洗煤用振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析設(shè)計(jì)

許志鵬

(華陽集團(tuán)二礦選煤廠，山西 陽泉 045000)

0 引 言

振動(dòng)篩是洗煤廠重要的生產(chǎn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于煤礦物料分級(jí)、脫介、脫泥等過程。煤炭開采行業(yè)對(duì)振動(dòng)篩的需求持續(xù)增大，與此同時(shí)，對(duì)振動(dòng)篩自身的性能和質(zhì)量也有更高的要求。根據(jù)工作原理，振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)是重要的承力性構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)在煤礦開采過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)很容易受到周期性振動(dòng)載荷的影響而引發(fā)循環(huán)塑性損傷，甚至發(fā)生疲勞斷裂及各類故障，不利于洗煤過程的連續(xù)高效運(yùn)行。為此，針對(duì)ZK3648型振動(dòng)篩容易出現(xiàn)故障的部位，筆者深入分析振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性，采取有效優(yōu)化改進(jìn)措施，增強(qiáng)橫梁結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵構(gòu)件性能壽命，確保振動(dòng)篩設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

1 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)特征及原理

ZK3648型振動(dòng)篩主要由篩箱、振動(dòng)裝置、篩面、彈簧裝置及傳動(dòng)裝置等部分組成。其中，篩箱既要承受煤礦物料的重量，又要承受振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)過程中振動(dòng)載荷和加速度等的作用，故必須具備很好的強(qiáng)度和剛度；振動(dòng)裝置按照自同步塊偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是振動(dòng)篩的核心部件，其性能直接決定著整個(gè)機(jī)械的振動(dòng)效果；篩面結(jié)構(gòu)直接與煤礦物料接觸，并進(jìn)行物料分級(jí)，物料的摩擦?xí)p篩面結(jié)構(gòu)，所以該結(jié)構(gòu)必須定期更換；該型號(hào)振動(dòng)篩主要使用吸振效果良好、使用壽命較長的橡膠彈簧；ZK3648型振動(dòng)篩直接通過萬向軸節(jié)連接電動(dòng)機(jī)，為加強(qiáng)度傳動(dòng)裝置的保護(hù)，必須增設(shè)防護(hù)罩。

振動(dòng)篩擺動(dòng)頻率主要借助激振器激發(fā)，同時(shí)將質(zhì)量相同的配重模塊裝配在振動(dòng)篩兩側(cè)，在振動(dòng)篩運(yùn)行過程中主要圍繞平衡軸產(chǎn)生偏心力，使煤炭物料循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在這一過程中達(dá)到不同粒級(jí)物料分類精選及脫泥、脫介的目的[1]。振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)簡圖詳見圖1，其中ω表示2個(gè)簡化偏心模塊旋轉(zhuǎn)角速度，m表示2個(gè)簡化偏心模塊質(zhì)量。

2 振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)仿真分析

2.1 三維模型及有限元模型構(gòu)建

通過UG三維建模軟件及與實(shí)際尺寸1:1的比例構(gòu)建ZK3648型振動(dòng)篩三維幾何模型(見圖2)。考慮到洗煤用振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若完全按照真實(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)建仿真模型，必將使分析過程復(fù)雜化，為保證仿真計(jì)算結(jié)果的精確度，忽略振動(dòng)篩附加部件及對(duì)振動(dòng)篩受力影響不大的零部件，并簡化篩板結(jié)構(gòu)，將其視為直接作用于橫梁槽鋼結(jié)構(gòu)上質(zhì)量塊，并將激振器視為整體，從而進(jìn)行振動(dòng)篩橫梁部位結(jié)構(gòu)的精細(xì)建模。

圖1 振動(dòng)篩工作原理簡圖

將采用UG三維建模軟件所構(gòu)建的三維幾何模型導(dǎo)出為STP格式，并隨即導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中，采用SOLIDE186類型網(wǎng)格單元?jiǎng)澐帜Ｐ途W(wǎng)格，并根據(jù)軟件推薦值確定網(wǎng)格邊長和網(wǎng)格劃分方式[2]。最終所得到的ZK3648型振動(dòng)篩有限元單元數(shù)量為176893，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為223452。

洗煤用振動(dòng)篩正常運(yùn)行的情況下支撐底板處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以模型中必須固定支撐底板全部約束，為簡化分析，將振動(dòng)篩加強(qiáng)板和側(cè)板均設(shè)置為剛體，以避免其發(fā)生變形。振動(dòng)篩全部零部件間的摩擦系數(shù)統(tǒng)一按0.03考慮，并使所增設(shè)的兩個(gè)偏心塊處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.2 靜態(tài)分析

通過對(duì)ZK3648型振動(dòng)篩進(jìn)行靜態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，橫梁結(jié)構(gòu)達(dá)到靜態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)篩所有部件中橫梁結(jié)構(gòu)位移變形量最大，達(dá)到12.45 mm，最大位移主要出現(xiàn)在橫梁結(jié)構(gòu)槽鋼中間部位；橫梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大應(yīng)力值為120.30 MPa，該值也主要出現(xiàn)在橫梁槽鋼中間位置，具體見表1。靜力學(xué)分析結(jié)果所得到的最大應(yīng)力值未超出材料允許范圍，并具備一定的靜強(qiáng)度，但取值仍然較高。振動(dòng)篩在循環(huán)往復(fù)的周期性運(yùn)動(dòng)過程中其橫梁結(jié)構(gòu)必將承受周期性的大幅值應(yīng)力載荷，引發(fā)槽鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力損傷、裂紋的可能性較大[3]。

表1 ZK3648型振動(dòng)篩靜力學(xué)分析結(jié)果

2.3 動(dòng)態(tài)分析

應(yīng)用ANSYS有限元軟件中的BLOCK LANCZOS模塊進(jìn)行振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)運(yùn)行模態(tài)分析，所得到的振動(dòng)篩前十個(gè)固有頻率依次為2.389 8 Hz、2.402 7 Hz、3.318 4 Hz、5.034 3 Hz、6.447 6 Hz、6.398 7 Hz、13.904 3 Hz、20.004 7 Hz、21.289 1 Hz、23.165 5 Hz，振動(dòng)篩工作頻率設(shè)計(jì)值16.65 Hz。振動(dòng)篩一階模態(tài)、二階模態(tài)及三階模態(tài)分別沿z、x軸擺動(dòng)和y軸四周扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，激振頻率選擇振動(dòng)篩工作頻率，進(jìn)行振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)位移及動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)力等的計(jì)算，具體見圖3。

圖2 振動(dòng)篩三維幾何模型 圖3 振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)運(yùn)行模態(tài)分析模型

結(jié)果顯示，最大振動(dòng)位移量6.554 mm出現(xiàn)在橫梁處，最小振動(dòng)位移量5.387 mm出現(xiàn)在前支撐組，且振動(dòng)篩篩箱部件間位移差異并不大。振動(dòng)篩整體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)剛度較大，但橫梁表現(xiàn)出較大的位移量，必須優(yōu)化。

3 振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

文中所研究的振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其中連接法蘭、槽鋼、無縫鋼管等是核心構(gòu)件，不同構(gòu)件主要通過焊接方式加工，橫梁結(jié)構(gòu)最終借助高強(qiáng)螺栓固定于側(cè)板處，并在運(yùn)行過程中承受較大的周期性載荷作用，發(fā)生斷裂的可能性較大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，振動(dòng)篩故障中因橫梁斷裂而引發(fā)的故障占比在50%以上，為此，必須加強(qiáng)振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制其運(yùn)行應(yīng)力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，延長使用壽命。

根據(jù)以上對(duì)振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)的仿真模擬和理論分析，剛度缺陷是造成其橫梁結(jié)構(gòu)容易斷裂的根本原因，故應(yīng)從增設(shè)縱梁以提升橫梁結(jié)構(gòu)剛度的角度進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。對(duì)改進(jìn)后的橫梁結(jié)構(gòu)再次建模，除橫梁結(jié)構(gòu)調(diào)整外，其余過程均與原模型一致，對(duì)重新構(gòu)建的三維幾何模型進(jìn)行ANSYS有限元分析。具體見圖4。

圖4 振動(dòng)篩橫梁優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

3.2 優(yōu)化后橫梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

根據(jù)對(duì)優(yōu)化后振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化后位移變形量最大僅為0.48 mm，應(yīng)力值最大為100.41 MPa，位移變形量最大值和應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在橫梁槽鋼的中間位置；且與優(yōu)化前相比，位移變形量最大值和應(yīng)力最大值均顯著降低。分析結(jié)果表明，橫梁結(jié)構(gòu)通過增設(shè)縱梁的方式提升剛度后，在周期循環(huán)運(yùn)動(dòng)中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及使用壽命將大大增加和延長。

通過BLOCK LANCZOS進(jìn)行改進(jìn)后振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)位移量最大值5.247 mm發(fā)生在橫梁處，位移量最小值4.975 mm出現(xiàn)在前支座組。與優(yōu)化前相比，篩箱各部件位移量均減小，振動(dòng)篩整體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)剛度有所提升，各構(gòu)件動(dòng)應(yīng)力明顯增大，性能穩(wěn)定性和可靠性增強(qiáng)，振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力分布也更加均勻。

4 結(jié) 語

綜上所述，振動(dòng)篩性能的穩(wěn)定性和可靠性關(guān)系到整個(gè)洗煤過程的運(yùn)行效率，通過ANSYS有限元軟件對(duì)ZK3648型振動(dòng)篩進(jìn)行的靜力學(xué)及動(dòng)態(tài)分析結(jié)果表明，橫梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大，也最容易發(fā)生運(yùn)行故障，使用壽命也受到較大影響。通過增設(shè)縱梁的方式改進(jìn)優(yōu)化橫梁結(jié)構(gòu)后，振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)剛度明顯增大，且橫梁處最大應(yīng)力值顯著降低，應(yīng)力分布情況得以改善，使用壽命提升。