要采用编制钢丝网或者聚氨酯筛板。 振动电机作为振动筛的振动源，应具有设计合理、结构简单、紧凑、激振效率高、 节能、安装调试方便等优点。振动电机的最大的激振力必须在所选的电机合成激振 力的范围内，然后根据工作频率和最大激振力选择振动电机的功率。减振弹簧阻止 振动传给地面，同时支持筛箱的全部重量，安装时，弹簧必须垂直于地面。支架由 四个支柱和两个槽钢组成，支持着筛箱，安装时支柱必须垂直与地面，两支柱下面 的槽钢应相互平行。直线振动筛结构见图 2 所示。 图 2直线振动筛结构 2.1.1 直线振动筛工作原理 图 3 所示为直线振动筛的工作原理，根据其振动特征，又可以称之为双轴惯性 振动筛[26]。激振器两轴上具有相同的偏心距和偏心质量，且对称存在于 y-y 轴线， 筛箱的质心被 y-y 轴线穿过[27]。如果两轴同步反向回转，此时两轴上的偏心惯性力 在 x 轴方向相互抵消，沿 y-y 方向的分力相互叠加，进而构成单一的 y 方向简谐力 如果筛箱受到简谐力的作用，会被驱动在直线的轨迹上往复振动。如果两个不平衡 华北理工大学硕士学位论文 - 12 - 重的质量运转到图中a和c的位置，此时会出现完全叠加的离心惯性力，则激振 力为最大值；如果转到b和d的位置，惯性呈现反向运转，此时将完全抵消离心 惯性力[28]。因此，激振器正是运用了此种工作原理，使二者在运转方面做到了实 时调节。这种技术在实际的应用中产生了直线振动筛。 直线振动筛属于按照振动轨迹来进行工作的振动筛，具体的工作原理用以下公 式进行表示 tAASsinsin1 式中 S振动筛的位移变化，mm； A振动筛筛面振幅，mm； 振动推动器的运转方向，； 振动推动器的运转速度，rad/s； t用时，s； 图 3直线振动筛的工作示意图 2.1.2 直线振动筛的振动扰力 分析完直线振动筛的工作原理后，进一步确定如何计算振动筛的振动扰力以及 物料的运动方程。相关资料显示，电机的转速 n 为 822r/min，因此可得到单组偏心 轮的激振力幅值   2 00 rwmP（2） 式中 m0单组偏心轮的质量，kg； r偏心轮质心的回转半径，m； w偏心轮的角速度，rad/s；且有fw2。 第 2 章 振动筛的工作原理及动力学分析 - 13 - 图 4 所示为振动扰力，如果偏心轮匀速转动，此时振动扰力将会呈现正弦变化 规律，其方程式为 301 40sin xx FwtPF（3） 3001 50sin50sin yy FwtPwtPF（4） 402 140sin xx FwtPF（5） 402 50sin yy FwtPF（6） 图 4振动扰力分析图 上式中 Fx1、Fx2、Fx3、Fx4、Fy1、