基于有限元法的矿用振动筛箱体可靠度分析

李玉梅  蒋立军

（宜兴高等职业技术学校    214206）

摘要：随着经济的发展，对采矿挖掘及其产品加工企业提出了新要求，迫使其要不断地应用新技术或对原有技术进行改造与升级。其中最为突出的就是对于现有矿用机械装备的合理利用和改造^[1]。振动筛是一种典型而且关键的煤矿机械装备，其主要功能是对矿石进行筛选、分离与细分。本文通过运用有限元分析软件ANSYS，对矿用振动筛筛箱的可靠度进行分析。通过建立矿用振动筛的有限元模型，实现应力计算分析，并结合可靠度指标，对矿用振动筛的结构可靠度进行评价。

关键词：矿用振动筛箱体；可靠度；有限元法

基于有限元法的矿用振动筛箱体模型构建

1、矿用振动筛箱体材料属性

通过参考相关的矿用振动筛的设计手册以及相关的设计资料，矿用振动筛筛箱的主要材料选用Q235钢，其密度选取为7.8×10³ kg/m³ ，Q235钢的弹性模量选取为2.06×10¹¹ MPa，泊松比取值为0.3。

2、矿用振动筛箱体各构件的处理

（1）筛框

对于矿用振动筛的筛框的模型进行处理中，通过分析其侧板的结构特征，可以知道它是通过加强梁以及相关的横梁进行连接的^[2]。因为法兰盘的加强筋对于整体振动性的影响非常的小。所以为了提高模型求解的运算速度,忽略矿用振动筛侧板上加强筋模型的建立。

（2）激振器的处理

矿用振动筛振动时的动力源于激振器振动的作用，而激振力的来源则由于激振器的偏心块产生的。这两个偏心块具有相同的物理参量，通过两个偏心块等速的、反向的运动，来产生振动的作用。在本文建立的矿用振动筛有限元模型中，激振器以及激振器上的偏心轮，都采用质量单元的模型进行相应的考虑，以便于有限元模型的建立以及后期的求解运算。

3、矿用振动筛箱体单元的选取

（1）壳单元

在力学结构分析理论中，壳单元是经常被选用的有限元模型单元之一^[3]。壳单元可以对于薄壁件进行更好的网格的划分，其常用的单元的类型有：Shell99，She1163，She1193等，在本文的研究过程中选用Shell99来进行研究分析。在壳单元99的类型中，含有中间节点，而每个中间节点之中又具有6个自由度。采用这种壳单元的类型进行分析，可以计算出模型的弯曲的能力，以及相应模型的平面所承载的载荷的大小，以及各种附加载荷的作用情况及状态。而且采用这种类型的壳单元来进行模型单元的划分，应保证其求解运算的精度。

（2）梁单元

在矿用振动筛的结构中，包含了相应的横梁单元。梁单元分析主要类型有Beam188和Beam189。因为上述的分析中采用了壳单元的99类型进行划分，所以这里的梁单元就采用Beam189类型进行梁的划分，这样就可以保证其划分的梁单元与壳单元的之间的一致性。此外，Beam189是一种三维的二次单元，其每个单元中也包括有中间节点，并且每个节点之间含有六个自由度。所以，这种类型的梁单元的选用，有利于对矿用振动筛的不同特性进行分析。

（3）质量单元

对于矿用振动筛的激振器中的偏心轮的模拟，可以选用有限元分析软件提供的质量单元Mass21来实现，其质量单元也是具有六个自由度，并且可以对于不同的坐标的方向来进行质量以及惯性量的定义。

（4）弹簧-阻尼单元

在矿用振动筛的振动体系中，振动阻尼系统的模拟的单元采用Combinel4。Combinel4单元可以较好的模拟出阻尼的刚度以及强度的状态情况，更好地帮助有限元模型，进行矿用振动筛的分析。

4、矿用振动筛箱体有限元构建前处理

在ANSYS软件中建立矿用振动筛有限元模型，以及在划分相应的网格之前，要对于前面分析的不同单元的类型的实际数量进行确定，才能保证模型的计算精度。下表1所示，为矿用振动筛筛箱的不同材料的实常数。

表1 （略）

利用ANSYS有限元分析软件，进行矿用振动筛的有限元模型的建立。并采用上述的Shell99单元、Beam189单元、Mass21单元、Combine14单元等，分别对矿用振动筛的相应结构，进行网络单元划分，划分结果如下图1所示。

图1  矿用振动筛的有限元模型（略）

经过上述对于矿用振动筛的有限元模型的网格的划分后，可以得到1822个She1199单元、796个Beam189单元、12个Combine单元以及4个Mass21单元。随后进行的矿用振动筛的可靠度分析，就是基于上述的有限元网格划分模型进行的。如表2所示

表2   前13阶固有频率及振型情况（略）

通过上述的步骤进行矿用振动筛的固有频率以及工作频率的分析研究，可以得到表3中所反应的情况。通过分析该表，可以知道矿用振动筛的第七、八、九、十阶的固有频率，与工作频率最为接近，也是最容易出现共振现象的阶段。                       

表3   固有频率与工作频率对比分析表（略）

由表3可以知道，第七与第八阶的固有频率值与工作频率值相近，相差度只有16.3%和14.5%左右。但这个工作频率，还是接近其设定的下限值，所以这两个阶的频率可以近似化为矿用振动筛的工作频率，来进行相应的计算与研究。运用有限元分析软件ANSYS，对这两个阶的振型进行深入的研究与分析。矿用振动筛筛箱七阶振型模态的有限元分析结果如图2所示，矿用振动筛筛箱八阶振型模态的有限元分析结果如图3所示。

图2 矿用振动筛筛箱有限元分析七阶振型模态（略）

图3 矿用振动筛筛箱有限元分析八阶振型模态（略）

通过上面的矿用振动筛筛箱有限元的应力分布模态图分析结果可以知道，其七阶的振动模态中，矿用振动筛筛箱整体发生扭转的振动形式，而八阶的振动模态中，出现了矿用振动筛的筛箱的纵向错动的形式，使得侧板部分形成一阶的振动。因此，可以在矿用振动筛筛箱侧板上设计加强筋来保证侧板的工作强度，并且优化其固有频率来抵抗工作频率^[4]。

本文运用了有限元的分析方法的相关理论，以及方法技术体系的研究，对于矿用振动筛的模态进行了分析，研究了其内部的固有频率与工作频率之间的关系，并且进一步对于矿用振动筛的可靠度的指标体系进行研究探讨，设定了相应的可靠度指标的配比度，并且结合相关的实际的工作的情况对于可靠度问题的进行处理。