洗煤用振動篩及橫梁結構優化設計研究

渠麗宏

（陽泉華陽集團新景公司，山西 陽泉 045000）

引言

洗煤用振動篩的篩分是選煤最原始但最重要的操作。目前，高質量的大振動篩在國內處于短缺狀態，盡管需求巨大，但是實際上如果振動篩的可靠性不能滿足生產要求，將對洗煤廠產生直接的負面影響[1]。洗煤用振動篩在工作過程中會出現篩板損壞、橫梁斷裂、軸承受熱等故障，尤其是橫梁結構影響整體可靠性，包括該部件的初步機械設計、中期制造和設備的后期利用，其中先進的橫梁結構機械設計對力學特性至關重要，而且可靠性很重要。其工作性能和運行狀況直接影響企業的經濟效益與安全生產。橫梁斷裂是最常見、最嚴重的故障之一[2]。通過ANSYS 仿真技術軟件對振動篩橫梁結構的動態應力分布進行了分析，提高了振動篩的使用壽命，有效地改善了振動篩橫梁結構的動態應力分布，提高了振動篩的使用壽命。

1 振動篩結構特征簡介

1.1 振動篩的組成結構

振動篩結構主要由篩箱、振動激振器、傳動裝置和結構支撐裝置組成。關鍵結構部件包括前支座彈簧支撐組（簡稱為前支座組）、后支座彈簧支撐組（簡稱為后支座組）、側板、卸料梁[3]，也包括1 號橫梁、2 號橫梁、3 號橫梁、4 號橫梁、5 號橫梁、6 號端梁和實心梁，此外，還包括1 號增強梁、2 號增強梁、3 號增強梁和4 號增強梁，振動篩的結構示意圖如圖1 所示。

圖1 振動篩整體結構組成

1.2 振動篩工作原理

以ZH3558型振動篩為研究對象，對其工作原理進行了簡要的分析。振動篩是由激振器進行擺動頻率的激發，在振動篩的兩側配備有質量相同的配重模塊。振動篩在振動過程中會繞著平衡軸產生偏心力，煤炭物料受到了往復運動，從而對煤炭物料的不同大小顆粒進行分類。其不僅將煤炭物料進行了精選，還對煤炭物料中的雜質，例如泥沙、污水等進行了脫離[4]。振動篩工作原理可簡化為圖2 中模型。其中ω 和m 分別代表兩個簡化偏心模塊的旋轉角速度和質量。

圖2 振動篩工作原理簡化模型

2 振動篩橫梁結構仿真計算過程

2.1 三維模型的建立

利用UG 三維建模軟件，建立了ZH3558型振動篩的結構三維幾何模型，按照實際尺寸以1∶1的比例畫出三維模型。為了提高仿真計算的效率，去除了振動篩的附加部件，并且忽略對振動篩受力影響不大的零碎部件。尤其是對篩板作出結構上的簡化[5]，重點對橫梁部位的結構進行精細建模。結構模型如圖3 所示。

圖3 ZH3558型振動篩三維模型

2.2 有限元模型建立

利用ANSYS 建立振動篩結構網格實體模型，整體尺寸為5.56 m×3.40 m×2.37 m。篩面長度為5.25 m、寬度為3 m[6]。網格生成單元類型選擇Solid 92，單個網格單元為20 節點的實心單元，保證了仿真計算的精確性。ZH3558型振動篩有限元模型如圖4 所示。

圖4 ZH3558型振動篩仿真網格模型

2.3 靜態分析結果

對振動篩結構進行了靜態分析，結果表明，當橫梁結構處于靜態平衡時，篩箱各部件之間的位移差較小，最大位移為14.44 mm，發生在1 號橫梁上；最小位移為13.09 mm，發生在前支座組。因此，篩箱在靜力作用下具有足夠的靜剛度。表1 列出了每個關鍵結構部件的最大應力值及其作用位置。

表1 ZH3558型振動篩靜力學分析結果統計

由表1 可知，振動篩最大應力為33.50 MPa，發生在前支撐組支撐側板連接位置，后支撐組同一位置應力也較大，為28.2 MPa。槽鋼與卸料梁焊接位置應力為25.2 MPa。除了6 號梁的等效應力為29.10 MPa 外，其他構件應力均小于25 MPa。因此，橫梁結構的靜應力值遠小于材料的許用應力，同時結構具有足夠的靜強度。

2.4 動態分析結果

采用ANSYS 軟件中BlockLanczos 方法進行模態分析，其中振動篩結構的前10 個固有頻率為2.419 8 Hz、2.472 2 Hz、3.324 8 Hz、5.133 4 Hz、6.486 7 Hz、6.793 8 Hz、14.03 9 Hz、20.740 Hz、21.98 2 Hz 和25.631 Hz。

振動篩工作頻率為16.16 Hz，大于前三個固有頻率。一階模態形狀是沿z 軸擺動，二階模態形狀是沿x 軸擺動，三階模態形狀是y 軸周圍的扭轉振動。選擇振動篩的工作頻率作為激勵頻率，計算結構位移和動態響應應力。結果表明，振動篩結構的最大位移值為6.673 mm，發生在橫梁上；最小振動位移為5.579 mm，發生在前支撐組。篩箱各結構部件之間的位移差異很小。整個振動篩具有足夠的動態剛度，但是橫梁的位移較大，需要進一步優化。

3 優化后橫梁結構力學分析結果

3.1 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，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。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。通過增加縱梁的思路，能夠提升結構件的整體剛度，如圖5 所示。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。

圖5 振動篩橫梁優化設計示意圖

3.2 橫梁結構靜力學分析結果

優化后橫梁結構最大位移變形值為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，尤其是最大應力值的增加幅度達到了50%左右。最大應力值的增加意味著橫梁結構在循環周期運動過程中的使用壽命顯著延長。

3.3 橫梁結構動力學分析結果

采用BlockLanczos 方法對改進結構進行模態分析，結果表明，振動篩結構的最大位移值為5.892 mm，發生在橫梁上；最小振動位移為5.03 mm，發生在前支座組。與原結構相比，篩箱各結構部件之間的位移差異略有減小。整個振動篩具有足夠的動態剛度，工作可靠性增加。所有結構件的動應力有明顯的增加，但整個結構的最大動應力顯著減小，振動篩橫梁結構的動應力分布更加趨于均勻。卸料梁、材料梁等橫梁結構最大動應力值有了明顯的下降。原結構設計中1 號、3 號、4 號橫梁的最大等效應力為95.5 MPa、68.5 MPa、99.2 MPa，接近材料許用應力。改進后的相同位置的動態應力值明顯降低，分別下降了68.6%、17.5%和52.7%，振動篩的動態性能得到了改善，橫梁結構使用壽命增加。

4 結語

洗煤用振動篩是洗煤加工行業中使用的最重要的機器之一，可確保將煤產品選成各種尺寸和等級。但是利用振動篩來滿足不斷變化的精煤物需求，面臨著更大的機械性安全風險。為了降低洗煤用振動篩橫梁結構的斷裂風險，采用ANSYS 軟件完成了以下三方面的工作。

1）根據振動篩橫梁結構的靜態和動態分析結果，最大靜應力、最大動應力及其作用位置有很大的不同。考慮到振動篩是一種振動設備，采用動態法進行結構設計是較合理的選擇。

2）振動篩在工作狀態下的激勵頻率遠大于前3 個固有頻率，從而得出在一般情況下，橫梁結構斷裂屬于低應力斷裂。

3）橫梁結構改進后，不再在動載荷區對梁結構進行缺口式設計。仿真計算得出，橫梁結構動態等效應力最大值顯著降低，改善了振動篩橫梁的應力分布，提高了使用壽命。