礦用振動篩彈簧永久變形故障研究

郭建華

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

關(guān)鍵字：礦用振動篩；彈簧故障；有限元

1 礦用振動篩結(jié)構(gòu)及工作原理介紹

為減少煤炭燃燒帶來的環(huán)境污染，提高資源的高效利用，篩選煤炭成為行業(yè)內(nèi)的必不可缺的環(huán)節(jié)[1]，而礦用振動篩設(shè)備是選煤的關(guān)鍵工藝裝備，具有壽命長、噪聲低、篩選效率高等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于對煤炭的篩選分級、脫水、脫泥等工序。

圖1 雙層礦用振動篩結(jié)構(gòu)示意圖

一般而言，洗煤用的大型直線振動篩設(shè)備采用的是座式水平安裝方式，且具有良好地對稱性。此外，礦用振動篩設(shè)備的篩面可以采用單層或雙層設(shè)計(jì)方案，如圖1所示的某型號礦用直線振動設(shè)備則采用的是雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，它的整體結(jié)構(gòu)具有很好的對稱性，結(jié)構(gòu)重心位置居中，具有較好的穩(wěn)定性，下層采用底梁支撐結(jié)構(gòu)，上層采用加強(qiáng)梁進(jìn)行加強(qiáng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，上層和下層之間采用彈簧和支承裝置進(jìn)行連接，不僅起到緩沖儲能作用，還能以底層作為支撐，起到支承上層的作用。

圖2 激振器的工作原理圖

直線礦用振動篩設(shè)備的激振器兩偏心塊在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生足夠的離心力，兩個(gè)偏心塊同步反向運(yùn)動，離心力按K方向的分力不斷地疊加，但與K方向的垂直方向，其分力不停的相互抵消，故而產(chǎn)生了唯一朝著K方向的激振力，進(jìn)而驅(qū)動振動篩實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，再加上物料的自身重力，最終形成振動篩在K方向即振動方向做往復(fù)直線運(yùn)動，工作原理如下圖所示。從振動篩設(shè)備的角度來看，物料從入料端進(jìn)入，經(jīng)過上層的運(yùn)輸，較篩孔小的物料透過篩面，落到下一層的篩面，最后被篩后的物料從出料端排出來，其工作原理如圖2所示。

2 礦用振動篩有限元分析

在礦用振動篩的實(shí)際減震過程中，彈簧在長期的交變載荷作用下可能會發(fā)生故障，從而導(dǎo)致整個(gè)彈性支撐系統(tǒng)的剛度性能發(fā)生變化[2]。根據(jù)有限元方法，針對礦用振動篩篩體的主要結(jié)構(gòu)（激振器和彈簧）采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元仿真分析，查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[3]和GB/T 713-2014[4]、GB/T 699-2015[5]等 文 獻(xiàn) 資料，得到礦用振動篩原材料Q245R鋼常溫狀態(tài)的材料參數(shù)，再根據(jù)礦用振動篩實(shí)際工況及其受力情況，對模型進(jìn)行簡化處理，如圖3所示，隨后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4所示。

圖3 激振器有限元模型圖

圖4 激振器有限元模型的網(wǎng)格劃分圖

首先，基于靜力學(xué)分析礦用振動篩激振器在平衡狀態(tài)下受力的情況。在Static Structural分析中添加重力加速度的參數(shù)，得到模型的位移與應(yīng)力，其結(jié)果分別如圖5和圖6所示，在圖片中，黑色線框表示模型結(jié)構(gòu)的初始位置，位移和應(yīng)力數(shù)值最大和最小的節(jié)點(diǎn)分別用MAX和MIN進(jìn)行了標(biāo)示。礦用振動篩結(jié)構(gòu)本身具有良好的對稱性，因而結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)位移、應(yīng)力也具有對稱性特點(diǎn)，最大位移值為28.32mm，位于結(jié)構(gòu)的出料端，而最大應(yīng)力值為6.345MPa，小于礦用振動篩原材料許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

其次，采用ANSYS Workbench平臺中的Modal分析礦用振動篩固有頻率及其振型，判斷其在激振力作用下是否會出現(xiàn)共振及不利的振型，并確定結(jié)構(gòu)本身的固有特性參數(shù)，從而為模型結(jié)構(gòu)得到較好的使用性能。在實(shí)際工況中，雖然礦用振動篩是具有無數(shù)個(gè)自由度的振動系統(tǒng)，但是對結(jié)構(gòu)使用性能影響較大為結(jié)構(gòu)的低階固有頻率，因此，在有限元模態(tài)分析中，只需要明確前面的低階固有頻率及其對應(yīng)振型，則可確定出礦用振動篩結(jié)構(gòu)的固有特性。采用ANSYS軟件中Block Lanczos方法，求解速度快、精度高，對結(jié)構(gòu)的前十一個(gè)低階固有頻率及其振型進(jìn)行模態(tài)分析，得到的分析結(jié)構(gòu)如表1所示。

圖5 激振器有限元模型結(jié)構(gòu)位移圖

圖6 激振器有限元模型結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

表1 激振器有限元模型模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果可知，前六個(gè)低階振型均以剛體運(yùn)動為主，因模型結(jié)構(gòu)的彈性變形較小，固有頻率值也較小，其振型包括3個(gè)方向的平動和轉(zhuǎn)動，主要為彈簧的變形；從第七至第十二階的振型主要是以結(jié)構(gòu)的彈性變形為主，振型主要是結(jié)構(gòu)的局部變形；第十一階的固有頻率是15.345Hz，與礦用振動篩設(shè)備的工作頻率相近，它的振型表現(xiàn)出入料口處的上部分有較大的局部變形，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)在該處增加加強(qiáng)筋，增強(qiáng)剛度；第十二階的固有頻率為18.224Hz，比礦用振動篩設(shè)備的工作頻率更大，因此礦用振動篩設(shè)備在正常工作狀態(tài)時(shí)，不會出現(xiàn)共振問題。

3 礦用振動篩彈簧永久變形故障試驗(yàn)

文章建立了礦用振動篩的有限元模型，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和模態(tài)分析（固有頻率及其振型），再以某型號直線振動篩設(shè)備為對象，進(jìn)行振動篩彈簧永久性變形故障動力學(xué)試驗(yàn)，以驗(yàn)證理論分析的結(jié)果。

3.1 試驗(yàn)介紹

因煤礦廠區(qū)為防爆區(qū)域，對試驗(yàn)設(shè)備有防爆設(shè)計(jì)要求，所以選用某高校團(tuán)隊(duì)研發(fā)的YHJ（C）型礦用測振記錄儀（含相應(yīng)的振動傳感器）作為試驗(yàn)用儀器裝置，完全符合煤礦廠要求[6-7]。針對礦用振動篩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及彈簧振動特性，在礦用振動篩的四個(gè)彈簧座上分別在三個(gè)方向（X軸、Y軸、Z軸）安裝加速度傳感器，用來檢測加速度信號，再換算得到速度和位移信號數(shù)據(jù)，最終可獲得振幅數(shù)據(jù)，安裝的實(shí)際效果圖如圖7所示。

圖7 礦用振動篩彈簧傳感器安裝效果

在試驗(yàn)條件有限的情況下，本次試驗(yàn)采用對比試驗(yàn)方法，在同種工況下，分別采用故障彈簧和非故障彈簧進(jìn)行單個(gè)對比試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中人為的降低彈簧性能，故障彈簧剛度比非故障彈簧剛度降低約18%，其余均保證兩種彈簧的一致狀態(tài)。在試驗(yàn)的實(shí)施過程中，將礦用振動篩一處的正常彈簧更換為故障彈簧，用以模擬因彈簧永久變形故障而導(dǎo)致的剛度變化，再分別檢測得到礦用振動篩在健康工況下的彈簧在三個(gè)方向上的振幅數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)后經(jīng)換算即可得到振幅變化系數(shù)。

3.2 試驗(yàn)分析

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，得到檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)換算后得到振幅變化系數(shù)，再與前文中的有限元仿真振幅變化數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并核算仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差值，最后研究分析振幅變化規(guī)律，如表2所示。

表2 有限元仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比表格

在針對單個(gè)彈簧故障試驗(yàn)時(shí)，通過試驗(yàn)儀器采集得到礦用振動篩彈簧座在三個(gè)方向上的振幅，其信號數(shù)據(jù)可反應(yīng)出彈簧故障信息。雖然有限元仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間存在著一定誤差，究其原因是在運(yùn)用Ansys軟件建立有限元模型時(shí)，人為的對礦用振動篩模型進(jìn)行了簡化，導(dǎo)致理論模型與實(shí)際質(zhì)心位置、激振力方向等參數(shù)均不一致。通過對有限元仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比可以發(fā)現(xiàn)，有限元仿真數(shù)據(jù)比較接近試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且反映出來的振幅變化規(guī)律也很接近，表明彈簧永久性變形故障可依據(jù)有限元仿真分析的振幅變化規(guī)律做出判斷，首先通過仿真分析得到彈簧的振幅規(guī)律，以提取到彈簧故障信息的數(shù)據(jù)，以診斷彈簧故障問題，同時(shí)可以較為客觀的反映出礦用振動篩彈簧的實(shí)際應(yīng)用工況狀態(tài)，也能夠有效地指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)及設(shè)備操作人員的日常維修和保養(yǎng)工作。

4 結(jié)論

本文主要針對礦用振動篩在實(shí)際工作過程中突出的彈簧永久性變形的故障問題，通過采用Ansys軟件建立礦用振動篩有限元仿真模型，并進(jìn)行了理論研究分析（靜力學(xué)分析和模態(tài)分析），再經(jīng)過礦用振動篩彈簧永久變形故障試驗(yàn)驗(yàn)證，對比分析有限元模型仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：基于Ansys軟件的有限元模型仿真分析的結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果較為接近，而且反映出的礦用振動篩彈簧振幅變化規(guī)律亦相接近，證明有限元模型仿真分析得到的振幅規(guī)律可以作為彈簧故障信息的判斷依據(jù)。