振動篩大梁裂紋擴展特性的研究

郭瑞家

（晉能控股煤業(yè)集團大地選煤公司同忻選煤廠，山西 大同 037001）

引言

近年來，原煤的洗選加工工藝隨著煤炭行業(yè)的技術(shù)改造也越來越被重視，洗選技術(shù)猶如雨后春筍般出現(xiàn)并迅速發(fā)展[1]。振動篩是我國目前洗選設(shè)備里面作為篩分設(shè)備最為主要的設(shè)備。振動篩通過激振器激勵作用對經(jīng)過的原煤進行分級、脫水等一系列操作，其高效工作是保證洗選加工的主要工藝環(huán)節(jié)。大梁作為振動篩的主要結(jié)構(gòu)，其裂紋的產(chǎn)生尤其會影響到振動篩的運行結(jié)果[2]，而煤塊的分布不均勻、激振器的不穩(wěn)定性震動會使振動篩的大梁產(chǎn)生裂紋，所以對振動篩大梁裂紋產(chǎn)生的研究很有意義。

1 振動篩主要結(jié)構(gòu)及工作原理

以雙層直線振動篩為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。振動篩的主要工作部件是激振器，激振器是通過聯(lián)軸器傳遞來自電機的高速轉(zhuǎn)動[3]。激振器的主要部件是偏心塊，偏心塊在主軸的帶動下由離心慣性力的作用傳遞給篩箱有規(guī)律的運動，振動篩在多應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生向著多應(yīng)力的合力方向的運動軌跡。當(dāng)物料到達振動篩后，由于先到篩面的底層較小顆粒會先通過篩面的篩孔落到下層，上層物料會隨著篩面的振動，逐漸到達下一層的工藝，上層顆粒會隨著下層大物料間隙變大而逐漸落到下層。

圖1 振動篩結(jié)構(gòu)示意圖

2 振動篩大梁裂紋的擴展過程

振動篩在長期運行過程中會受到很多不同的作用力，其大梁的承受能力會逐漸變?nèi)酰毿〉牧鸭y會逐步變成宏觀可見的裂紋，如圖2所示。

圖2 裂紋萌生及擴展過程

目前，有許多描述裂紋擴展的計算公式，工程方面應(yīng)用最多的是通過實驗驗證完成的Paris公式[4]：

式中：a為裂紋的深度或者寬度；N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；ΔKeff為等效應(yīng)力強度因子變化范圍；ΔKeff，max、ΔKeff，min分別為等效應(yīng)力強度因子變化范圍的最大值和最小值；C、m均為材料常數(shù)。

3 振動篩大梁裂紋擴展速率的影響因素

裂紋擴展會受到許多因素的影響，如外界環(huán)境、自身結(jié)構(gòu)及原材料、載荷大小及頻率。本文以已有裂紋的振動篩大梁為模型（見下頁圖3），排除裂紋的萌生狀態(tài)，利用ABAQUS中的XFEM方法對振動篩大梁預(yù)制裂紋。分別探究裂紋的位置、深度、角度和支撐彈簧剛度對大梁裂紋的影響程度。

圖3 大梁模型

3.1 裂紋出現(xiàn)的位置

側(cè)板是帶動大梁振動的主要結(jié)構(gòu)，通過大梁傳遞激振器的激振力。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)靠近激振器發(fā)力位置，裂紋的擴散速率會明顯比其他地方更高，這是應(yīng)力變化大帶來的影響，如圖4-1所示。

3.2 初始裂紋深度

在裂紋不斷加深的過程中，由于裂紋周圍的強度因子會不斷發(fā)生變化，從而造成裂紋不斷擴展，如圖4-2所示。

3.3 裂紋面與徑向垂面的夾角

裂紋的徑向面與裂紋面的夾角會引導(dǎo)裂紋的發(fā)展方向，所以夾角的大小對裂紋的擴展程度有很大的影響，如圖4-3所示。

3.4 振動篩支撐彈簧剛度的變化

支撐彈簧是振動篩的主要零部件，由于長時間運行會造成彈簧發(fā)生永久性變形，而變形會導(dǎo)致篩面兩側(cè)的應(yīng)力不均勻，進一步導(dǎo)致大梁產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布，同時由于物料在篩面的分布不均勻，也會對彈簧產(chǎn)生影響。說明當(dāng)發(fā)生裂紋時，支撐彈簧變形對裂紋擴展速程度影響很大，見圖4-4。

圖4 不同因素對裂紋擴展速率的影響

4 結(jié)論

以應(yīng)力強度因子作為縱坐標，分別得到四種因素對裂紋擴展速率的影響結(jié)果：支撐彈簧剛度的影響程度最大，其次是位置的影響，最后是深度和角度。因此，把彈簧的變形程度作為對振動篩大梁穩(wěn)定性判斷的依據(jù)，對生產(chǎn)實踐中振動篩的維護具有一定的指導(dǎo)意義。