振動篩大梁裂紋擴展特性的研究

郭瑞家

（晉能控股煤業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的技術改造也越來越被重視，洗選技術猶如雨后春筍般出現并迅速發展[1]。振動篩是我國目前洗選設備里面作為篩分設備最為主要的設備。振動篩通過激振器激勵作用對經過的原煤進行分級、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節。大梁作為振動篩的主要結構，其裂紋的產生尤其會影響到振動篩的運行結果[2]，而煤塊的分布不均勻、激振器的不穩定性震動會使振動篩的大梁產生裂紋，所以對振動篩大梁裂紋產生的研究很有意義。

1 振動篩主要結構及工作原理

以雙層直線振動篩為例，其結構示意圖如圖1所示。振動篩的主要工作部件是激振器，激振器是通過聯軸器傳遞來自電機的高速轉動[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律的運動，振動篩在多應力的作用下，產生向著多應力的合力方向的運動軌跡。當物料到達振動篩后，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 振動篩結構示意圖

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弱，細小的裂紋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為應力循環次數；ΔKeff為等效應力強度因子變化范圍；ΔKeff，max、ΔKeff，min分別為等效應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。

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，如外界環境、自身結構及原材料、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，利用ABAQUS中的XFEM方法對振動篩大梁預制裂紋。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 裂紋出現的位置

側板是帶動大梁振動的主要結構，通過大梁傳遞激振器的激振力。通過觀察可以發現靠近激振器發力位置，裂紋的擴散速率會明顯比其他地方更高，這是應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裂紋的發展方向，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生永久性變形，而變形會導致篩面兩側的應力不均勻，進一步導致大梁產生不同的應力分布，同時由于物料在篩面的分布不均勻，也會對彈簧產生影響。說明當發生裂紋時，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 結論

以應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定性判斷的依據，對生產實踐中振動篩的維護具有一定的指導意義。