選煤廠弧形篩篩板的柔化及仿真分析

宋 丹

（山西焦煤霍州煤電李雅莊洗煤廠， 山西 臨汾 031400）

0 引言

選煤廠是對原煤進行再加工處理的場所，是提高煤炭質量的一道重要工序。弧形篩篩面與弧形篩相互組合的獨特結構能夠避免篩縫的堵塞，其脫介、脫水性能相比于普通弧形篩得到明顯的改善。在實際生產中，弧形篩的工作量很大，在長期的運行中弧形篩承受著物料的質量；而且在振動電機的作用下，設備還需承受交變的激振力；在此種工況下，弧形篩會出現不同程度的疲勞破壞，甚至出現斷裂、開裂的情況，從而無法完成其篩分的功能。為了獲得弧形篩的真實疲勞壽命，本文將對弧形篩進行柔化處理，在此基礎上對其疲勞壽命進行仿真分析[1-2]。

1 弧形篩概述

本文研究型號為VSB302060 的弧形篩，其主要結構包括篩箱、振動電機、篩板弧形座和隔振彈簧[3]。該設備是結合了普通弧形篩和振動弧形篩改進而來的，該設備區別于普通弧形的關鍵點是能夠有效防止物料對篩縫的堵塞。VSB302060 型弧形篩的基本結構如圖1 所示。

圖1 弧形篩普通結構示意圖

弧形篩工作原理如下：當篩面未發生堵塞現象時，該選煤弧形篩與普通弧形篩的工作原理一致，即可實現對煤泥水的脫介脫水處理；當篩面發生堵塞時，選煤弧形篩的振動電機啟動，在振動電機的作用下帶動選煤弧形篩篩板弧形底座的諧振，從而產生較大強度的振動，使得堵塞篩面的顆粒落下，達到疏通篩面的目的。

從整體上講，選煤弧形篩可以有效避免篩面煤炭顆粒對其堵塞現象；而且篩箱的小幅度振動即可帶來大強度的振動，間接保證了篩網的使用壽命。

2 選煤廠弧形篩有限元仿真模型的建立與柔化處理

在以往對選煤弧形篩疲勞壽命分析時，只將設備各部件視為剛性體，而在實際中各部件均為彈性體，導致仿真所得到的結構與實際值存在一定的誤差。因此，本文將重點在對弧形篩柔化處理的基礎上，對設備的疲勞壽命進行仿真分析[4-5]。

2.1 弧形篩有限元仿真模型的建立

首先，基于Pro/E 三維建模軟件對VSB302060 型弧形篩篩板的結構模型進行建立；在建模過程中，在保證仿真計算精度的基礎上，為了減少仿真計算量，對設備本身的倒角、圓角以及螺栓進行簡化處理。然后，將所構建的三維結構模型導入ANSYS 有限元分析軟件中，根據建模材料屬性對模型中的參數進行設置。

VSB302060 型弧形篩篩板弧形座所選的材料是Q235A 鋼，其相應的材料屬性如表1 所示。

表1 弧形篩篩板Q235A 材料屬性

對材料屬性設置完畢后的模型進行網格劃分后，得到數值模擬仿真的模型。網格劃分結果：弧形篩弧形座的網格單元數量為147 807，對應的節點數量為236 411。最終得到弧形篩弧形座的有限元仿真模型如圖2 所示。

圖2 弧形篩弧形座有限元仿真模型

2.2 弧形篩弧形座的柔化處理

以往針對弧形篩弧形座疲勞壽命仿真分析時將其關鍵部件視為剛性；但是，在實際生產中各部件均會出現不同程度的變形。因此，完成將部件視為剛性體，仿真結果與實際生產存在較大的差異性，即不能準確反應弧形篩的疲勞壽命，對實際生產的指導意義不明顯。

因此，需要將弧形篩弧形板進行柔化處理，對應得到弧形篩弧形板的剛柔耦合的仿真模型。目前，可通過ADAMS 軟件和ANSYS 軟件對弧形篩板進行柔性處理。二者比較可知：基于ADAMS 軟件對弧形篩板進行柔性處理，最終所獲得的模型相對簡單且精度較低；而基于ANSYS 軟件對弧形篩板進行柔性處理后，最終所獲得的模型精度較高。因此，本文將采用ANSYS 軟件對弧形篩板進行柔性處理；柔性處理的關鍵在于在模型中建立剛性區域。所謂剛性區域指的是剛性體和柔性體相連接的節點。對于弧形篩的弧形篩板，其剛性區域為模型中減震器的四個螺栓孔，如圖3 所示。

圖3 弧形篩篩板所構建的剛性區域

3 弧形篩篩板的疲勞壽命仿真分析

實踐表明，影響設備疲勞壽命的因素包括有設備本身的工作條件、零部件的工作狀態以及材料的本質屬性等。在上述三大因素中各自還包括有多種小因素，其中設備部件所承受的集中應力、機械構件的尺寸、表面狀態以及設備本身所承受的載荷等均是影響其疲勞壽命的關鍵。

3.1 弧形篩篩板的S-N 曲線

S-N 曲線是疲勞壽命分析的重要依據。弧形篩篩板的材料為Q235A，根據表1 中材料的屬性得到弧形篩板的S-N 曲線如圖4 所示。

圖4 弧形篩篩板S-N 曲線

3.2 篩板的疲勞壽命仿真分析

實踐表明，篩面被煤炭顆粒堵塞后，需要在振動電機的作用下，篩板弧形座聯動篩板形成諧振。可以說，在振動的作用下，弧形篩篩板為薄弱環節，極易發生疲勞破壞。因此，重點對弧形篩板的疲勞壽命進行研究。

在S-N 曲線的指導下，結合弧形篩篩板的載荷和受力情況，所得篩板的疲勞壽命云圖如圖5 所示。

圖5 弧形篩篩板疲勞壽命仿真云圖

對所得的弧形篩篩板的疲勞壽命云圖進行分析得出：篩板上疲勞壽命最薄弱的環節為所構建的剛性區域，即與減震器連接的四個螺栓孔為薄弱環節。而在未對篩板進行柔化處理的仿真模型進行疲勞壽命仿真分析時，所得的仿真結論為篩板滿足設備實際工況的使用要求，無薄弱環節。

因此，為提升弧形篩篩板的使用壽命和安全性，應重點對于減震器連接的四個螺栓孔的位置進行改進，已達到提升其疲勞壽命的目的。

4 結論

弧形篩為選煤廠中對煤泥水進行脫介、脫水處理的關鍵設備，其在實際應用中處于持續工作的狀態。本文所研究的弧形篩是在普通弧形篩和振動弧形篩綜合的基礎上高性能弧形篩，該設備由于可解決篩面堵塞的問題，使得其應用較為廣泛。但是，在振動電機的作用下，其振動幅度較普通弧形篩較大，而且其篩板為整個設備的薄弱環節。本文在對篩板柔化處理的基礎上，對其疲勞壽命進行仿真分析，并得出如下結論：

1）對篩板進行柔化處理后，可以得出與減震器連接的四個螺栓孔為薄弱環節；

2）為提升弧形篩整機設備的使用壽命，可對四個螺栓孔進行改造消除薄弱環節。