1、交叉筛模型机设计及筛轴部件模态分析张异1，祝震丰1，周陈丽1，黄敬崇1，李杭满2，赵啦啦1（1.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221116；2.山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司机电管理部，山西吕梁033000）摘要：针对交叉筛市场日益增长的消费需求，采用 SolidWorks软件设计了一种交叉筛模型机，并利用 ANSYSWorkbench 对简化处理后的交叉筛筛轴部件进行模态分析，得到交叉筛筛轴部件前 6 阶固有频率和振型。分析结果表明，筛轴前 6 阶固有频率均大于 300 Hz，筛轴最大工作频率为 1.67 Hz，筛轴固有频率远大于工作频率，筛轴在工作过程中不会发生共振，满足交叉筛设计要
2、求。关键词：交叉筛结构设计筛轴部件模态分析中图分类号：TD452；TH122文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0016-03引言煤炭是我国主要的一次能源，是国民经济发展的重要支柱。筛分是实现煤炭高效清洁利用的基础工艺，也是煤炭高效利用的重要环节，广泛应用于冶金、矿山、煤炭、化工、电力、建筑、粮食、医药和环保等行业1。筛分设备是常用的分选设备，众多学者对不同类型的筛分设备进行了设计和改进。史俊超等2设计了一种小型茶叶振动筛，并通过有限元对其进行模态分析，结果表明所设计的茶叶振动筛不会共振；骆宏亮3针对高频振动筛进行了模态及谐响应分析，并根据仿真结果对筛面结构进行了合理优
3、化；王振乾等4对直线振动筛特性进行了有限元分析，分析结果表明筛机在工作过程中运行平稳，没有横向摆动；彭飞5对直线振动筛筛箱进行了动态特性分析，所得结果为筛箱的设计和优化提供了参考。通过上述研究可知，目前筛分设备的研究对象主要是振动筛，缺少对交叉筛的设计及动力学特性研究。基于此，本文通过 SolidWorks 设计了一种小型交叉筛，对交叉筛关键零部件进行了模态分析。1交叉筛模型机整体结构设计交叉筛模型机整体结构如图 1 所示，主要包括减速电机、高度调节座、筛轴、筛箱、堵料板、螺杆调高组件、支撑底座等。其中，9 根筛轴水平等距分布，筛轴两端安装有轴承座，轴承座通过螺栓连接固定在高度调节座上，且每根
4、筛轴由单电机驱动，调高螺杆组件安装在支撑底座上，通过调节高度调节座在调高螺杆组件的上下位置来实现交叉筛的不同筛面结构形式，堵料板上设有长槽孔，可以随筛轴组件上下调高，筛箱通过螺栓连接固定在支撑底座上。交叉筛模型机具体技术参数如表 1 所示。2交叉筛关键筛轴部件模态分析在交叉筛实际筛分过程中，由于筛轴是偏心部件，容易出现筛轴折断及筛片磨损等故障，严重影响工厂的经济效益，为了避免交叉筛筛轴产生共振，有必要对交叉筛筛轴部件进行模态分析，保证筛分作业的正常进行6。2.1有限元模型建立筛轴构成零件较多，在进行有限元分析之前，需要在其他三维软件对筛轴部分零件进行前处理，忽略一些容易造成应力集中的结构细节，
5、将简化后的交叉筛模型导入到 ANSYSWorkbench 进行参数设置7。筛轴各零件默认为结构钢，对模型进行网格划分，控制网格尺寸大小 2.5 mm，划分后的网格共有 238 648 个收稿日期：2022-08-31基金项目：中国矿业大学大学生创新创业训练计划（Undergraduate Training Program for Innovation and Entrepreneurship,ChinaUniversity ofMining and Technology），项目编号：202110290026Z第一作者简介：张异（2000），女，四川德阳人，中国矿业大学本科在读，研究方向为机械设
6、计及理论、筛分机械。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.0061减速电机；2高度调节座；3筛轴；4筛箱；5堵料板；6调高螺杆组件；7支撑底座图 1交叉筛模型机整体结构筛轴转速/（r min-1）40100筛孔尺寸/mm6处理量/（t h-1）1521筛面尺寸/（mmmm）1 126197入料粒度/mm25参数名称参数值表 1交叉筛模型机具体参数1234567试验研究2023 年第 2 期单元、130272 个节点，
7、网格单元的平均值为 0.71918，说明网格具有较高的精度，能得出较准确的分析结果。经前处理后的筛轴有限元模型如图 2 所示。2.2模态分析模态分析是求解模型的固有特性，主要包括固有频率和固有振型8。模型的固有特性主要受到自身结构与边界约束条件的影响，与模型受到的外界载荷无关。通过比较模型固有频率和工作频率，可以了解模型是否发生共振，通过观察振型，可以了解模型的薄弱环节，以便加以改进9。根据振动理论，低阶频率在振动系统中起到主要作用，因此忽略模型高阶固有频率，只对模型的前 6 阶固有频率进行分析。交叉筛筛轴前 6 阶模态结果如表 2 所示，振型如图 3 所示。从表 2 可以看出，筛轴前 6 阶
8、固有频率均大于300 Hz。交叉筛模型机实际筛分过程中筛轴最大转速为 100 r/min，工作频率为 1.67 Hz，远小于筛轴固有频率。因此，交叉筛在筛分过程中筛轴不易产生共振。由图 3 可以看出，第 1 阶振型为筛轴沿 X 轴扭转运动，第 2 阶振型为筛轴沿 Z 轴左右运动，第 3 阶振型为筛轴沿 Y 轴左右运动，第 4 阶振型为筛轴沿 Y轴左右运动，第 5 阶振型为筛轴沿 Z 轴左右运动，第6 阶振型为筛轴沿 Y 轴左右运动。总体来看，交叉筛筛轴的固有频率远大于交叉筛筛轴工作频率，满足振动稳定性要求，筛轴转动过程中不会发生共振，振型也较为合理，满足交叉筛的工作要求。图 2筛轴有限元模型阶
9、次123频率/Hz318.1668.6677.6阶次456频率/Hz1 080.91 381.41 404.2表 2筛轴前 6 阶固有频率3-1第 1 阶3-2第 2 阶3-3第 3 阶3-4第 4 阶3-5第 5 阶3-6第 6 阶图 3筛轴前 6 阶振型100.00200.00（mm）0.00150.0050.0015.856 最大14.09412.33210.5718.80997.04715.28538.52351.76190 最小100.00200.00（mm）0.00150.0050.0010.065 最大8.94677.82636.715.59174.47333.3552.2367
10、1.11830 最小100.00200.00（mm）0.00150.0050.0010.278 最大9.1367.9946.8525.714.5003.4262.2841.1420 最小100.00200.00（mm）0.00150.0050.0020.153 最大17.91415.67413.43511.1968.95696.71764.47842.22920 最小100.00200.00（mm）0.00150.0050.0030.473 最大27.08723.70120.31516.92913.54310.1586.77173.38590 最小100.00200.00（mm）0.00150
11、.0050.0036.287 最大32.22328.22324.19120.15916.12712.0968.06374.03190 最小100.00200.00（mm）0.00150.0050.00频率：318.07 Hz单位：mm频率：668.62 Hz单位：mm频率：677.64 Hz单位：mm频率：1000.9 Hz单位：mm频率：1301.4 Hz单位：mm频率：1404.2 Hz单位：mm张异，等：交叉筛模型机设计及筛轴部件模态分析17机械管理开发第 38 卷3结语本文利用 SolidWorks 对交叉筛模型机进行了整体结构设计，并对简化后的交叉筛模型机关键件筛轴进行了模态分析，得
12、到了筛轴的前 6 阶固有频率和振型。筛轴的工作频率远小于固有频率，筛轴工作过程中不会发生共振，满足交叉筛设计要求。参考文献1赵啦啦，江海深，赵跃民，等.湿黏细粒煤干法筛分理论及交叉筛技术发展现状J.煤炭科学技术，2021（5）：1-8.2史俊超，陶然，葛小乐.茶叶振动筛结构设计及模态分析J.中国设备工程，2022（11）：100-102.3骆宏亮.选煤用高频振动筛的谐响应分析J.机械管理开发，2021，36（11）：108-109；146.4王振乾，王琳，开春琪，等.ZK0916 型直线振动筛动力学特性分析J.煤矿机械，2021，42（4）：88-90.5彭飞.基于 ANSYSWorkbenc
13、h 的直线振动筛动态特性分析J.工业技术与职业教育，2020，18（2）：12-14.6杨晓东.南露天煤矿高效筛分系统关键技术研究D.徐州：中国矿业大学，2021.7翟大磊，柴保明，张俊宝.基于 ANSYS 的 ZK 型直线振动筛模态分析与优化J.煤矿机械，2020，41（3）：123-127.8王宏利.LM1836 直线振动筛结构动态特性分析J.煤矿机械，2019，40（4）：77-78.9武宜梁，李祥，张臣，等.振动筛有限元模型的建立及其模态分析J.机械制造与自动化，2017，46（1）：107-110.（编辑：贾娟）Design of Crossed Sieve Model Machin
14、e and Modal Analysis of Sieve Shaft ComponentsZhang Yi1,Zhu Zhenfeng1,Zhou Chenli1,Huang Jingchong1,Li Hangman2,Zhao Lala1（1.School of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,XuzhouJiangsu 221116;2.Mechanical and Electrical Management Department,Shanxi Coking
15、Coal Group LanxianZhengli Coal Company Limited,Lyuliang Shanxi 033000）Abstract:In response to the growing consumer demand in the cross sieve market,a cross sieve model machine was designed usingSolidWorks,and the modal analysis of the simplified cross sieve shaft components was carried out using ANS
16、YS Workbench to obtain thefirst 6th order intrinsic frequencies and vibration patterns of the cross sieve shaft components.The analysis results show that the first sixorders of the screen shaft inherent frequency is greater than 300 Hz,the maximum operating frequency of the screen shaft is 1.67 Hz,theinherent frequency of the screen shaft is much greater than the operating frequency,the screen shaft will not resonate during the workingprocess to meet the cross screen design requirements.Key word
