選煤用振動篩靜力學分析及橫梁結構優化研究

程 偉

（西山煤電馬蘭礦選煤廠， 山西 太原 030205）

引言

煤炭資源在我國整個能源結構體系中占據非常重要的地位，煤炭資源能否正常供應對人們日常生產生活意義重大。在礦井中開采獲得的煤塊物料，通常需要在選煤廠中進行進一步加工處理才能投入使用。直線振動篩是選煤廠中的關鍵設備之一，其運行過程的穩定性會對選煤質量和效率產生直接影響。隨著煤礦領域技術水平的不斷提升，對直線振動篩的力學性能要求越來越高，但在工程實踐中發現振動篩的部分結構件容易出現故障問題，甚至發生斷裂，對設備的運行穩定性和可靠性都造成了不良影響。以ZK3648直線振動篩為研究對象，基于有限元方法對其靜力學特征開展分析，并對橫梁結構進行優化改進，提升了振動篩整體運行的穩定性。

1 直線振動篩基本工作原理

ZK3648 直線振動篩主要由支撐組件、傳動裝置、篩箱、振動裝置以及彈簧等部分構成。如圖1 所示為振動篩的基本工作原理示意圖。在箱體上設置有振動激振器，主要是兩個偏心塊，且具有相同的質量，在兩個電機的作用下，兩個偏心塊做同步的、方向相反的旋轉運動，進而形成激振力。在任何時刻，兩個偏心塊產生的離心力都在相同方向上，可以相互疊加，而在法向方向上的力，方向正好相反，相互抵消。在離心力的作用下，箱體整體與水平方向呈45°方向做往復直線運動，并帶動篩機網面做相同方向上的運動。篩機網面在運動過程中會將表面上的煤礦物料斜向上拋出，進而實現物料分級、脫泥、脫水的效果。

圖1 直線振動篩的工作原理示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 三維建模及其導入

根據ZK3648 直線振動篩的實際結構尺寸，利用Pro/E 軟件建立三維幾何模型，然后通過通用格式.iges將其導入Ansys 有限元軟件中。三維建模時為了在確保計算結果精度的前提下簡化計算過程，縮短計算時間，需做如下假設：只對關鍵零件進行建模，忽略不重要的零件，以降低模型的復雜程度；對一些比較小的結構、零部件進行簡化或忽略處理，比如倒角、倒圓等。已有的實踐經驗表明，以上假設并不會對最終計算結果產生明顯的影響。建模完成后的模型示意圖如圖2 所示。

圖2 直線振動篩的三維仿真模型

2.2 有限元建模

在有限元模型中對于振動篩所有的支撐底板約束6 個方向的自由度，各個結構和零部件之間基于MPC 接觸算法進行連接，將激振器質量點的類型設置為Mass21，根據實際情況將激振器的工作頻率設置為16.1 Hz。Ansys 軟件中提供了很多種網格單元，本研究中選用Solide186 型單元類型，并通過軟件自動確定網格單元的大小，進行自動化網格劃分，劃分得到的網格單元數量為12 566 個，網格節點數量為13 467 個。振動篩橫梁結構的無縫鋼管材料為20 鋼，其余結構材料為Q345。前者的楊氏模量、泊松比、屈服強度分別為206 GPa、0.3、245 MPa，后者對應的楊氏模量、泊松比、屈服強度分別為206 GPa、0.3、345 MPa。將以上材料參數輸入到有限元模型中，以便得到準確結果。

2.3 振動篩靜力學結果分析

完成模型的計算工作以后，可以對振動篩的靜力學結果進行提取分析，如圖3 所示為振動篩的位移等值線圖和應力等值線圖。由位移等值線圖可以看出，整個振動篩的位移變形情況差別不大，且均相對較小。出現這種情況的原因在于橡膠彈簧可以產生相對較大的變形，導致振動篩沿著相同方向做整體移動，所以各個結構件的位移變形情況相對較小。由應力等值線圖可以看出，振動篩絕大部分結構件的應力值都非常低，只有局部位置出現了一定的應力集中現象。出現應力集中的部位主要表現在橫梁6 的槽鋼與圓管焊接的區域，最大應力值為297 MPa。彈簧組件下座體與鋼板焊接的部位同樣出現了應力集中現象，但應力值稍小，為264 MPa。出料量中槽鋼與梁焊接的位置應力值也稍微較大，為162 MPa。對于橫梁結構件，應力最大值普遍出現在法蘭與側板相連接的部位。

圖3 振動篩的位移等值線圖和應力等值線圖

橫梁法蘭、槽鋼等結構件通常采用Q345 材料加工制作，此類材料的屈服強度值為345 MPa。根據安全系數計算公式：

式中：σs和σmax分別表示材料的屈服強度值和實際應用中承受的最大應力值。根據以上公式可以計算得到振動篩結構的安全系數值為1.16。根據機械設計中的普遍要求，結構件的安全系數通常要在1.5 以上，振動篩實際安全系數遠低于1.5，這是其容易出現缺陷問題的重要原因之一。另一方面，振動篩工作過程中需要承受循環往復運動，意味著結構件承受的是周期性的循環載荷，時間長久后會產生疲勞損傷，進一步加劇結構件的損傷甚至導致斷裂。

3 振動篩橫梁結構的優化改進研究

3.1 優化方案

振動篩橫梁主要由三大部分構成，分別為無縫鋼管、頂面槽鋼以及兩端連接法蘭，各零件之間通過焊接方式進行連接。法蘭上有螺孔，通過高強螺栓與側板進行連接。通過上文分析可以看出原橫梁結構在工作過程中局部位置出現了一定的應力集中現象，不利于橫梁結構的運行穩定性，時間長久后容易出現斷裂問題。為了提升振動篩橫梁結構的整體性能，對橫梁的結構進行優化改進，如圖4 所示為振動篩橫梁結構優化方案示意圖，主要是對橫梁結構頂面的槽鋼結構進行改進，增加槽鋼底面寬度，使其向外延伸一段距離。通過這種優化改進方案，能在一定程度上提升整個橫梁結構的強度和剛度，降低工作過程中的應力和變形量。

圖4 振動篩橫梁結構優化方案示意圖

3.2 優化結果

對于優化改進后的振動篩橫梁結構，再次利用Ansys 軟件建立對應的有限元模型，建模過程和相關屬性設置與之前模型完全相同。完成模型計算工作后，同樣可以提取靜力學分析結果。如下頁圖5 所示為橫梁結構優化改進前后振動篩的最大變形量和最大等效應力值的對比情況。由圖中數據可知，通過對橫梁結構的優化改進，使得振動篩的最大變形和最大應力分別降低到了0.059 mm 和188 MPa，與優化改進前的0.125 mm 和297 MPa 相比較，降低幅度分別達到了52.8%和36.7%。可見，通過對橫梁的改進使其強度和剛度均得到了一定程度的提升。根據安全系數計算公式可以得到改進后振動篩的安全系數為1.835，超過了標準規范中要求的1.5，意味著振動篩工作時具有相對較高的安全性和穩定性。

將優化改進后的橫梁結構應用到ZK3648 直線振動篩工程實踐中，對其運行狀態進行了連續三個月時間的測試，結果發現其整體運行較為穩定。經過分析認為優化后的橫梁結構使用壽命與優化前相比較提升了15%以上，取得了良好的經濟效益。

4 結論

以ZK3648 直線振動篩為研究對象，利用Pro/E和Ansys 軟件在必要簡化的基礎上建立了對應有限元模型，經靜力學分析發現振動篩局部位置出現了顯著的應力集中現象，結構的最大變形和最大應力分別為0.125 mm 和297 MPa，對應的安全系數為1.16，低于行業標準1.5。對振動篩的橫梁結構進行優化改進，主要是對橫梁的頂面槽鋼進行改進。對改進后的結構再次進行靜力學分析，其最大應力值降低到了188 MPa，與前期相比降低了36.7%，對應的安全系數為1.835，達到了行業標準要求。將優化后的橫梁結構應用到直線振動篩中取得了理想的效果，使用壽命提升了15%以上。