散料器是一种将块状、颗粒及粉状物料均匀连续或定量地给到受料装置中的设备, 一般和振动给料机结合使用, 设置在振动给料机出料口处。散料器已广泛应用于砂石生产线、矿山、建筑和冶金等行业, 基本工作原理为:电机启动后, 呈对称布置的2台相同型号和规格的振动电机或激振器做同步反向运转, 其产生的激振力通过传振体-电机或激振器底座传递到整个振动体-框架和散料机构上, 使散料机构带动散料面做周期性振动, 从而使散料面上的物料随框架体一同做定向运动, 达到使物料均匀散开的目的。

散料器在实际工作过程中, 一方面要承受振动电机交变的激振力, 另一方面承受物料重力和冲击力, 在设计时只考虑其静力学分析而忽视对其进行模态分析, 缺乏了解设备在工作时的动态特性, 从而导致设备在长期持续振动过程中产生共振现象, 易影响设备稳定性甚至发生破坏, 而且影响散料效果。因此有必要对散料器固有频率和振型进行分析, 为其结构优化和可靠性设计提供理论依据。

本文采用Workbench有限元软件对某型号散料器进行模态分析, 得到其前10阶固有频率和振型, 在此基础上进行谐响应分析, 获得散料器在工作过程中应力分布, 为其结构设计提供理论参考。

模态分析是最基本的动力学分析, 也是其他动力学分析的基础, 结构特性包括固有频率和振型。根据动力学建立平衡方程为:

式中:[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;{F (t) }为外部激励列阵;为速度矢量;为加速度矢量。

因为结构固有频率和振型与所受外力{F (t) }无关, 小阻尼对固有频率和振型影响不大, 于是上述方程可简化为:

结构的自由振动为简谐振动, 即位移为正弦函数:

代入式 (2) 得:

式中:{x_i}为各节点的固有振型;ω_i为与其对应的固有频率, 其非零解的条件为:

因此, 模态分析实际上是进行特征值ω和特征向量 ([K]-ω_i²[M]) {x_i}=0的求解。最后进行疲劳分析。

使用CREO3.0建立某型号散料器三维模型, 在不影响计算结果情况下对模型进行合理简化, 简化后三维模型如图1所示。主要由框架、散料机构、振动电机、减震装置等组成。散料器材料属性如表1所示。

将建好的三维模型导入Workbench软件中并按表1设置材料属性, 由于分析整个设备的自由模态, 即只与构件的结构、约束形式、材料特性等有关, 与外界荷载无关。因此采用加约束无预应力模态分析, 未施加任何荷载, 仅在散料器框架底端的4个减震弹簧下表面添加Fixed support, 采用自适应网格划分方法, 网格大小设置为10mm, 网格节点数为189 502个, 单元数为72 015个。

根据动力学理论, 在结构振动过程中起主要作用的是较低阶模态, 固本文只取散料器前10阶固有频率进行分析。有限元模态分析后, 得到散料器前10阶模态固有频率和振型图, 表2给出了散料器前10阶固有频率。

散料器振动电机转速为960r/min, 故其工作频率为16Hz。参考振动筛的设计标准, 设备不发生共振现象必须满足下列条件:

式中:f (i) 为设备第i阶频率;f (0) 为设备工作频率。

由表2可知, 散料器的前10阶固有频率中第6阶和第7阶固有频率最接近工作频率, 其值分别为13.704, 17.754Hz, 分别代入式 (5) 得:

可见散料器不会发生共振现象, 具有较好的动态特性, 结构设计较合理, 满足工作要求。

图2给出了散料器4~9阶振型图, 结合软件动画分析, 散料器各阶振型特征如表3所示。

由图2和表3可知, 前6阶振型为散料器刚体平动和转动, 第7~10阶振型为散料器框架的弹性体振动, 同时, 散料器在最接近工作频率第7阶时, 其变形最大的位置位于散料器框架两侧长梁处。

散料器在正常工作时承受较大的交变激振力, 为了考察散料器在正常工作情况下的振动特性, 在模态分析的基础上, 对散料器进行谐响应分析。

由于散料器激振力频率为16Hz, 因此重点分析散料器在工作频率下的应力分布情况, 如图3所示。散料器框架与抱箍连接处、框架四角连接处应力较大, 最大应力为19.666MPa。由材料力学可知, 机械零件按强度条件判定时, 可采用许用应力法, 即比较截面处的计算应力是否小于零件材料的许用应力, 许用应力为:

式中:S为动应力安全系数, S=1.5~3, 在此取S=2.0;σ_-1为材料的疲劳极限。

散料器框架材料为Q345, σ_-1=247.5MPa, 则[σ_-1]=123.75MPa。散料器最大应力小于其许用应力, 结构强度满足要求。

1) 本文采用ANSYS Workbench对散料器进行模态分析, 得出散料器前10阶固有频率和振型图, 散料器模态分布主要是刚体平动、转动、扭转振动和框架的弹性体振动, 在散料器前10阶散料器框架变形较大。

2) 散料器第6阶和第7阶固有频率接近其工作频率16Hz, 通过分析可知, 散料器在工作过程中不会发生共振现象, 具有较好的动态特性。在模态分析基础上对散料器进行谐响应分析, 在工作频率下, 散料器最大应力为19.666MPa, 分布在散料器框架与抱箍连接处、框架四角连接处, 其值满足强度要求。

3) 通过对散料器振动特性分析, 为其结构的优化设计和类似结构的设计提供理论参考。