選煤用振動篩橫梁斷裂問題分析與改進

朱文斌

(晉能集團 陽泉公司 上社煤礦，山西 盂縣 045100)

0 引言

煤炭作為我國主要的能源之一，在我國現代化建設中具有不可替代的作用。振動篩作為選煤過程中的關鍵設備，隨著煤炭行業的發展，其市場占有額越來越大，與此同時，對振動篩的可靠性要求也越來越高[1-3]。振動篩服役過程中環境條件惡劣、受力情況復雜，經常出現各種斷裂損壞的情況，較輕的斷裂損壞故障會使振動篩運行維護工作量增大，耗費大量的人力和物力，嚴重的斷裂損壞故障將會導致選煤企業的生產停滯，給企業帶來不可估量的經濟損失[4,5]。相關統計表明：振動篩斷裂損壞故障出現概率最高的是振動篩橫梁，必須引起高度重視。橫梁作為振動篩重要的組成部件，工作條件復雜多變，采用傳統的理論分析方法很難確定故障原因和解決對策[6]，因此本文擬借助有限元仿真分析軟件開展振動篩橫梁斷裂問題的分析，并提出具體的改進方案。

1 振動篩結構組成及問題

某選煤廠在用的振動篩結構組成包括篩箱、振動裝置、傳動裝置、支撐組件和篩面結構等。其中篩箱是實現選煤功能的主要部件，不僅用于安裝激振器、傳遞振動力，還用于承載煤炭，強度要求較高；振動裝置作為振動篩的核心部件，采用了同步偏心輪結構，具有加工制造簡單、維護保養方便、工作穩定可靠等優點；傳動裝置采用了電機直聯方式，通過萬向節直接將電機轉動傳輸至振動裝置；篩面結構是直接接觸煤炭的部件，通過篩面中的篩縫完成煤炭的篩選，其時刻承受著沖擊載荷，極易出現磨損；支撐組件主要是指與振動篩配套的橡膠彈簧，其外形尺寸較小，通過調整橡膠彈簧的個數和距離來實現篩箱整體受力狀況的調整，橡膠彈簧使用過程中具有壽命長、噪聲低、工作穩定等優點，同時也具有很好的減震吸振性能。

在振動篩使用過程中，設備維護人員發現篩箱底部橫梁經常會出現斷裂故障，如圖1所示，其維修更換工作較為復雜，需要消耗較多的人力物力，嚴重制約了煤炭篩選的效率。由圖1可看出橫梁斷裂處為橫梁端部接近法蘭的位置，為了提高橫梁工作過程中的可靠性，有必要對其進行故障分析與結構改進。

圖1 橫梁斷裂實物圖

2 振動篩橫梁斷裂故障分析

由于斷裂故障原因較為復雜，而傳統分析手段需要在橫梁斷口位置處進行取樣，之后采用先進的檢測儀器進行宏觀斷口與微觀斷口的觀察，不僅分析周期很長、分析成本較高，而且分析結果具有很大的局限性，對于指導橫梁的改進工作不直觀。近年來有限元仿真分析技術在結構件強度分析工作中得到了較為廣泛的應用，獲到了各界人士的廣泛認可，其中應用較多的是ANSYS仿真分析軟件。因此本文擬采用ANSYS仿真分析軟件開展振動篩橫梁斷裂故障原因分析工作，以便更好地指導橫梁的結構改進。

2.1 有限元模型的建立

有限元仿真模型的建立需基于振動篩橫梁的三維模型，因此對斷裂橫梁的尺寸進行了測繪，橫梁主要包括無縫鋼管、槽鋼和法蘭等。橫梁中間的無縫鋼管、槽鋼、法蘭的材料均為20鋼。基于上述已知橫梁的信息資料，運用ANSYS仿真軟件自帶三維建模模塊完成了橫梁三維模型的建立，簡化了橫梁結構中的非關鍵螺紋、安裝孔等細節。之后啟動ANSYS仿真軟件中的靜態仿真分析模塊對其進行前處理：首先對橫梁結構進行材料屬性的設置，直接調用ANSYS仿真軟件中的20鋼參數；材料屬性設置完成后進行了結構網格的劃分，劃分網格的方式采用了自由劃分，以便降低后續仿真分析過程中的報錯率。

2.2 施加載荷及約束

振動篩橫梁主要用于支撐振動篩箱，接收來自篩箱的煤炭載荷和周期性的振動，因此橫梁所受的載荷極為復雜，不僅需要承受煤炭載荷的變化，還要承受振動裝置的交變載荷。根據振動篩的實際工作情況，計算得到振動篩滿載時橫梁所受的最大靜載荷為4 000 N，考慮橫梁工作過程中的動載荷情況，仿真計算過程中采用1.6倍的靜載荷進行橫梁的強度分析，將載荷施加于橫梁的中間位置。橫梁結構中的法蘭作用是將橫梁固定于振動篩體上，因此仿真過程中將橫梁法蘭位置設置為固定約束。

2.3 仿真結果與分析

完成振動篩橫梁有限元模型前處理之后，啟動ANSYS仿真分析軟件中自帶的求解器，開始進行橫梁靜力學分析。計算結果分別如圖2、圖3所示。由圖2可得振動篩運行過程中橫梁所受的最大應力為148 MPa，出現在橫梁結構端部，圓管靠近法蘭的位置，存在明顯的應力集中現象。應力集中情況的存在將會導致橫梁結構斷裂故障的產生，這與圖1橫梁工作過程中斷裂的實際情況基本吻合，是橫梁出現斷裂故障的主要原因。因此要想提高振動篩橫梁的結構強度，必須降低橫梁結構的應力集中程度。由圖3可得振動篩運行過程中橫梁的最大位移為0.49 mm，出現在橫梁結構的中間位置，主要是由橫梁結構的受力情況決定的。

圖2 橫梁應力分布云圖

圖3 橫梁位移分布云圖

3 橫梁結構優化設計

3.1 結構優化

由上述振動篩橫梁有限元仿真分析結果得出了橫梁斷裂故障的主要原因是圓管靠近法蘭位置存在著明顯的應力集中現象。通常降低結構件應力集中情況的方法有很多種，如采用先進的結構材料制備橫梁、改進橫梁加工后的熱處理工藝參數、成倍放大橫梁的橫截面尺寸、優化橫梁截面形狀等。本文結合振動篩目前的工作情況，通過分析對比各種改進方法的特點，最終選擇了較為容易實施的截面優化方法。優化過程中基于斷裂橫梁截面形狀和仿真分析結果，擬將原來的槽鋼優化改進為Π形，以此提高振動篩橫梁的抗彎強度，提高橫梁工作的可靠性。

3.2 優化結果

完成振動篩橫梁截面改進之后重新采用ANSYS有限元仿真軟件對其進行三維模型的建立，按照改進之前的仿真參數完成改進橫梁有限元模型的前處理工作。通過開啟ANSYS有限元仿真軟件自帶求解器對改進橫梁進行靜力學仿真分析，結果如圖4、圖5所示。由圖4可得振動篩運行過程中橫梁所受的最大應力為89 MPa，位置與改進前一致，相較于改進之前的橫梁，最大應力值降低了39.86%，改進效果明顯。由圖5可得振動篩運行過程中橫梁的最大位移為0.51 mm，與改進前的位置一致，最大變形量僅僅增加0.02 mm，相對于結構的整體變形較小，可以忽略不計。

圖4 改進后橫梁應力分布云圖

圖5 改進后橫梁位移分布云圖

4 應用效果評價

為了驗證振動篩橫梁結構的改進效果，根據上述橫梁改進方法完成了橫梁截面的改進優化以及橫梁的制造，檢驗合格之后將其安裝在振動篩中進行應用試驗。在改進橫梁使用的3個月內進行了跟蹤記錄，結果表明，改進后的橫梁具有很好的工作穩定性，滿載情況下的橫梁最大變形僅為0.038 mm，滿足振動篩的功能要求。跟蹤記錄期間橫梁未出現開裂損壞故障，可靠性得到了提高。基于上述跟蹤記錄，初步估計改進后的橫梁壽命將會提升近30%，為企業節省振動篩橫梁維護維修費用約25萬/年，具有很好的應用價值。

5 結論

橫梁作為振動篩的關鍵組成部件，對其工作的可靠性要求較高。針對某選煤廠在用振動篩橫梁斷裂的問題，完成了振動篩橫梁的仿真分析和改進設計。結果表明，橫梁圓管靠近法蘭位置存在應力集中是導致橫梁斷裂的主要原因。通過改進橫梁截面的尺寸形狀，將橫梁工作過程中的最大應力值降低了39.86%。應用結果表明：橫梁改進后工作穩定可靠，初步估計橫梁壽命提升近30%，節省設備投入近25萬/年，具有很好的應用前景。