李正訓

【摘要】在臥式振動離心脫水機的設(shè)計中，主振彈簧作為其關(guān)鍵部件且對動態(tài)工作性能有著決定性影響，其設(shè)計質(zhì)量的好壞只影響整體產(chǎn)品的性能。主振彈簧多為橡膠材料制作，橡膠為超彈性材料，其變形不易精確計算，為確保主振彈簧的設(shè)計質(zhì)量，本文從傳統(tǒng)計算方法入手，結(jié)合Solidworks Simulation有限元分析平臺，采用Mooney Rivlin模型對主振彈簧進行有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果，對設(shè)計進行校核。

【關(guān)鍵詞】Solidworks Simulation；主振彈簧；橡膠；有限元

The Design and Proofreading of Horizontal Vibrating Centrifuge Main Vibrating Spring based on Solidworks Simulation

LI Zheng-xun

Shan Dong Taian Colliery Machinery Company LTD，，Taian 271000，China

Abstract： In the design of horizontal vibrating centrifuge， the main vibrating spring as its key components and has a decisive influence on the dynamic performance， the design effect only by the quality of the overall performance of the product.Main vibrating spring more for rubber materials， rubber for hyperelastic material， its deformation is not easy to precise calculation， in order to ensure the quality of the design of the main vibration spring， this article obtains from the traditional calculation method， combined with the finite element analysis of Solidworks Simulation platform， the Mooney Rivlin model of finite element analysis was carried out on the main vibration spring， and， according to the results of the analysis to the design optimization.

1.引言

在現(xiàn)在臥式振動離心脫水機（以下簡稱臥振）進行設(shè)計時，多采用雙質(zhì)體近共振原理進行設(shè)計。采用這種原理設(shè)計的臥振為雙彈簧、質(zhì)量構(gòu)成的二自由度受迫振動系統(tǒng)。在臥振工作特性分析中，通常以主振箱、殼體、殼體門的質(zhì)量為一級質(zhì)量體m1，其與底架之間的彈簧為k1；主軸、篩籃、大皮帶輪等的質(zhì)量為二級質(zhì)量體m2，其與一級質(zhì)量體之間的主振彈簧為k2。

由機械振動學方面的知識可知，彈簧剛度對整個振動系統(tǒng)的位移響應有著至關(guān)重要的影響。以k1=2.337560971×107N.m、m1=1800kg、k2=2.337560971×107N.m、m2=1000kg、F=70126.8N為例，當k2因制作、設(shè)計等因素使其在±20%范圍內(nèi)變化時，m1、m2的動態(tài)響應如圖1所示。

由圖1及已知數(shù)據(jù)可知，此時臥振的設(shè)計工作點m2的振幅位移為0.003m。當k2在±20%范圍內(nèi)變化時，m1的振幅位移為0～0.001m之間，m2的振幅位移為0.0025～0.0038m之間。在進行臥處理量設(shè)計計算時，可知m2的振幅位移對臥振的卸料速度有著決定性的影響，在設(shè)計振幅位移在0.003m時，0.00008m的振幅偏差，可造成卸料速度達26.67%變化。過高的卸料速度會使入料精煤不能充分脫水，而使臥振的工作性能達不到設(shè)計要求。[1]且主振彈簧剛度的偏移，使主振箱、殼體、底架等部件的振加劇，影響周圍環(huán)境。

圖1 m1、m2的動態(tài)響應

2.主振彈簧的設(shè)計計算

在傳統(tǒng)設(shè)計計算方法中，對于小應變橡膠彈簧，忽略其剛度的非線性而進行近似計算，使得計算過程變得較為簡單，且設(shè)計結(jié)果

亦可在一定程度上滿足設(shè)計要求。

在主振彈簧設(shè)計中，一般首先確定橡膠的硬度，并根據(jù)硬度計算出橡膠的切變模量，然后定出主振彈簧長、寬、高任意兩個尺寸，最后計算出整個主振彈簧參數(shù)。橡膠彈簧的切變模量與剛度計算式[2]分別為：

（1）

（2）

式中：HS為橡膠彈簧的邵氏硬度值，a為主振彈簧的長，b為主振彈簧的寬，h為主振彈簧的高。

以主振彈簧剛度k2=2.337560971×107N.m為例，取橡膠彈簧硬度為HS63，b=0.4m，h=0.035m，設(shè)主振彈簧由8個橡膠板彈簧組成，則可求出每個橡膠板彈簧的長度：

m

3.主振彈簧的有限元分析與校核

橡膠為超彈性材料，其非線性特性的計算是非常復雜的，在本有限元分析中，選用可較為精確模擬橡膠受力變形的2參數(shù)Mooney Rivlin模型。

在應用Mooney Rivlin模型時，材料系數(shù)C10、C01一般通過一系列的測試試驗及數(shù)據(jù)擬合。這種方法成本較高，在彈簧應變小于150%時，可根據(jù)橡膠硬度來確定材料系數(shù)。

（3）

將式（1）代入式（3），即可求得在硬度為HS60時，橡膠的材料系數(shù)：

在Solidworks中，對主振彈簧中一個橡膠板彈簧進行建模，并在Simulation中新建非線性算例，取材料模型為“超彈性-Mooney Rivlin”，并在材料屬性中輸入式（3）求解結(jié)果，取其切向位移為0.003m，可得分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 橡膠板彈簧位移云圖

通過后處理查詢可知，此橡膠板彈簧產(chǎn)0.003m的切向變形，所作用力為8862.8N，由此可求出整個主振板彈簧的剛度為

由計算結(jié)果可知，彈簧剛度較設(shè)計數(shù)值大，其誤差值為

由臥振設(shè)計可知，1.09%的誤差是允許出現(xiàn)的。目前工業(yè)生產(chǎn)常的橡膠，其硬度誤差一般控制在HS±5，如果直接采用此種類型的橡膠，會使主振彈簧的剛度誤差達到20%，為改善臥工作性能，其彈簧所用橡膠需定制，取其硬度為HS63±3。

由此，主振彈簧剛度因橡膠硬度而較為設(shè)計值有一定的偏差，當橡膠硬在HS63±5時，其剛度值范圍為21142759.13～25927326.49N.m。則此時m1、m2的動態(tài)響應如圖3所示。

圖3 m1、m2的動態(tài)響應

由圖3可知，在進行設(shè)計計算后臥振動態(tài)響應有較大的改善，m2的振幅位移范圍在0.0037～0.0033m，m1的振幅位移范圍在0～0.0003m，具有較好的動態(tài)適應性。

4.結(jié)論

通過臥振主振彈簧的設(shè)計計算及有限元分析，可達到精確計算主振彈簧的目的，且通過對橡膠硬度范圍的控制，可極大地改善臥振性能的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]聞邦椿，劉鳳翹.振動機械的理論與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982年.

[2]機械工程手冊.電機工程手冊編輯委員會.機械工程手冊（機械零部件設(shè)計卷）[M]北京：機械工作出版社，1997年