大型弛張篩動態特性分析

王 宏，陳志強

(1.天地(唐山)礦業科技有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

目前，細粒級煤炭干法篩分是世界性難題，潮濕細顆粒物料互相粘結成團、松散困難并且粘堵篩孔，這一直是國內外篩分技術的難點[1]，弛張篩的出現和發展為解決這一問題提供了有效途徑。弛張篩是一種新型篩分設備，具有處理量大，篩分效率高等特點，特別是在高黏度、細粒度物料的篩分上優勢明顯[2]。

弛張篩主要有兩種結構形式，分別為以自由振動器作為驅動系統的弛張篩和以限制行程的偏心驅動系統的弛張篩[3]，前者的代表產品為美國的伯特利弛張篩、奧地利的賓得弛張篩和奧瑞(天津)工業技術有限公司生產的AFS馳張篩，后者代表產品則為德國海英·勒曼公司研制的第三代Liwell型弛張篩[4]。我國早期弛張篩是由鞍山礦山機械公司借鑒德國利威爾技術開發的CZS型雙曲柄弛張篩，但由于國內生產的弛張篩的雙曲柄機構的可靠性和篩面材料質量問題等因素，至今未能得到推廣。以自由振動器作為驅動系統的弛張篩經過近年來的不斷研究，潮濕細粒粘性物料的篩分技術和弛張篩篩分技術有了很大的發展，弛張篩向著大型化、高效化和高可靠性的方向發展。近年來，弛張篩在許多洗煤廠已有所應用，它的出現改變了傳統振動篩在篩分領域的格局。但是目前國外弛張篩占據國內大部分市場份額[5]，而我國對于弛張篩的研究起步較晚，在大型化和可靠性等方面相對落后，和進口弛張篩差距較大，難以滿足選煤廠的需求。目前國內對各類振動篩動態特性研究很多，但是對弛張篩的動態特性分析很少。采用有限元分析方法和動應力測試的方法，通過對弛張篩關鍵問題的研究，使弛張篩的整體結構合理，提高弛張篩使用壽命和可靠性，設計出具有國內自主知識產權的弛張篩十分有意義。

1 弛張篩的結構和工作原理

弛張篩結構如圖1所示。弛張篩采用基本振動和附加振動的雙重振動原理，基本振動是由偏心塊旋轉產生的振動，附加振動是基本振動帶動產生的反向振動[6]。兩個參振質量以相同的頻率相對振動，由于篩面兩端分別安裝在固定框和浮動框架上，聚氨酯篩面連續不斷的擴張、收縮，從而獲得較高的加速度。兩個參振質量相對線性運動是可調的，可以根據篩分物料不同調整所有必要的參數[7]。

圖1 弛張篩結構圖

2 弛張篩模態分析

模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以通過有限元的方法取得，則稱為計算模態分析[8]。模態參數是力學系統運動微分方程的特征值和特征向量。通過模態分析掌握了結構的各階模態的主要特性，就能夠預測出結構在某一頻率范圍內受到外部或內部激勵作用下的實際振動響應。因此，模態分析是結構動態設計的重要方法。

2.1 有限元模型的建立

以FBVB3080型弛張篩為例，進行數值模擬，在三維軟件中建立篩機的模型，然后導入有限元軟件中對篩箱進行分析。對3D模型簡化處理，側板與橫梁、加強梁、驅動梁及入料擋板之間的結合面采用線性接觸連接模擬；振動器質量采用質量點模擬；篩機支座彈簧采用彈簧單元模擬。采用四面體及六面體單元對3D模型進行網格劃分，劃分單元數為665634，網格質量數為7.37，有限元模型如圖1所示。

圖1 弛張篩數值模型

2.2 篩機模態分析結果

模型建立后，對篩機模態分析，設置最大提取模態階數為10，模態分析結果如圖2—11所示。

圖2 第一階振型

圖3 第二階振型

圖4 第三階振型

圖5 第四階振型

圖6 第五階振型

圖7 第六階振型

圖8 第七階振型

圖9 第八階振型

圖10 第九階振型

圖11 第十階振型

各種振型下的篩機形態分析見表1。

表1 篩機各階形態表

計算結果顯示，前3階的模態為剛體平動，第4—7階模態為擺動和翹動，只有第8階條件下第二質體才與第一質體發生了相對運動，這正是目標頻率范圍，而其他模態下兩個質體是同向運動，不符合弛張篩的運動狀態。

在此基礎上又對第8階15.138Hz附近的頻率進行了大量的模擬分析，經分析發現在14Hz的條件下，固定篩框振幅為3.53mm，浮動篩框振幅為16.57mm，符合弛張篩的振動狀態的要求，從而得出了14Hz是最佳的工作頻率，如圖12所示。

圖12 14Hz下的振動模態

3 弛張篩諧響應分析

弛張篩在工作過程中，篩箱在箱式激振器產生的交變激振力的作用下，側板、驅動梁等部件會產生動應力，動應力的數值及分布規律對篩機的可靠性有著至關重要的影響。因此，為提高設備可靠性，需要對篩機進行諧響應分析。

3.1 載荷處理

弛張篩采用安裝在驅動梁上的箱式激振器激振，激振器產生的激振力使篩機沿與水平面成一定角度方向上往復振動。為了簡化計算，將激振器的質量高為質量點，同時將激振器各組偏心塊產生的最大激振力施加在驅動梁上產激振器安裝板上。

3.2 諧響應結果分析

在最佳工作頻率14Hz的條件下，對篩箱和驅動梁進行受力分析，如圖13、圖14所示。

圖13 篩箱受力分析

圖14 驅動梁受力分析

由圖13可知，側板與驅動梁聯接處的應力較大，屬于應力集中所致，最大達到10.413MPa，其余部位均小于5.3214MPa。側板與驅動梁選用高強度低合金鋼板，屈服極限遠遠超過最大應力，所以篩框強度設計滿足要求。由圖14可知，驅動梁中間處以及法蘭處應力值最大，達到8.105MPa，也遠小于許用應力值，說明篩箱梁結構設計合理，能夠滿足篩機在交變載荷下長期工作。

4 弛張篩動應力測試

根據諧響應分析的計算結果，采用動靜態應力應變測試分析系統[9]，通過信號采集和軟件分析來獲取振動篩篩框上的響應情況。在篩機應力值較大的部位布點，測試在空載狀態下各點的應力值[10]。測試選擇側板前、后支撐上部2個點，出料端第1根橫梁中部，驅動梁中部，加強梁中部，后擋板中部等6個點的測試結果進行分析，測試結果計算機上讀取并整理數據見表2。

表2 測試主應力和效應力值

由表2可知，二者頻率基本一致，模擬值略大于實測模態結構。各部位的實測等效應力值遠小于許用應力值；實測等效應力值與模態分析計算的結果相比，有一定的誤差，但誤差值滿足弛張篩動應力測試的要求。

5 結 論

1)利用有限元軟件，建立弛張篩的有限元模型，對其分別進行模態分析和應力分析，找到篩機合適的工作頻率，得到篩機上各部位應力應變的分布規律。

2)有限元分析和動應力測試同時表明篩框動應力小于許用應力，體現了結構的合理性，為弛張篩優化設計提供了參考。

3)動力應力測試儀器與有限元分析對比結果基本接近，驗證了這兩種方法的可靠性。