渠麗宏

（陽(yáng)泉華陽(yáng)集團(tuán)新景公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

洗煤用振動(dòng)篩的篩分是選煤最原始但最重要的操作。目前，高質(zhì)量的大振動(dòng)篩在國(guó)內(nèi)處于短缺狀態(tài)，盡管需求巨大，但是實(shí)際上如果振動(dòng)篩的可靠性不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，將對(duì)洗煤廠產(chǎn)生直接的負(fù)面影響[1]。洗煤用振動(dòng)篩在工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)篩板損壞、橫梁斷裂、軸承受熱等故障，尤其是橫梁結(jié)構(gòu)影響整體可靠性，包括該部件的初步機(jī)械設(shè)計(jì)、中期制造和設(shè)備的后期利用，其中先進(jìn)的橫梁結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)力學(xué)特性至關(guān)重要，而且可靠性很重要。其工作性能和運(yùn)行狀況直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與安全生產(chǎn)。橫梁斷裂是最常見(jiàn)、最嚴(yán)重的故障之一[2]。通過(guò)ANSYS 仿真技術(shù)軟件對(duì)振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，提高了振動(dòng)篩的使用壽命，有效地改善了振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布，提高了振動(dòng)篩的使用壽命。

1 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)特征簡(jiǎn)介

1.1 振動(dòng)篩的組成結(jié)構(gòu)

振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)主要由篩箱、振動(dòng)激振器、傳動(dòng)裝置和結(jié)構(gòu)支撐裝置組成。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件包括前支座彈簧支撐組（簡(jiǎn)稱(chēng)為前支座組）、后支座彈簧支撐組（簡(jiǎn)稱(chēng)為后支座組）、側(cè)板、卸料梁[3]，也包括1 號(hào)橫梁、2 號(hào)橫梁、3 號(hào)橫梁、4 號(hào)橫梁、5 號(hào)橫梁、6 號(hào)端梁和實(shí)心梁，此外，還包括1 號(hào)增強(qiáng)梁、2 號(hào)增強(qiáng)梁、3 號(hào)增強(qiáng)梁和4 號(hào)增強(qiáng)梁，振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 振動(dòng)篩整體結(jié)構(gòu)組成

1.2 振動(dòng)篩工作原理

以ZH3558型振動(dòng)篩為研究對(duì)象，對(duì)其工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。振動(dòng)篩是由激振器進(jìn)行擺動(dòng)頻率的激發(fā)，在振動(dòng)篩的兩側(cè)配備有質(zhì)量相同的配重模塊。振動(dòng)篩在振動(dòng)過(guò)程中會(huì)繞著平衡軸產(chǎn)生偏心力，煤炭物料受到了往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)煤炭物料的不同大小顆粒進(jìn)行分類(lèi)。其不僅將煤炭物料進(jìn)行了精選，還對(duì)煤炭物料中的雜質(zhì)，例如泥沙、污水等進(jìn)行了脫離[4]。振動(dòng)篩工作原理可簡(jiǎn)化為圖2 中模型。其中ω 和m 分別代表兩個(gè)簡(jiǎn)化偏心模塊的旋轉(zhuǎn)角速度和質(zhì)量。

圖2 振動(dòng)篩工作原理簡(jiǎn)化模型

2 振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算過(guò)程

2.1 三維模型的建立

利用UG 三維建模軟件，建立了ZH3558型振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)三維幾何模型，按照實(shí)際尺寸以1∶1的比例畫(huà)出三維模型。為了提高仿真計(jì)算的效率，去除了振動(dòng)篩的附加部件，并且忽略對(duì)振動(dòng)篩受力影響不大的零碎部件。尤其是對(duì)篩板作出結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)化[5]，重點(diǎn)對(duì)橫梁部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)建模。結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。

圖3 ZH3558型振動(dòng)篩三維模型

2.2 有限元模型建立

利用ANSYS 建立振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)網(wǎng)格實(shí)體模型，整體尺寸為5.56 m×3.40 m×2.37 m。篩面長(zhǎng)度為5.25 m、寬度為3 m[6]。網(wǎng)格生成單元類(lèi)型選擇Solid 92，單個(gè)網(wǎng)格單元為20 節(jié)點(diǎn)的實(shí)心單元，保證了仿真計(jì)算的精確性。ZH3558型振動(dòng)篩有限元模型如圖4 所示。

圖4 ZH3558型振動(dòng)篩仿真網(wǎng)格模型

2.3 靜態(tài)分析結(jié)果

對(duì)振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)分析，結(jié)果表明，當(dāng)橫梁結(jié)構(gòu)處于靜態(tài)平衡時(shí)，篩箱各部件之間的位移差較小，最大位移為14.44 mm，發(fā)生在1 號(hào)橫梁上；最小位移為13.09 mm，發(fā)生在前支座組。因此，篩箱在靜力作用下具有足夠的靜剛度。表1 列出了每個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的最大應(yīng)力值及其作用位置。

表1 ZH3558型振動(dòng)篩靜力學(xué)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表1 可知，振動(dòng)篩最大應(yīng)力為33.50 MPa，發(fā)生在前支撐組支撐側(cè)板連接位置，后支撐組同一位置應(yīng)力也較大，為28.2 MPa。槽鋼與卸料梁焊接位置應(yīng)力為25.2 MPa。除了6 號(hào)梁的等效應(yīng)力為29.10 MPa 外，其他構(gòu)件應(yīng)力均小于25 MPa。因此，橫梁結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，同時(shí)結(jié)構(gòu)具有足夠的靜強(qiáng)度。

2.4 動(dòng)態(tài)分析結(jié)果

采用ANSYS 軟件中BlockLanczos 方法進(jìn)行模態(tài)分析，其中振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)的前10 個(gè)固有頻率為2.419 8 Hz、2.472 2 Hz、3.324 8 Hz、5.133 4 Hz、6.486 7 Hz、6.793 8 Hz、14.03 9 Hz、20.740 Hz、21.98 2 Hz 和25.631 Hz。

振動(dòng)篩工作頻率為16.16 Hz，大于前三個(gè)固有頻率。一階模態(tài)形狀是沿z 軸擺動(dòng)，二階模態(tài)形狀是沿x 軸擺動(dòng)，三階模態(tài)形狀是y 軸周?chē)呐まD(zhuǎn)振動(dòng)。選擇振動(dòng)篩的工作頻率作為激勵(lì)頻率，計(jì)算結(jié)構(gòu)位移和動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)力。結(jié)果表明，振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)的最大位移值為6.673 mm，發(fā)生在橫梁上；最小振動(dòng)位移為5.579 mm，發(fā)生在前支撐組。篩箱各結(jié)構(gòu)部件之間的位移差異很小。整個(gè)振動(dòng)篩具有足夠的動(dòng)態(tài)剛度，但是橫梁的位移較大，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3 優(yōu)化后橫梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析結(jié)果

3.1 橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

ZK3648 振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)由多個(gè)部分構(gòu)成，主要包括兩端的連接法蘭、無(wú)縫鋼管及槽鋼，不同結(jié)構(gòu)件之間通過(guò)焊接的方式進(jìn)行加工，然后通過(guò)高強(qiáng)螺栓將橫梁固定在側(cè)板上面，工作過(guò)程中橫梁需要承受較大的工作載荷，使得橫梁承受著較大的周期性載荷作用，所以橫梁結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)斷裂問(wèn)題。在所有的振動(dòng)篩故障類(lèi)型中，橫梁斷裂故障占到的比例超過(guò)50%以上。通過(guò)增加縱梁的思路，能夠提升結(jié)構(gòu)件的整體剛度，如圖5 所示。對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后的橫梁結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行建模分析，除橫梁結(jié)構(gòu)發(fā)生改變外，其他所有的建模過(guò)程與原模型全部一樣。

圖5 振動(dòng)篩橫梁優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

3.2 橫梁結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果

優(yōu)化后橫梁結(jié)構(gòu)最大位移變形值為0.49 mm，最大應(yīng)力值為148.15 MPa，不管是最大位移變形還是最大應(yīng)力，全部出現(xiàn)在橫梁結(jié)構(gòu)槽鋼的中間部位。與原結(jié)構(gòu)相比較，最大位移變形和最大應(yīng)力值均出現(xiàn)了不同程度的降低，尤其是最大應(yīng)力值的增加幅度達(dá)到了50%左右。最大應(yīng)力值的增加意味著橫梁結(jié)構(gòu)在循環(huán)周期運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的使用壽命顯著延長(zhǎng)。

3.3 橫梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

采用BlockLanczos 方法對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明，振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)的最大位移值為5.892 mm，發(fā)生在橫梁上；最小振動(dòng)位移為5.03 mm，發(fā)生在前支座組。與原結(jié)構(gòu)相比，篩箱各結(jié)構(gòu)部件之間的位移差異略有減小。整個(gè)振動(dòng)篩具有足夠的動(dòng)態(tài)剛度，工作可靠性增加。所有結(jié)構(gòu)件的動(dòng)應(yīng)力有明顯的增加，但整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)應(yīng)力顯著減小，振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力分布更加趨于均勻。卸料梁、材料梁等橫梁結(jié)構(gòu)最大動(dòng)應(yīng)力值有了明顯的下降。原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中1 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)橫梁的最大等效應(yīng)力為95.5 MPa、68.5 MPa、99.2 MPa，接近材料許用應(yīng)力。改進(jìn)后的相同位置的動(dòng)態(tài)應(yīng)力值明顯降低，分別下降了68.6%、17.5%和52.7%，振動(dòng)篩的動(dòng)態(tài)性能得到了改善，橫梁結(jié)構(gòu)使用壽命增加。

4 結(jié)語(yǔ)

洗煤用振動(dòng)篩是洗煤加工行業(yè)中使用的最重要的機(jī)器之一，可確保將煤產(chǎn)品選成各種尺寸和等級(jí)。但是利用振動(dòng)篩來(lái)滿(mǎn)足不斷變化的精煤物需求，面臨著更大的機(jī)械性安全風(fēng)險(xiǎn)。為了降低洗煤用振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)的斷裂風(fēng)險(xiǎn)，采用ANSYS 軟件完成了以下三方面的工作。

1）根據(jù)振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析結(jié)果，最大靜應(yīng)力、最大動(dòng)應(yīng)力及其作用位置有很大的不同。考慮到振動(dòng)篩是一種振動(dòng)設(shè)備，采用動(dòng)態(tài)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是較合理的選擇。

2）振動(dòng)篩在工作狀態(tài)下的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)大于前3 個(gè)固有頻率，從而得出在一般情況下，橫梁結(jié)構(gòu)斷裂屬于低應(yīng)力斷裂。

3）橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，不再在動(dòng)載荷區(qū)對(duì)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行缺口式設(shè)計(jì)。仿真計(jì)算得出，橫梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)等效應(yīng)力最大值顯著降低，改善了振動(dòng)篩橫梁的應(yīng)力分布，提高了使用壽命。