煤泥篩選篩板弧形座疲勞壽命分析研究

李 楠

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046100）

引言

選煤弧形篩是對(duì)泥煤進(jìn)行預(yù)先處理及回收泥煤的設(shè)備，在使用過(guò)程中，通過(guò)電機(jī)振動(dòng)的作用，篩板弧形座與篩面組成的諧振機(jī)構(gòu)能夠避免篩縫的堵塞，提高弧形篩的脫介、脫水性能[1]。長(zhǎng)期承受交變載荷及泥煤沖擊的作用下，篩板弧形座的結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生疲勞破壞，對(duì)泥煤篩選的效率造成影響。采用數(shù)值仿真的形式在弧形座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行分析，有助于對(duì)弧形底座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2]，對(duì)弧形篩疲勞研究提供了基礎(chǔ)，提高了選煤弧形篩的可靠性。

1 選煤弧形篩的結(jié)構(gòu)組成

弧形篩在泥煤的篩選中被廣泛應(yīng)用，VSB302060選煤弧形篩的結(jié)構(gòu)組成主要包括篩箱、篩板弧形座、振動(dòng)電機(jī)及隔振彈簧。篩箱是選煤弧形篩的承載部件，煤泥混合物在篩箱內(nèi)受到振動(dòng)作用[3]，通過(guò)篩板沿著底板流動(dòng)，通過(guò)出煤板上的卸口排出。篩板弧形座是主要的參振部件，通過(guò)減震器與篩箱連接，另一端通過(guò)振動(dòng)桿與振動(dòng)電機(jī)相連接，通過(guò)振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的激振力，篩板產(chǎn)生振動(dòng)進(jìn)行選煤[4]。振動(dòng)電機(jī)通過(guò)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生離心力來(lái)提供激振力，能夠依據(jù)選煤作業(yè)的需要進(jìn)行激振力的調(diào)整。

選煤弧形篩在工作過(guò)程中，泥煤混合物顆粒在進(jìn)入篩板后，沿著弧形篩的弧度進(jìn)行輸送，其中的不同顆粒在重力作用下形成分層[5]，靠近篩板的部分由于摩擦作用使得流動(dòng)速度降低出現(xiàn)速度差，在離心力的作用下，細(xì)小的顆粒通過(guò)篩縫流出，而顆粒較大的煤矸等顆粒落在篩板上層，完成煤泥的洗選過(guò)程[6]。篩板弧形座和篩箱之間結(jié)構(gòu)可以讓篩板產(chǎn)生較大的諧振作用，減小篩面的堵塞率，提高選煤作業(yè)的可靠性。

2 篩板弧形座靜力學(xué)分析

2.1 有限元分析模型的建立

以篩板弧形篩的靜力學(xué)分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行疲勞壽命分析，首先采用Creo 三維建模軟件進(jìn)行篩板弧形座模型的建立，對(duì)弧形座的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，將建好的三維模型以igs 格式導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 中。

篩板弧形座的材料為Q235A，其彈性模量為212 GPa，泊松比為0.288，屈服強(qiáng)度為235 MPa，對(duì)篩板弧形座進(jìn)行材質(zhì)參數(shù)的設(shè)定[7]。由于篩板弧形座的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在ANSYS 中采用自由網(wǎng)格的形式選用SOLID186 實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，得到篩板弧形座的網(wǎng)格劃分模型如圖1 所示，共計(jì)得到147 800個(gè)單元、236 410 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 篩板弧形座網(wǎng)格劃分模型

2.2 邊界條件設(shè)定與載荷施加

篩板弧形座與篩箱之間通過(guò)減震器進(jìn)行連接，篩板弧形座上與減震器連接的位置采用彈性約束，建立螺栓孔的內(nèi)部中心節(jié)點(diǎn)[8]，將螺栓孔內(nèi)表面的節(jié)點(diǎn)耦合到中心點(diǎn)處，沿著螺栓孔的軸線(xiàn)方向建立一個(gè)外節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間采用彈簧- 阻尼單元的形式建立彈性約束，從而實(shí)現(xiàn)篩板弧形座的彈性約束。在外節(jié)點(diǎn)的位置施加固定約束，從而完成分析模型的邊界條件設(shè)定。

篩板弧形座在工作過(guò)程中，主要受到重力作用及振動(dòng)電機(jī)的作用力，通過(guò)施加重力加速度的形式施加重力作用[9]，振動(dòng)電機(jī)的作用通過(guò)彈簧單元的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，由此進(jìn)行篩板弧形座的靜力學(xué)分析。

2.3 靜力學(xué)分析結(jié)果

對(duì)篩板弧形座完成邊界條件對(duì)設(shè)定及載荷加載，對(duì)其進(jìn)行求解后處理，得到篩板弧形座的應(yīng)力分布如圖2 所示。從圖2 中可以看出，篩板弧形座受到的應(yīng)力主要集中在與減震器相連接的螺栓孔位置處，最大的應(yīng)力值為20.1 MPa，振動(dòng)桿與篩板弧形座連接位置處受到的應(yīng)力作用也較大，但整體的應(yīng)力值相對(duì)材料的屈服極限235 MPa 較小，篩板弧形座的靜力學(xué)強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。

圖2 篩板弧形座應(yīng)力（MPa）分布云圖

3 篩板弧形座的疲勞壽命分析

篩板弧形座的疲勞研究是針對(duì)弧形座的結(jié)構(gòu)在承載時(shí)的強(qiáng)度情況及應(yīng)力與壽命之間的關(guān)系，疲勞壽命指在弧形座破壞之前能夠承受的循環(huán)載荷的作用次數(shù)或時(shí)間[10]，弧形座的工作條件、零件狀態(tài)及材料性質(zhì)是影響疲勞壽命的主要因素。

材料的S-N 曲線(xiàn)描述所施加的應(yīng)力S 和弧形座疲勞壽命N 之間的關(guān)系，篩板弧形座的材料為Q235A，依據(jù)相關(guān)研究Q235A 材料的S-N 曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 Q235A 材料的S-N 曲線(xiàn)

DesignLife 是進(jìn)行疲勞分析的專(zhuān)業(yè)軟件，擁有豐富的材料庫(kù)及強(qiáng)大的參數(shù)定義功能，以有限元分析為基礎(chǔ)，采用圖形化的操作進(jìn)行疲勞壽命的分析計(jì)算。在DesignLife 軟件中拖入篩板弧形座的循環(huán)載荷、有限元分析結(jié)果、材料的疲勞性能，由此即可進(jìn)行疲勞壽命的分析。

在S-N 分析模塊中，對(duì)材料屬性和載荷屬性的設(shè)置是重要的步驟，通過(guò)屬性設(shè)置將篩板弧形座靜力學(xué)分析的結(jié)果和載荷時(shí)間的歷程相匹配，生成一時(shí)間為變量的應(yīng)力張量，兩者之間通過(guò)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

式中，σ（ijt）為以時(shí)間為變量的應(yīng)力張量；P（kt）為輸入的載荷譜；ScaleFactork為縮放因子；Offsetk為載荷偏移量；σij，k為靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果中的應(yīng)力；Dividerk為名義化因子；k 為不同的載荷步。

綜合有限元分析的結(jié)果、載荷作用時(shí)間為8 s 及材料的S-N 曲線(xiàn)，采用Miner 法則進(jìn)行篩板弧形座的疲勞壽命計(jì)算，得到弧形座的疲勞壽命云圖如圖4 所示。

圖4 篩板弧形座的疲勞壽命云圖

從圖4 中可以看出，篩板弧形座在與減震器連接的螺栓孔位置最容易產(chǎn)生疲勞破壞，其疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)為9.439×106次，在工作頻率為26 Hz 的工況下，篩板弧形座的疲勞壽命為9.439×106×8×26=1.963×109次。依據(jù)振動(dòng)篩使用的疲勞極限需達(dá)到109次的標(biāo)準(zhǔn)，則篩板弧形座的壽命滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，將篩板弧形座的疲勞壽命分析結(jié)果與靜力學(xué)分析結(jié)果相比，篩板弧形座上容易出現(xiàn)疲勞破壞的位置與靜力學(xué)分析應(yīng)力集中的位置基本保持一致，即應(yīng)力集中容易造成篩板弧形座的疲勞破壞。在篩板弧形座的中間位置處，靜力學(xué)分析受到的應(yīng)力作用較小，同樣疲勞壽命也較短，這說(shuō)明在滿(mǎn)足靜力學(xué)要求的弧形座結(jié)構(gòu)中，也存在這產(chǎn)生疲勞破壞的可能，可據(jù)此對(duì)篩板弧形座的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，提高中間位置的疲勞壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

選煤弧形篩是進(jìn)行煤炭洗選的重要設(shè)備，對(duì)煤炭洗選的脫水、脫介具有良好的性能，通過(guò)諧振作用能夠有效降低篩面的堵塞率。在工作過(guò)程中，篩板弧形座受到交變載荷的作用容易產(chǎn)生疲勞損壞，影響選煤過(guò)程的進(jìn)行。針對(duì)篩板弧形座進(jìn)行疲勞壽命分析，建立有限元分析模型，分析其靜力學(xué)應(yīng)力分布，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞壽命的分析。

分析結(jié)果表明：篩板弧形座的整體應(yīng)力分布較小，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需求，疲勞壽命的次數(shù)滿(mǎn)足振動(dòng)篩使用的疲勞極限。在靜力學(xué)分析中應(yīng)力集中的連接螺栓孔位置處是最容易產(chǎn)生疲勞破壞的位置，同時(shí)，在篩板弧形座的中間位置疲勞壽命也較短。