噴霧降塵器防護結構設計與分析

常波峰，郭奮超，馬 亮，朱玉峰，劉 寬

陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司 陜西神木 719300

1 結構設計

噴霧降塵器安裝在綜采工作面配合采煤機使用，而采煤機在切割煤壁時造成巨大震動和大塊煤塊砸落，在考慮旋轉部件穩定工作以及保護內部管路不受破壞的前提下，需要對防護外殼的結構及強度進行設計分析。噴霧降塵器結構如圖 1 所示，由后防護網、防護外殼、水動力扇葉、水動力旋轉軸、萬象噴嘴、前防護網、噴嘴噴管、高壓水管、三通管、旋轉法蘭等零部件組成。

圖1 噴霧降塵器結構Fig. 1 Structure of spray duster

1.1 研究方法

運用 ANSYS 對防護外殼進行沖擊載荷下的強度校核和模態分析，然后制作型機進行設備運轉和噪聲測定試驗。分別在無外界干擾和井下作業下的環境進行測試，若測試結果不理想，則對防護外殼尺寸和內部結構重新設計；待符合使用要求后，再進行批量生產推廣。防護外殼設計分析框架如圖 2 所示。

圖2 防護外殼設計分析框架Fig. 2 Design analysis framework of protective shell

1.2 防砸性設計

采煤機切割煤壁后會有大塊煤巖砸落，而降塵器內水管和旋轉部件的運轉要求裝置具有良好的防砸性。噴霧降塵器防護外殼如圖 3 所示，主要包括支撐底座、噴嘴防護殼和主防護外殼。

圖3 噴霧降塵器防護外殼Fig. 3 Protective shell of spray duster

支撐底座除固定支撐整個裝置外，還起到保護高壓水管的作用；而噴嘴噴管和萬象噴嘴嵌套在噴嘴防護殼中，固定和保護噴嘴和管路；主防護外殼主要保護和固定旋轉部件，需要較高的強度和振動穩定性，所以這部分外殼厚度被設計為 20 mm，約占整個裝置質量的一半以上。

1.3 防護外殼內部結構設計

防護外殼設計分析框架如圖 4 所示。為考慮管路的布置和旋轉部件的固定，噴嘴防護殼內設計了 2 個高壓水管通孔、前后 8 個防護網固定板、噴嘴噴管空腔和 2 個十字軸承座。雙十字軸承座的設計為旋轉部件提供支撐，并防止外界沖擊過大導致軸承失衡，從而降低設備運轉時的噪聲。防護網固定板的設計不僅用于固定前后防護網，而且可以減小在外界沖擊下十字軸承座受到的應力和應變。

圖4 防護外殼內部結構Fig. 4 Internal structure of protective shell

2 防護外殼結構分析

2.1 動力學分析

2.1.1 幾何建模

為提高分析速度，使用三維軟件對防護外殼模型特征進行適當簡化，忽略焊接對結構受力的影響，忽略所有的倒角和倒圓，簡化所有螺紋孔[7]。

留置作為監察委員會最為剛性的調查手段，除通過上述條文詞源的考據得出其一般共性(即強制性)外，國家監察法中的留置法律概念還須根據國家監察體系制度設計對其重構，并在憲法的語境下充分探析。

2.1.2 材料屬性設置

防護外殼材料選擇強度較高的 45 鋼，彈性模量為 209 GPa，密度為 7 890 kg/m3，泊松比為 0.269，屈服強度為 355 MPa。

2.1.3 網格劃分

采用四面體網格對簡化后的模型進行網格劃分，Element Size 設定為 10 mm，劃分后節點數為 222 005個，單元總數為 135 200 個，防護外殼網格劃分如圖5 所示。

圖5 防護外殼網格劃分Fig. 5 Grid division of protective shell

2.1.4 載荷及約束設置

現實情況受力較復雜，將防護外殼的受力狀態簡化，添加自重約束。防護外殼用螺栓固定在采煤機上，對底座和防護網固定螺栓孔施加固定約束，根據2 t 煤巖砸落在防護外殼的狀況，將 20 000 N 的階躍載荷作用在防護外殼表面為 100 mm2的區域上，作用區域中心坐標為 (98.33，113.16，205.00)，沖擊載荷方向相切于圓柱形防護外殼表面，并依據旋轉部件的質量和重心位置，對靠近前防護網的十字軸承座下表面施加 0.4 MPa 的壓力，對靠近后防護網的十字軸承座下表面施加 0.1 MPa 的壓力。

2.1.5 結果分析

防護外殼在沖擊載荷下的等效應力如圖 6 所示，防護外殼所受應力分布均勻，最大正應力在上端防護網固定板位置處，大小為 265 MPa，分析結果遠小于45 鋼的屈服強度 355 MPa。可見，防護外殼結構設計合理，整體強度滿足現場使用。

圖6 防護外殼等效應力云圖Fig. 6 Equivalent stress contours of protective shell

防護外殼在沖擊載荷下的變形云圖如圖 7 所示。整個防護外殼變形主要發生在防護外殼上半部分，最大變形為 0.001 mm，發生在防護網固定板位置處，與應力分析結果一致。十字軸承座的支撐板最大變形小于 0.001 mm，而承載軸承的空心圓柱幾乎沒有發生變形，故防護外殼的結構設計可以保證噴霧降塵器的正常運轉。

圖7 防護外殼變形云圖Fig. 7 Displacement contours of protective shell

2.2 防護外殼模態分析

噴霧降塵器在采煤機上使用，會受到采煤機工作和煤巖砸落等外界激勵的影響。為避免防護外殼因為共振頻率產生變形和噪聲，影響降塵器的正常運轉和使用壽命，筆者通過模態分析對防護外殼的固有頻率和振型進行仿真。

2.2.1 數學模型

自由模態分析是通過建立系統特征值問題，用各種近似方法求解系統特征值和特征矢量，根據牛頓第二定律建立振動微分方程式

無阻尼自由度振動一般合成為簡諧運動

式中：M為振動體的質量矩陣，kg；˙˙x為振動質量位移方向的加速度，m/s2；K為彈性元件剛度矩陣，N/m；為振動質量的位移，m；A為振幅，m；ω為角速度，rad/s；t為時間，s。

由式 (1)、(2) 可得

則系統振動的固有頻率

式中：ωn為振動系統的固有頻率，rad/s。

2.2.2 模態分析求解結果

防護外殼自由狀態下的模態分析求解結果如表 1所列，其中包括防護外殼前 11 階固有頻率和振型描述。前 6 階振型為剛體模態，頻率大小近乎為 0，因此可忽略；第 7 階至第 11 階防護外殼振型如圖 8 所示。由于噴霧降塵器所使用的工作環境振動頻率遠小于 400 Hz，所以防護外殼設計合理，滿足工作使用。

圖8 防護外殼 7～ 11 階模態振型Fig. 8 Vibration modes of order 7～ 11 of protective shell

表1 防護外殼前 11 階固有頻率與振型Tab.1 Natural frequency and vibration modes of preceding 11 orders of protective shell Hz

3 型機試驗

噴霧降塵器防護外殼設計完成后，進行型機制造和試驗驗證，對噴霧降塵器型機進行噴霧試驗，然后在井下進行現場應用試驗。

3.1 噴霧降塵器噴霧試驗

防護外殼組裝后對噴霧降塵器進行水壓 5 MPa、保壓 1 h 的噴霧運轉試驗，型機噴霧試驗如圖 9 所示，試驗時設備運轉狀況良好。

圖9 型機噴霧試驗Fig. 9 Spray test of prototype

3.2 現場應用

將噴霧降塵器運送至井下進行現場應用，如圖10 所示。噴霧降塵器噴射的噴霧可以很好地覆蓋采煤機滾筒，防護外殼被切割掉落的煤巖頻繁擊打，經過一個開采班組 8 h 試用后，噴霧降塵器正常運轉，防護外殼無損傷，無變形。

圖10 現場應用Fig. 10 Field application

4 結語

以噴霧降塵器防護外殼為研究對象，對防護外殼結構進行設計，并結合振動穩定性和防砸性等現場使用條件，運用仿真軟件對其進行動力學分析和模態分析。通過制作型機分別在無外界干擾和井下工作的環境進行噴霧試驗和現場應用證明，該防護外殼結構合理，能保護設備正常運轉。仿真計算和試驗結果都符合噴霧降塵器的使用要求，為噴霧降塵器的結構設計提供了參考。