大型直线振动筛下横梁静力学仿真分析
马晓楠，王新文**
作者简介：马晓楠，（1987-），男，在读硕士研究生，主要研究方向：选矿设备与工艺。
通信联系人：王新文，（1961-），男，副教授、高级工程师，主要研究方向：选矿设备与工艺. E-mail:
xinwen.w@263.net
（中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083）
5 摘要：大型直线振动筛广泛应用于矿山等行业，下横梁断裂严重影响其使用效果。以某型直
线振动筛下横梁为研究对象， 利用Solidworks 软件建立其三维实体模型， 运用
Solidworks-Simulation 软件对其进行静力学仿真分析。分析结果表明：在下横梁槽钢上表
面的中间位置、1/3 以及1/6 位置应力最大，存在应力集中，容易最先出现裂纹。
关键词：振动筛；下横梁；有限元；仿真分析
25 0 引言
直线振动筛又叫做双轴惯性振动筛。振动筛激振器两轴上的偏心质量和偏心距相等，并
且以通过筛箱质心的轴线对秤。当双轴惯性激振器作同步反回转的时候，产生定向简谐力，
此力通过筛箱的质心，驱动筛箱作定向往复直线振动。由于其运动轨迹为直线故称其直线振
动筛 [1]。
30 大型直线振动筛因其筛分面积大、筛分效率高被广泛应用于洗煤厂及矿山等行业[2]。但
振动筛工作环境恶劣，受力复杂，下横梁作为振动筛的主要承载部件，不仅受到振动荷载，
还受到冲击荷载的作用，在强大的交变载荷下做受迫振动，长时间使用后引起疲劳损伤的累
积而产生裂纹，近而导致断裂[3]。现场中经常采用钢板进行加固的方式对其修复，但实践证
明大梁修复后仅能维持很短的时间即再次断裂，反复维修费用很高而且严重影响生产，给洗
35 煤厂等行业带来了巨大的经济损失。因此，降低直线振动筛下横梁的损坏频率，提高其使用
寿命，对于煤炭企业减少影响生产时间、降低生产成本具有非常重要的意义[4]。本文利用大
型三维软件对下横梁进行建模，并进行有限元仿真分析，为下横梁的改进提供一些思路和参
考。
1 建立有限元模型
40 振动筛下横梁主要由无缝钢管和槽钢组成，无缝钢管壁厚12mm、外径Φ345mm、长度
 3600mm，无缝钢管的上方焊接有槽钢，两端带有法兰，通过法兰固定到振动筛的侧板上。
相关参数：材料的弹性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.28，密度ρ=7.8×103kg／m3。对下
横梁三维实体模型进行网格划分，划分成基于曲率的高品质网格，划分的单元总数为135770
个，最大单元大小20.8067 mm，最小单元大小4.16135 mm，节点总数为265492 个，如图1
45 所示。对下横梁两端的法兰内侧进行约束，在下横梁的5 个角钢上分别施加3000N 的外部
载荷。之后，对下横梁模型进行运算与分析，模型整体应力分布如图2 所示。
图1 下横梁模型离散化示意图 图2 下横梁模型应力分布图
50 Fig. 1 figure of discretization of lower crossbeam Fig. 2 figure of sress distribution of lower crossbeam
modle modle
2 运算结果分析
通过分析模型上的应力分布，相比较其它位置，下横梁槽钢侧面的应力平均值最大，应
55 力最大处存在于槽钢上表面，同时，钢管中间位置的应力也较大。各位置应力平均值、最大
值、最小值对比见表1 所示。
表1 各位置应力对比表
Tab. 1 table of sress comparation all over
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为了找出槽钢上的应力值最大的位置，在运算后的下横梁三维模型的槽钢上表面选取若
干对称的探测节点，如图3 所示。根据各个探测节点应力值大小，将其绘制成应力—位置图，
如图4 所示。
应力平均值 N/m2 应力最大值 N/m2 应力最小值 N/m2 均方根 N/m2
槽钢上表面 2.9504×106 1.5295×107 7.0956×103 3.7175×106
槽钢侧面 3.0156×106 1.2533×107 1.8801×104 3.4525×106
钢管外壁 2.2378×106 8.7377×106 3.2646×105 2.3770×106
槽钢与钢管焊接处 2.9238×106 7.9593×106 1.2103*×106 3.2343×106
钢管内壁 2.3050×106 6.6352×106 1.7115×105 2.4302×106
 65 图3 槽钢上表面探测节点分布图
Fig. 3 figure of distribution of probe nodes on the upper surface of channel
图4 槽钢上表面探测节点位置—应力图
70 Fig. 4 figure of position-stress of probe nodes on the upper surface of channel
对应图3 各个探测节点的位置，从图4 可以看出，当施加外部载荷时，在槽钢上表面的
中间位置，1/3 以及1/6 位置处，应力值较大，存在应力集中区。
在运算后的下横梁三维模型的钢管中间位置的横截面上选取若干对称的探测节点，如图
75 5 所示。根据各个探测节点应力值大小，将其绘制成应力—位置图，如图6 所示。
 图5 下横梁横截面探测节点分布图
Fig. 5 figure of distribution of probe nodes on the cross-section of lower cossbeam
80
图6 下横梁横截面探测节点位置—应力图
Fig. 6 figure of position-stress of probe nodes on the cross-section of lower crossbeam
对应图5 各个探测节点的位置，从图6 可以看出，当施加外部载荷时，在下横梁钢管中
85 间位置的底部以及槽钢与钢管的接触面应力值相对较大，但其最大应力值远小于槽钢上表面
和侧面的最大应力值。
 3 结语
通过对下横梁三维模型进行静力学仿真分析，发现下横梁槽钢上表面和侧面、槽钢与钢
管的接触面以及钢管底部的应力值较大，最大应力处位于钢管的槽钢上表面的中间位置、1/3
90 以及1/6 位置,即加强筋与槽钢上表面的接触位置，属于应力集中区。槽钢抗压能力却远不如
钢管[5], 在简谐激振载荷与冲击载荷的共同作用下, 由于疲劳运动，槽钢首先被破坏出现裂
纹, 裂纹通过焊口延展到钢管，近而导致钢管断裂。
同时，下横梁的断裂与焊接工艺及焊后的回火处理也有很大关系。下横梁是振动部件，
如果处理不好，焊接应力没有消除，则在振动过程中很容易从焊接处开焊，导致断裂[6]。
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