洗煤用振動篩靜力學分析及橫梁結構優化設計研究

單 軍

（山西晉煤集團煤炭加工利用分公司趙莊選煤廠， 山西 長治 046600）

引言

洗煤廠中振動篩是非常重要的生產設備，據有關統計數據表明，振動篩在所有的洗煤設備中占比超過了一半，在煤礦物料分級、脫介、脫泥等環節都有非常廣泛的應用[1]。隨著我國煤炭行業的快速發展，市場對于振動篩的需求量呈現出上升的趨勢[2]。與此同時，市場對振動篩的質量和性能要求也越來越高。振動篩工作原理的特殊性決定了其在工作過程中必然會出現周期性的振動載荷，所以內部的結構件非常容易出現循環塑性損傷，進而引發疲勞斷裂的現象[3-4]。橫梁結構作為重要的承力結構件，其在振動篩中受到的力是最大的，導致其在運行過程中經常出現各類故障問題，對洗煤過程的連續性構成了嚴重威脅[5]。基于此，有必要對振動篩開展靜力學分析，找到容易出現問題的部位。在此基礎上對其進行優化改進，以提升關鍵結構件的使用壽命，為整個振動篩設備的可靠穩定運行奠定堅實的基礎[6]。

1 振動篩的總體結構及其工作原理

1.1 振動篩的結構特征分析

本研究以ZK3648 型振動篩作為研究對象，該型號振動篩主要有五大部分構成：

1）篩箱。篩箱主要由三大部分構成，分別為側板、梁類零件、其他零件。篩箱不僅要承受煤礦物料的質量，且設備在工作時的加速度和振動載荷都會作用在篩箱上。因此該結構必須要有良好的剛度和強度，力學性能較好；

2）振動裝置。該裝置采用的是典型的自同步塊偏心式結構，具備很多優勢，比如生產加工成本低、應用效果好等。振動裝置是振動篩的核心部件，振動效果的好壞直接決定了振動篩的使用性能；

3）篩面結構。篩面結構需要與煤礦物料發生直接接觸，并且實現煤礦物料的分級。由于與煤礦物料之間存在顯著摩擦，所以對篩面結構會造成嚴重的磨損，該結構需要被定期更換；

4）彈簧裝置。ZK3648 型振動篩采用的是橡膠彈簧，具有很好的吸振效果，使用壽命較長；

5）傳動裝置。所述型號的振動篩不需要經過減速器，而是直接通過萬向軸節與電動機進行連接，為了對該位置進行保護，通常在此處需要設置防護罩。

1.2 工作原理

如圖1 所示為ZK3648 型振動篩的基本工作原理示意圖。在篩箱箱體上安裝有振動激振器，其中兩個偏心塊是激振器的重要構成部分，兩個偏心塊具有相同的質量，做同步反向轉動，其在轉動過程中會激發振動力。偏心塊旋轉過程中會產生偏心力，且兩個偏心塊產生的偏心力分力在垂直方向上相互疊加，在法向相互抵消。在疊加偏心力的作用下，篩機在與豎直方向成45°的方向上作往復運行。處在篩面上的煤礦物料在激振力的作用下也隨之做往復運動，進而可以根據物料顆粒大小進行分級，還可以實現脫水、脫泥等功能。

圖1 ZK3648 型振動篩工作原理示意圖

2 振動篩模型的建立

2.1 三維幾何模塊的建立

通過UG 軟件建立ZK3648 型振動篩的三維幾何模型，建立模型過程中用到的尺寸嚴格按照該型號的結構尺寸執行。由于振動篩的結構比較復雜，如果完全按照真實的結構建模，必然會對計算過程產生非常不利的影響。因此，在建立三維幾何模型時進行了必要的簡化。主要是對篩板進行了簡化，將其視為質量塊直接作用于橫梁槽鋼上，對激振器也進行了簡化，將其視為一個整體。圖2 所示為基于UG 軟件建立的ZK3648 型振動篩三維幾何模型。

圖2 ZK3648 型振動篩三維幾何模型

2.2 靜力學分析模型的建立

將UG 軟件建立的三維幾何模型導出為STP 格式，其導入到ANSYS 軟件中。然后對模型進行網格劃分，網格劃分質量對于靜力學分析模型而言非常重要，不僅會影響計算過程，同時也會對計算結果精度產生一定程度的影響。在軟件中選用Solide186 類型的網格單元進行網格劃分，網格邊長以及劃分方式按軟件的推薦值進行。最終劃分得到的單元數量和節點數量分別為176 893 和223 452。

振動篩在正常工作中，支撐底板通常是不會發生運動的。因此在模型中將支撐底板的所有約束全部固定。為簡化計算過程，將篩機的加強板與側板全部設置為剛體，認為其不會發生變形。將整個結構中零部件之間的摩擦系數全部設置為0.03，設置兩個偏心塊做旋轉運動。

3 振動篩靜力學分析結果與討論

在ANSYS 軟件中建立好振動篩的靜力學模型后，可以調用軟件的分析計算模塊對模型進行計算分析，完成整個計算過程后，提取模型中各結構件的位移變形情況和受力情況。在對模型進行后處理時，分別提取了ZK3648 振動篩中的主要結構件位移變形情況以及最大應力值，結果如表1 所示。

由表中數據可知，在所有的振動篩結構中，橫梁結構的位移變形情況最為嚴重，為0.53 mm，出現最大位移的位置為橫梁結構槽鋼的中間部位。另一方面，振動篩的最大應力值為297.02 MPa，出現在橫梁結構件上。更具體的，最大應力值出現在橫梁的槽鋼中間位置，如圖3-1 所示。雖然模擬得到的最大應力值沒有超過材料的許用應力值，但是最大應力卻相對較高。振動篩在工作過程中會進行周期性的往復運動，也就意味著橫梁結構會承受較大幅值的周期性應力載荷。時間長久以后會導致槽鋼結構出現應力損傷進而引發裂紋現象，如圖3-2 所示為橫梁結構中的槽鋼出現裂紋的現場圖片。

表1 ZK3648 振動篩主要結構的最大位移變形和應力統計

圖3 橫梁結構的應力分布云圖和出現裂紋的現場圖片

4 振動篩橫梁結構優化設計研究

4.1 橫梁結構優化設計方案

ZK3648 振動篩橫梁結構由多個部分構成，主要包括兩端的連接法蘭、無縫鋼管以及槽鋼，不同結構件之間通過焊接的方式進行加工。然后通過高強螺栓將橫梁固定在側板上面，工作過程中橫梁需要承受較大的工作載荷。再加上振動篩工作原理的特殊性，使得橫梁承受著較大的周期性載荷作用，所以橫梁結構容易出現斷裂問題。根據實踐經驗表明，在所有的振動篩故障類型中，橫梁斷裂故障占到的比例超過50%以上。基于此，有必要對橫梁結構進行優化設計，以降低工作時的最大應力值，延長其使用壽命。

對橫梁結構進行現場調研和理論分析后，認為其容易出現斷裂的根本原因在于剛度存在缺陷。因此，優化改進的思路就是提升橫梁結構的剛度。通過增加設置縱梁的思路能夠提升結構件的整體剛度。對優化改進后的橫梁結構再次進行建模分析，除橫梁結構發生改變外，其他所有的建模過程與原模型全部一樣。需要說明的是，對法蘭結構的螺孔進行了簡化。完成建模后再次進行仿真分析，然后對仿真結果進行提取處理、分析。

4.2 優化后橫梁結構靜力學分析結果

圖4 優化后橫梁結構的靜力學分析結果

如下頁圖4 所示為優化后橫梁結構的靜力學分析結果。從圖中可以看出，優化后橫梁結構的最大位移變形值為0.49 mm，最大應力值為148.15 MPa，不管是最大位移變形還是最大應力全部出現在橫梁結構槽鋼的中間部位。與原結構相比較，最大位移變形和最大應力值均出現了不同程度的降低，尤其是最大應力值降低幅度達到了50%左右。最大應力值的降低意味著橫梁結構在循環周期運動過程中的使用壽命會顯著延長。

5 結論

振動篩是洗煤廠中必不可少的機械裝備，其運行的穩定性和可靠性會對整個洗煤工藝過程產生重要影響。基于ANSYS 軟件對ZK3648 型振動篩開展了靜力學分析。結果發現橫梁結構的應力最大，在實踐中最容易出現故障問題，這與現場的實際使用情況非常吻合。對橫梁結構進行優化改進，主要是增加設置縱梁提升橫梁結構的剛度，優化改進后橫梁結構的最大應力值出現了顯著降低。將優化改進方案應用到工程實踐中，顯著提升了橫梁結構的使用壽命，為企業創造了較大的經濟效益。