煤炭洗選弧形篩動力學性能模擬分析

嚴 強

（晉能控股煤業集團大地選煤工程有限責任公司，山西 大同 037000）

引言

我國是煤炭生產的大國，洗選是煤炭生產中重要的工序，通過洗選煤作業，可以顯著地提高煤炭的質量和利用率。洗選煤用的設備中，弧形篩的運用較為普遍，它通過振動電機的作用，依靠弧形底座和篩網的組合可以避免篩網的堵塞，其脫水、脫介性能都明顯高于其他類型的洗選設備。在弧形篩的使用過程中，由于洗選煤的工作量大，設備長期處于運行狀態，且弧形篩承受煤泥的重量及振動電機交變載荷載荷的作用，使得弧形篩容易出現疲勞破壞，導致設備的損壞，無法繼續工作[1]。采用有限元分析的方式，對弧形篩的動力學性能進行仿真模擬，從而可以為弧形篩的疲勞分析提供參考，從而改進弧形篩的結構和參數，延長設備的使用壽命。

1 弧形篩動力學分析模型的建立

采用ADAMS有限元分析軟件對弧形篩進行動力學性能模擬，ADAMS是常用的機械系統的動力學分析軟件，在工程領域具有廣泛的應用。ADAMS可以通過強大的圖形交互界面進行分析求解，可以方便地實現復雜機械系統的動力學仿真分析。首先采用Pro/E三維繪圖軟件進行弧形篩三維結構的建模，依據弧形篩的主要結構，進行一定的簡化處理，得到其三維模型[2]。

對建立的弧形篩三維模型直接導入到ADAMS軟件中，檢驗各模型的完整性，避免弧形篩的構件在轉換的過程中分散成多個零散件，采用布爾運算將其組成為一個整體。對于弧形篩各構件之間的約束關系，采用運動副進行添加，振動電機的偏心塊與電機軸之間采用旋轉副來約束，篩板底座與電機之間采用固定副固接在一起；弧形篩的支撐箱體采用彈簧作為減震器，屬于柔性連接，無法通過運動副約束，采用ADAMS軸套力對減震器的柔性連接進行模擬，依據彈簧的剛性系數及阻尼施加柔性力作用[3]，由此得到洗選弧形篩的模型如圖1所示。弧形篩通過振動電機的驅動實現振動，添加偏心塊繞電機軸的轉動模擬電機的轉動，電機的啟停控制通過step函數實現，step函數實現驅動作用的描述[4]，設定電機的啟停時間為10 s，由此對弧形篩的動力學性能進行分析。

圖1 弧形篩的動力學分析模型

2 弧形篩動力學的仿真分析

通過ADAMS進行模擬分析，得到對弧形篩的動力學分析結果。由于弧形篩的底座和篩箱結構功能不同，對其具有不同的性能要求，分別提取弧形底座和篩箱質心處的位移如圖2、下頁圖3所示。從圖2、下頁圖3中可以看出，弧形底座和篩箱在1~9 s內處于穩定的振動狀態中，弧形底座在X方向上的位移振幅為4.5 mm，在Y方向上的位移振幅為5 mm，篩箱在X方向上的位移振幅為0.45 mm，在Y方向上的位移振幅為0.5 mm。通過分析可知，弧形底座的振幅要明顯大于篩箱的振幅，由此在使用過程中可以避免篩縫的堵塞，較小的位移振幅可以減少篩箱的疲勞損壞，有利于延長其使用壽命。

圖2 弧形底座質心的位移振動曲線

圖3 篩箱質心的位移振動曲線

在對弧形篩進行多剛體動力學分析的過程中，設定的所有部件均以剛體進行定義，在分析過程中，沒有考慮到柔性系統的作用。在弧形篩實際的使用過程中，由于一些構件的變形，采用剛體進行分析則會造成分析的精度不足或造成偏差。弧形底座是洗選煤弧形篩的重要零部件，且屬于梁結構零件，其彈性變形對系統的影響較大[5]。采用多柔體的分析方法，將弧形底座作為柔性體進行分析，則可對弧形篩進行剛柔耦合分析。采用ANSYS有限元分析軟件對弧形底板進行柔性化處理，建立弧形底座的剛性區域，剛性區域即柔性體與剛體連接的位置，采用連接節點進行表示，設定弧形底座的剛性區域為與減震器想連接的螺栓孔位置[6]。采用設定的柔性弧形底座替換掉原有的弧形底座，保持約束及參數的不變，對柔性系統進行動力學仿真模擬，得到弧形底座及篩箱的位移振幅如圖4、圖5所示。

通過圖4、圖5可以看出，對弧形底座進行柔化后得到的弧形底座在X方向上的位移振幅為3.5 mm，在Y方向上的位移振幅為4.5 mm，比剛性分析的振幅要小，這是由于在相同的激振載荷作用下，柔性體既產生振動，同時還要產生變形；篩箱的位移在兩個方向上相對剛性分析明顯地減小，這說明，篩箱的位移更多地取決于柔性底座傳遞的振動作用，改變弧形底座的設置，可以有效地減小篩箱的變形，提高其疲勞壽命。

圖4 柔化弧形底座質心的位移振動曲線

圖5 柔化篩箱質心的位移振動曲線

3 結論

1）對弧形篩進行柔性耦合處理后，弧形底座的位移振幅具有一定程度的減小，篩箱的位移振幅明顯減小。

2）通過改變振動電機的作用及弧形底座的傳遞，可以有效地降低篩箱的位移，延長其疲勞壽命，提高煤炭洗選的性能及可靠性。