沥青混合料多层振动筛的动力学分析

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【摘要】沥青混合料搅拌设备中的间歇式沥青混合料搅拌设备广泛应用于我国的公路建设中，而振动筛作为间歇式沥青混合料搅拌设备中的核心设备，其筛分效率、筛分精度响到后续公路路面质量。但是，多层直线振动筛的筛分环节还存在着很多问题，这些问题都会严重影响沥青混合料搅拌设备的正常生产，甚至是减少振动筛的使用寿命。本文就沥青混合料多层振动筛的动力学进行分析。

【关键词】沥青混合料；多层振动筛；多层振动筛动力学分析

【分类号】U415.522

0 引言

随着我国工业的飞速发展，公路建设对沥青路面的要求也越来越高，对沥青路面施工中的骨料级配要求也越来越严格。由于一般沥青搅拌设备振动筛是多层的，所以，目前振动筛一般是将双层振动筛和以往的单层振动筛的设计经验套用在多层振动筛上，所以才会出现现有的设计方法和筛分理论不适用多层振动筛。目前，我国还没有一套实用的多层振动筛理论体系，使得多层直线振动筛的筛分效率、筛分精度不稳定，从而影响沥青路面的施工质量。产生早期沥青路面破坏等现象[1]。

1 振动筛工作原理

1.1 惯性振动筛的工作原理

惯性振动筛中都有一个偏心块装置，通过这个偏心块的高速回转产生离心力，使筛体振动，让筛面上的骨料松散，从而使骨料按级配要求筛分。由于惯性振动筛的性能好、易维护、结构简单等优点，被广泛应用于沥青混合料搅拌设备中。特别是快速发展的直线振动筛越来越被多个国家重视[2]。

1.2 直线振动筛的工作原理

激振器、弹性元件、工作机体这三个元件部分组成的就是直线振动筛。其工作原理是靠激振器中质量相等的两组偏心块同步反向回转，依靠周期性变化产生的离心力来振动的。

2 多层直线振动筛的动力学分析

2.1 数值模拟与有限单元法

以数学及力学理论为基础，借助电子计算机技术，通过数值计算和图像显示的方法获得满足现实工程中所需求的数值近似值，或者是自然界中一些问题的研究目的。同时也是推动当代工程仿真学发展的主要动力之一。在工程领域中，目前，应用最广泛也最实用的是数值模拟方法是有限元法。其中包括：（Discrete element Method， DEM）离散单元法、（Finite Difference Method，FDM）有限差分法、（Boundary Element Method，BEM）边界元法[3]。

有限元法在越来越多的领域得到了应用。范围由平面问题延伸至空间问题，由结构问题延伸到塑性问题，从静力学问题延伸到动力学问题，无线自由度问题变成离散的优先自由度问题等，已经成为解决各种问题的有效方法，也受到相关工程领域专家的重视。

2.2 建立多层直线振动筛筛体有限元模型

2.2.1简化多层直线振动筛模型

尽管ANSYS12.0 对复杂模型的处理能力很强大，但是其仍然受条件限制，其简化了建模师的多层直线振动筛参数。首先对支撑弹簧处进行了等质量的简化，其次是筛体、侧板、激振电机等处的螺栓进行了等质量的简化。和现场试验比较，经过了一定程度的简化，不仅加快了计算速度，且对结果没有什么很大的影响，从而还得到了可靠的仿真数据[4]。

2.2.2单元的选择

选择合适的单元类型，对计算速度及计精度都有很重要的作用，当然还有助于提高计算结果的可靠性及准确性，且这都是要根据实际问题所建的有限元模型条件之下。根据直线振动筛的结构和动态特性，我们可以选择弹（combin14）簧单元和（shell63）壳单元这两种单元。其中（combin14）簧单元不仅可以承受轴向拉压变形还可以承受扭转变形。而（shell63）壳单元则有含有膜力和弯曲功能，膜力功能可以承担法向力载荷，弯曲功能可以承担平面内载荷。

2.2.3多层直线振动筛筛体模型

从理论上讲，网格划分的越细越好，但是，这样的话，就需要很大的内存容量及耗费大量的时间来计算，有限元模型约束弹簧和筛体连接的支座点延X，Y，Z 三个方向的自由度。所以，在实际计算的时候要选合适的网格大小及数量，如果加上边界条件和载荷后，则其有限元模型如图所示：

多层直线振动筛有限元模型图

2.3多层直线振动筛筛体的强度分析

2.3.1原始参数计算

（1）弹簧刚度：筛体有进料端与出料端各位四个功4弹簧支撑，保证支撑弹簧刚度和筛体质心中心重合。

弹簧的拉压刚度为：

抗弯刚度为：

其中，E为弹簧的拉压弹性模量，G弹簧的剪切弹性模量，D是弹簧的中径，d是簧丝的直径，n是弹簧的有效圈数。

（2）频率：激振频率为f=ω/2π

垂直和水平方向振动固有频率为：

其中水平方向的抗弯刚度是Km；垂直方向的拉压刚度为Kn。

（3）激振力 ：偏心块围绕其轴心同速反向运动，其离心力是moω2r，连心线方向相反，相互抵消，但其方向分力大小相等，垂直连心方向，其方向相同，大小相等，相互叠加，变成了激振力为PY=2moω2rsinωt

其中r是偏心距。

2.3.2 筛体强度的有限元分析

多层直线振动筛筛体强度可分为建模、加载、划分网格、求解、观察结果这几个步骤。进行结构优化和现场试验之前，我们应该用ANSYS 软件分析振动筛筛体的应力。

3 结语

随着我国的飞速发展，工业也相应的发展非常迅速，尤其是最近的20年时间内振动筛得到了飞速的发展。其广泛的应用在冶金、筑路、煤炭、采矿、石油化工、轻功、水利电力、建筑、交通运输等各个工业部门中，从而推动了我国的国民经济。多层振动筛是筛分机械未来的发展趋势，分析改进和优化设计多层振动筛的强度及结构，不仅可以为完善的多层振动筛设计方法和设计理论打好基础，还能确定影响多层振动筛的筛分效率和筛分能力的影响因素。提高筛分效率，形成合理的筛网配置及其结构形式，对提高沥青路面的施工有很重大的现实意义，还能有助于我国公路事业的发展[5]。

参考文献：

[1]孟彩茹，冯忠绪，李磊.沥青搅拌设备多层振动筛筛分效率的试验研究[J].武汉理工大学学报，2011，33（7）：124-128.

[2]沙庆林.解决沥青路面早期破坏关键技术的研究[R].第三届中国公路养护技术大会，2010，5（12）：21.

[3]杨李色，袁惠群.我国筛分技术及工艺参数的研究概况[J].沈阳黄金学院学报， 2012，14（3）：385-391.

[4]宋红年，姚运仕，刘惠.沥青搅拌设备振动筛筛分效率的影响因素[J].今日工程机械，2010， 3（12）：94-96

[5]和世超，赵尚民.振动筛筛框模态分析及动态响应[J].焦作工学院学报，2011，20（5）：55-58.