選煤廠振動篩疲勞破壞及改造研究

＊李晉雄 楊彬 李永盛

（1.山西潞安礦業(yè)（集團）有限責任公司古城煤礦 山西 046000 2.太原科技大學 山西 030024）

引言

振動篩在選煤廠有分級、脫水、脫介和脫泥等作用，其中篩分和分選功能對煤炭加工尤為重要，所以振動篩的工作效率對選煤廠的效益有直接影響。傳統(tǒng)振動篩的底座支腿常采用鋼制螺旋彈簧，其共振頻率高，且無阻尼效果，導致振動篩使用壽命縮短。

空氣減振器目前廣泛應用于大型客車和商用車，能有效減小地面反作用力對車輛底盤和車架的沖擊，減小車輛因路面沖擊造成的振動，提高乘客舒適性，保護商品完整性[1]。本文提出了一種用空氣彈簧代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制螺旋彈簧的改造方案，延長振動篩的使用壽命。

1.振動篩力學模型分析

煤礦用直線振動篩分設(shè)備通常屬于重型振動篩分設(shè)備。工作時通過兩臺旋轉(zhuǎn)方向相反的振蕩電機同時工作來提供動力，帶動減振系統(tǒng)上的篩機主體做直線振動。振動篩分設(shè)備主要由動力電機、篩箱、支撐座和減振系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 振動篩結(jié)構(gòu)示意圖

振動篩工作時，電機帶動兩臺同步異向偏心式激振器高速旋轉(zhuǎn)，使其產(chǎn)生兩個方向不同的慣性離心力，且兩個離心力的合力始終在一個方向不斷變化[2]。穩(wěn)定運行的振動篩受力分析如圖2所示。

圖2 振動篩在激振器作用下受力分析圖

由圖2的激振器運動力分析圖可以看出，兩臺激振器在X方向的分力相互抵消，而在Y方向的分力疊加并隨著激振器的轉(zhuǎn)角周期性變化，即振動篩始終受到沿Y方向簡諧變化的合力。對直線振動篩在理想工作狀態(tài)下建立運動學方程：

其中，

M—振動質(zhì)量，kg；

m—激振器偏心質(zhì)量，kg；

c—彈簧阻尼，N/(m/s)；

ky—y方向彈簧剛度，N/m；

ω—激振器穩(wěn)定工況下的角速度，rad/s；

α—振動篩的振動方向角。

可知振動篩體受到對稱循環(huán)變應力，可用疲勞破壞理論研究其使用壽命。

2.振動篩疲勞破壞研究

(1)振動篩橫梁疲勞破壞機理

振動篩運行過程中，激振器可以產(chǎn)生10Hz以上的高頻振動，2～12mm的振幅，2～20t的激振質(zhì)量。高強度的交變循環(huán)載荷作用在篩體的橫梁上，使橫梁在使用過程中由于疲勞產(chǎn)生裂紋，尤其是橫梁兩端的裂紋較為嚴重。橫梁在交變載荷下產(chǎn)生的運動狀態(tài)如圖3。

圖3 激振力不同方向時偏心塊狀態(tài)和橫梁彎曲狀態(tài)

S-N曲線（也稱為疲勞壽命曲線）是一種表達材料在疲勞加載下應力與循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的圖形，其中S表示材料所承受的應力，N代表的是材料斷裂時所承受的應力循環(huán)次數(shù)，表征疲勞壽命。如圖4所示，S-N曲線一般呈現(xiàn)出遞減的曲線形狀，即隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加，材料的許用應力逐漸減小[3]。一般來說，材料所受的應力較大時，壽命較短；隨著應力幅值的減小，壽命逐漸增大。

圖4 S-N曲線

由S-N曲線分析可知，若要延長振動篩橫梁的使用壽命，在不改變激振器振動頻率的前提下應減小橫梁所受的交變載荷的幅值。振動篩工作時若激振頻率和設(shè)備固有頻率接近時會產(chǎn)生共振，使篩體的振動幅值急劇增大。振動篩的工作頻率一般在13～19Hz，低于振動篩的設(shè)計結(jié)構(gòu)固有頻率，但由于制造因素影響了篩體的固有頻率，且焊接過程中存在的缺陷會導致振動篩的局部強度較低[4]，引起了較大的應力集中，而空氣彈簧固有頻率低，所以提出使用固有頻率較低的空氣彈簧替換鋼簧以避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

(2)空氣彈簧阻尼特性分析

帶附加氣室的空氣減振器是在彈性空氣減振器主氣室和剛性附加氣室之間設(shè)置節(jié)流孔，當空氣減振器振動變形時，主、附加氣室之間將產(chǎn)生壓力差，空氣流過節(jié)流孔時由于阻力而吸收一部分能量，具有一定的阻尼作用[5]。其簡化力學模型可用圖5所示的彈簧阻尼質(zhì)量系統(tǒng)表示。

圖5 空氣彈簧簡化力學模型

其運動學方程為：

其中，

F—空氣彈簧的縱向載荷，N；

k—空氣彈簧剛度，N/m；

c—空氣彈簧阻尼系數(shù)；

x—縱向位移，mm。

假設(shè)激振器的激振頻率不變，則振動幅值x越大，縱向速度x.越大，空氣減振系統(tǒng)所產(chǎn)生的阻尼力f=-cx.越大。意味著在振動篩振幅最大的啟停階段，空氣減振系統(tǒng)能提供較大的阻尼力，抑制振幅繼續(xù)增大，同樣由S-N曲線可知，此特性能延長振動篩的使用壽命。而鋼制螺旋彈簧的阻尼非常小，且不會變化，只能起到緩沖的作用，無法衰減篩體的振動。

3.空氣彈簧改造分析

工業(yè)空氣彈簧減振器是一種常見的減振裝置，廣泛應用于各種機械系統(tǒng)中，能夠有效地減少沖擊和振動，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命。本文對改造所使用的空氣彈簧（如圖6）的振動頻率特性和阻尼特性做研究，并對比原鋼簧特性分析改造效果。

圖6 空氣彈簧改造安裝圖

(1)空氣彈簧頻率特性分析

影響空氣減振器剛度和振動頻率的因素有很多，其中振動篩上影響空氣減振器特性最主要的因素是垂向載荷的變化。

在初始狀態(tài)下，空氣彈簧的剛度基本上與其所受的垂向載荷成正比，垂向載荷越大，剛度越大；垂向載荷越小，剛度越小。而固有振動頻率則隨垂向載荷的增加而減小，尤其在載荷較小的區(qū)域，載荷變化對固有頻率的影響很明顯，如圖7所示。

圖7 空氣彈簧剛度、頻率與工作壓力的關(guān)系曲線

(2)空氣減振系統(tǒng)改造結(jié)果分析

橡膠空氣減振器在使用中，技術(shù)人員現(xiàn)場用振動測試儀進行了測量，并與更換鋼簧前進行了共振振動測試對比，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 設(shè)備運行過程共振測試對比

由表1可知，橡膠空氣減振器運行過程中共振較低，總體小于1.90mm/s，而普通鋼簧可達到7.58 mm/s。分析可知，橡膠空氣彈簧可有效避免篩機出現(xiàn)共振導致振幅急劇增大的現(xiàn)象，根據(jù)S-N曲線知，可有效延長振動篩的使用壽命。

4.結(jié)論與討論

本文采用空氣減振系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制螺旋彈簧作為洗煤廠振動篩的減振系統(tǒng)，經(jīng)過理論分析和現(xiàn)場測試，得到以下結(jié)論：

（1）空氣減振器的共振平均值在1.09～1.864mm/s之間遠低于普通鋼簧的5.129～7.173mm/s，可有效避免振動篩工作期間出現(xiàn)共振現(xiàn)象并導致振幅變大，可延長振動篩的使用壽命。

（2）帶附加氣室的空氣減振系統(tǒng)能隨著振幅的增加產(chǎn)生較大的阻尼力，阻止了振動篩在啟停階段產(chǎn)生過大的振幅，使篩體受到的交變載荷維持在一定范圍內(nèi)，減少篩體所受到的疲勞破壞。