基于Isight/Ansys的選煤振動篩篩箱優化設計

王生義

(山西焦煤西山煤電集團屯蘭礦選煤廠)

·技術經驗·

基于Isight/Ansys的選煤振動篩篩箱優化設計

王生義

(山西焦煤西山煤電集團屯蘭礦選煤廠)

使用多學科優化軟件Isight與通用有限元軟件Ansys集成對選煤振動篩篩箱進行優化設計，在總體質量小于原振動篩的條件下對振動篩篩幫和橫梁的結構和尺寸進行了優化，實現了篩箱的等強度設計。優化結果顯示，優化后的篩箱在工作中的最大應力比優化前減小38%，大大提高了篩箱的疲勞強度。

振動篩；Isight/Ansys；優化設計

山西焦煤西山煤電集團屯蘭礦選煤廠是一座年入洗原煤500萬 t的選煤廠。于1997年建成投產，選煤工藝為跳汰—浮選聯合流程。主要分選設備跳汰機及主要脫水設備直線振動篩均來自德國洪堡特公司，其3060型直線振動篩為德國技術、鞍山重型機械廠生產的設備，在使用過程中頻繁出現橫梁斷裂的現象，最后出現側幫開裂的現象。該廠于2003年改造為重介—浮選聯合工藝流程，主要脫水脫介設備直線振動篩選自澳大利亞申克公司，其4261型直線振動篩在使用過程中也出現了橫梁斷裂及護幫開裂的現象。為此,該廠同供應商及鞍山重型機械廠等國內企業對該廠振動篩結構及故障原因進行了分析研究，并使用多學科優化軟件Isight與通用有限元軟件Ansys集成對選煤振動篩篩箱進行優化設計，主要對在生產中容易發生破壞的側幫及橫梁進行優化設計。

1 振動篩有限元模型建立

該廠4261型振動篩主要由篩箱、激振器及二次隔振系統組成。其中，篩箱主要由篩框、擋板、篩板及彈簧支座組成。而篩框又由側幫、橫梁和支撐梁等組成。在Ansys有限元建模時對振動篩結構及激振器激振力的施加進行如下簡化處理。

1) 各部位的簡化。側板、擋板、橫梁、支撐梁及激振器安裝座都用C3D8R 減縮積分單元劃分網格。彈簧用彈簧單元模擬；忽略振動篩安裝結構上篩孔與鉚釘等結構，以簡化建模和分網過程．二次隔振系統的主要作用是減少振動篩對地基的沖擊力，而對篩箱的應力分布影響不大，在建模時不予考慮。

2) 激振力的模擬。激振力是由安裝在激振器兩根等速旋轉軸上的偏心塊產生的，偏心塊的大小、旋轉方向和相位差角的不同組合使振動篩產生不同的運動軌跡。當兩個偏心塊大小相等、旋轉方向相反、合力作用線通過篩箱質心時，振動篩做直線振動，振動方向角β由相位差角α決定(2β=π-α)。采用Ansys 進行諧響應分析過程時，用3個點質量單元模擬激振器質量，左右兩個點質量分別代表兩偏心塊質量，其余質量用中間點質量代替。將兩偏心塊產生的激振力在兩坐標軸分解以正弦形式施加于兩偏心塊質量單元節點上來代替。

2 優化前振動篩篩箱應力分析

1) 優化前篩箱的結構參數。該廠振動篩在工作過程中經常發生損壞的部位是篩箱的側幫及支撐梁，本文主要針對這些參數進行優化設計。目前該廠的25.62 m2直線振動篩篩箱的側幫、橫梁及支撐梁主要尺寸如下：

篩箱側幫厚度：12 mm

橫梁外徑：200 mm

橫梁壁厚：13 mm`

2) 優化前篩箱應力分析。在兩偏心塊質量單元節點上分別施加幅值為200 kN，頻率為16.3 Hz，二者相位差角為95.2°的激振力，合力作用線通過篩箱質心。選擇旋轉方向相反，使振動篩實現直線振動，在Ansys中進行諧響應分析求解。諧響應分析結果顯示，在入料口端橫梁與側幫搭接的三角區出現了最大的應力集中區，該處的應力值范圍達到16.4 ～18.2 MPa，該應力集中區周邊區域應力水平達到了13～16.4 MPa。應力分布見圖1。

圖1 優化前應力示意圖

從圖1可以看出，在振動篩入料口端橫梁與側幫連接處區域的應力最大，是整個篩箱結構最易損壞處；入料口后側的橫梁及側幫連接處的應力也較大。這與實際生產中篩箱損壞的部位一致，可以驗證有限元分析的準確性。

3 篩箱結構優化

1) 優化設計變量。該廠使用的振動篩所用的橫梁和支撐梁結構和尺寸都相同，但在實際工作中各橫梁所受力的大小是不一樣的，這樣就無法實現等強度的設計要求，不能使篩箱的設計達到最優。由以上應力分析和實際生產情況可知，側幫和橫梁是最容易損壞的部位，因此選取各橫梁的外徑及壁厚以及側幫的厚度為設計變量來進行優化設計。設計變量的選取及表示見表1。

表1 設計變量及其優化結果

2) 約束條件。

振動篩總質量：M=∑mi≤Mm

式中：

M—優化后振動篩總質量,kg;

mi—各部件質量,kg;

Mm—優化前質量,kg。

式中：

xi(i=1,2…n)—設計變量；

側幫厚度、橫梁外徑及壁厚依據原始尺寸及結構限制給定上下界。

3) 優化目標。以最大應力最小為優化目標，則目標函數為：

S=σmax

式中：

σmax—振動篩最大應力。

4) 優化過程。利用多學科優化軟件Isight集成有限元分析軟件Ansys來對篩箱結構進行優化，首先利用有限元軟件Ansys對振動篩進行諧響應分析，找出振動篩所受的最大應力。Isight提取分析所得的最大應力使用軟件自帶的優化算法對設計變量進行最優化設計。本優化問題屬于典型的多變量非線性優化問題,采用可行方向改進方法(MMFD) 使用梯度尋優可以較快收斂。

本優化問題中建立了2個文本文件input1.bdf和output1.dat, 分別用于保存設計變量、輸出約束值和目標變量。用FORTRAN 編寫可執行文件將計算結果的最大值寫入output1.dat 文件中。在ISIGHT的集成模塊中添加一個仿真代碼模塊, 并指定輸入文件為input1.bdf, 輸出文件為output1.dat, 以及仿真代碼文件為opt.bat, 并對input1.bdf和output1.dat完成文件解析, 即指定各個參數在文本文件中的位置, 以便ISIGHT在自動運行時能夠找到所需要的參數。整個算法的數據交換原理圖見圖2。

5) 優化結果。各設計變量優化后結果如表1所示。從表1可以看出，側幫的厚度略有增加，在入料口處的橫梁直徑和壁厚都有所增加，入料口鄰近的兩根橫梁幾乎沒有變化，頭部和尾部的兩橫梁直徑和壁厚都有所減小。

圖2 優化算法數據交換原理示意圖

優化后的振動篩應力分析見圖3，最大應力部位依然在入料口的側幫與橫梁連接處，但應力大小有明顯減小，最大應力為11.24 MPa，比原始最大應力減小38%，這將大大提高篩箱的疲勞強度，延長選煤振動篩的使用壽命。

圖3 優化后應力示意圖

4 結 論

該廠協同制造商使用多學科優化軟件Isight與通用有限元軟件Ansys集成對選煤振動篩篩箱進行優化設計，主要針對該廠實際生產中最易損壞的振動篩篩幫和橫梁的結構和尺寸進行優化，在整體質量小于原振動篩質量的條件下實現了篩箱的等強度設計。優化后的篩箱在工作中的最大應力比優化前減小38%，能大大提高了篩箱的疲勞強度，延長振動篩的使用壽命。對大型選煤廠及振動篩制造廠均有較高的參考價值。

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OptimizationDesignofVibrationSieveBasedonIsight/Ansys

WangSheng-yi

Optimization design for the vibration sieve is done by the multidisciplinary design optimization software Isight and FE software Ansys. The lateral plate and the beam which is easily damaged in the practical application are designed by optimization method in the case of that the gross mass is less than the initial mass. The optimization results indicate that the maximum stress is less 38% than the initial stress. The fatigue value is improved greatly.

Vibration Sieve; Isight/Ansys; Optimization Design

王生義 男 1970年出生 1994年畢業于淮南礦業學院 工程師 古交 030206

TD452

B

1672-0652(2010)07-0004-03

2010-04-11