（唐山国选精煤有限责任公司 河北唐山 063000）
摘要：目前震动筛筛分潮湿具有易黏连特性的物料，会导致震动筛筛网筛孔堵塞，降低震动筛透筛率，为此提出基于有限元分析的震动筛结构优化设计。分析震动筛结构特点；有限元法分析及模型建立，通过分析有限元法，基于有限元分析建立震动筛有限元模型；震动筛结构优化设计，在有限元分析基础上，确定震动筛结构优化变量，确定加装一个限位固定板在震动筛设备前端，在震动筛设备后端开一条横槽的震动筛结构优化方案。通过实验论证分析，对比本文结构设计与传统结构设计的震动筛筛网透筛率，从而证明本文结构设计的有效性。
关键词：有限元；震动筛；单元网格；结构优化
中图分类号：S816.34文献标识码：A
0引言
筛分作业是目前工业加工过程中，非常重要的一个环节，关系着工业的作业效率[1]。在筛分作业过程中，所使用的震动筛设备是工业作业的重要设备，可以将待筛分物料通过松散、分层、透筛三个步骤使物料分级[2]。但是由于待筛分物料特性不同，具有易粘连特性的待筛分物料，在筛分过程中会粘附在筛丝上，导致震动筛设备堵塞，出现其他特性物料塞选困难甚至无法塞选其他物料的现象，造成震动筛筛选待筛分物料筛分效率下降。因此面对具有易粘连特性的待筛分物料，科研人员将具有易粘连特性的待筛分物料干法深度筛分，提高震动筛的筛分效率，降低震动筛受到具有易粘连特性的待筛分物料的影响，但是目前许多工业需要使用的物料必须具有易粘连特性，因此这个方法不适用所有工业使用，所以面对当前工业震动筛现状，优化震动筛结构具有使用价值和现实意义。
1震动筛结构特点
震动筛设备主要由偏心块、振动电机、弹性元件、机架、筛网、集料槽、筛框、出料口、进料口，支撑座组成。其结构如图1所示。该结构的震动筛弹性结构采用了硬质橡胶，具有震幅小、频率高、噪音小的特点，促使工人的劳动环境得到改善，尤其是震动筛的电机和震动筛框属于直接连接状态，简化了震动筛的结构，方便了工人对震动筛的维修，延长震动筛的使用寿命。而震动筛网有一个5°~15°的倾斜角，物料从进料口进入，会直接顺着震动筛散落，在震动筛震动时，更容易塞选待筛分物料。
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图1 震动筛结构图
2有限元法分析及模型建立
2.1 有限元法分析
有限元法分析震动筛结构，需要将震动筛结构划分为多个有限单元，将复杂的问题拆分，逐一分析震动筛结构[3]。根据震动筛的结构图、工业对震动筛的分离工作效率要求，利用震动筛设备结构原理，对震动筛结构适当清理、简化，实现简化的震动筛结构依然具有原本的作业能力；有限元法分析震动筛需要对震动筛离散化处理，而每个离散化单元又可以分为若干节点；在将震动筛划分单元时，需要考虑单元的节点数、形状、节点自由度数目；有限元的Solid187单元具有的十个节点，其平动自由度在X、Y、Z三个方向每个节点处都有，可以模拟震动筛结构对弹性、塑性、应力等特性的要求，因此选择该单元建立震动筛有限元模型，保证对震动筛分析结果的精确度；在划分单元网格时，对于震动筛设备存在的应力和荷载集中区域以及支撑点位置，应增加网格数目，让有限元法单元分析网格细节化、规律化，并将震动筛相同材料属性合成一体，不同材料进行粘接，划分为最小尺寸100mm的单元网格。根据以上有限元法分析过程，可以建立有限元分析震动筛模型。
2.2 基于有限元分析建立震动筛有限元模型
根据有限元分析震动筛结果，建立X、Z、Y坐标系震动筛刚性区域。主节点选择震动筛的支撑座中心位置的单元节点，从节点选择支撑座外表面单元节点，并将主、从节点连接，从而建立支撑座的刚性区域；建立振动电机刚性区域，主节点选择振动电机中心点，从节点选择侧板与振动电机连接处节点。进而保证主节点可以将约束振动电机传递给筛箱。震动筛在的支撑底座处存在弹性支撑即弹簧，因此设置支撑座中心处的节点作为弹簧的端节点，另一个端节点建立在X、Y负轴方向，两点连接即为弹簧单元。将所有单元点连接，即可建立震动筛有限元模型。
3震动筛结构优化设计
3.1 确定震动筛结构优化变量
根据震动筛结构以及有限元分析结果可知震动筛作业参数，根据有限元划分的震动筛单元网格，将震动筛分为生产量、物料运行平均速度、震动平率、摩擦功率四个部分，因此针对这四个部分计算。
设筛面宽度（m）为
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，筛面物料层厚度（m）为
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，物料运动的平均速度（m/s）为
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，物料松散密度（t/m3）为
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，则震动筛的生产量
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为：
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（1）
设震动筛的角速度（rad/s）为
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，倾角对平均速度的影响系数为
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，物料厚度影响系数为
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，筛箱振幅为
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，物料形状影响系数为
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，滑行运动影响系数为
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，振动方向角为
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，则物料运动平均速度为：
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（2）
设振动频率（Hz）为
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，抛射强度为
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，筛面倾角（°）为
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，振动方向角（°）为
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，则有：
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（3）
设参振质量（kg）为
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，电机转速（rpm）为
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，轴承摩擦系数为
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，激振器轴的直径（m）为
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，则震动筛摩擦消耗功率
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为：
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（4）
设阻尼系数为，则有摩擦消耗功率
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为：
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（5）
设传动效率为
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，联立（4）（5）式，则有震动筛总功率
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为：
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（6）
将（1）（2）（3）（4）（5）（6）式联立，则有震动筛优化目标函数
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：
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（7）
无限元分析震动筛时划分为上述四个单元，在这四个单元中，震动筛抛射强度约束常数为2.5~4，筛箱振幅约束常数为3~6mm，振动方向角约束角为30°~60°，由此可知震动筛抛射强度、筛箱振幅、振动方向角的约束函数为：
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（8）
基于1.1和1.2以及（7）式和（8）式，可以确定震动筛具有3个结构优化设计变量，因此针对这三个设计变量，优化震动筛结构。
3.2 优化震动筛结构方案
针对震动筛的运动形式及参数、筛面材料及结构进行优化。基于（7）式和（8）式，可以发现固定了振动方向角和筛面倾角时，想要震动筛的抛射强度提高，只能增大震动筛的振幅，减小振动电机的振动频率。因此设计如下方案：第一，加装一个限位固定板在震动筛机体前端，避免震动筛筛网震动时产生铅直方向的移动，促使蹄网与固定板碰撞，从而加剧震动筛振动效果，根据物料质量不同，产生分层，避免筛网出现堵孔和黏连的现象。第二，固定筛网的弹簧和螺栓，在震动筛设备后端开一条横槽，可以有效降低震动筛振动噪音，促使震动筛设备运行时，噪音在国家规定的90dB（A）以内。
4 实验论证分析
为保证本文设计的基于有限元分析的震动筛的结构优化方法有效性，进行实验论证分析。针对目前工业筛分物料时，震动筛存在的筛网筛孔堵塞问题，对比本文结构设计与传统结构设计的震动筛筛网透筛率。在本次实验中，采用标准震动筛，在2500r/min的转速下，对玉米粒粉碎至5目~14目粒度级颗粒，其直径约为1.2mm~4mm，并将筛选好的玉米粒分为两组，每组各分20kg，且湿度相同均为10%的玉米粒。实验设备准备风速仪、变频器、电子秤、额定电压380v和额定转速2800r/min的鼓风机。
在实验前，确定两种结构所设计震动筛的入料量，保证台震动筛设备入料量不会超过设备最大负荷；在放物料时，必须使用电子秤称量，确定两台震动筛入料口放入的玉米粒重量一致；筛选过程中，两台设备的气流参数水平一致，且满足实验设计的气流参数水平；实验结束时，要及时关闭震动筛设备，停止实验；最后检查两台震动筛设备的物料透筛率。本次实验需重复5次，采用Origin分析实验结果，其实验结果如图3所示。
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图3 物料透筛率对比图
从图3中可以看出，本文结构设计的震动筛设备透筛率高，且随着实验次数的增加，玉米颗粒透筛稳定，不曾出现筛网筛孔堵塞现象，可以有效筛分玉米粒颗粒；而传统结构设计震动筛设备透筛率偏低，且随着实验次数的增加，玉米颗粒透筛结果波动变化大，存在筛网堵塞现象。由此可见，本文结构设计可以有效筛分玉米粒颗粒，不存在震动筛筛网堵塞情况，可以提高震动筛工作效率。
5结束语
综上所述，目前工业对物料分离使用的都是震动筛设备，可以帮助工业快速作业，但是在筛分物料时，许多物料处于潮湿状态，在使用震动筛设备筛分物料时，其所具有的易黏连特性，会导致震动筛筛网筛孔堵塞，筛网透筛率下降，甚至会出现无法筛分物料情况，因此本文设计优化的震动筛结构具有实用价值和现实意义。但是本文主要针对震动筛透筛率和震动筛噪音现象进行结构设计优化，未调整震动筛气流、物料对震动筛筛箱的冲击作用影响，因此还要不断深入优化设计震动筛结构，让震动筛可以发挥出最大效用。
参考文献：
[1] 费国标.基于FLOTHERM的肋板散热片结构优化设计[J].轻工科技，2020，36（05）：28-29+31.
[2] 高启升，朱兴华，于延凯等.UUV耐压结构多目标优化设计[J].工程设计学报，2020，27（02）：232-238.
[3] 舒赣平，严鑫.某高校体育馆钢结构屋盖设计方案比选与优化[J].建筑结构，2020，50（09）：37-43.