煤礦組合式振動(dòng)篩篩箱結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析研究

耿 堃

（大同芬雷洗選裝備有限公司， 山西 大同 037305）

0 引言

煤礦用振動(dòng)篩是洗滌過(guò)程中原煤脫水的重要裝置。由于煤礦工況相對(duì)較差，加之振動(dòng)篩作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、煤塵和環(huán)境荷載不均勻，振動(dòng)篩在作業(yè)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)彈簧振蕩、機(jī)器整體振動(dòng)異常、軸承裂紋等故障，嚴(yán)重影響振動(dòng)篩的正常運(yùn)行[1]。為了有效避免振動(dòng)篩發(fā)生故障，應(yīng)當(dāng)對(duì)振動(dòng)篩在激振情況下的模態(tài)進(jìn)行分析研究，找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)以及應(yīng)力集中的部位，為振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)制造優(yōu)化提供依據(jù)。

1 組合振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)及工作原理

在傳統(tǒng)的雙振幅、不同頻率振動(dòng)篩的基礎(chǔ)上，研制了一種生產(chǎn)率高、大屏幕、輕結(jié)構(gòu)的新型振動(dòng)篩。其最大的創(chuàng)新在于在兩個(gè)獨(dú)立單元的篩盒中分別設(shè)置兩種振動(dòng)參數(shù)，兩種振動(dòng)參數(shù)是小振幅高頻和大振幅低頻振動(dòng)參數(shù)[2]。這種創(chuàng)新技術(shù)保持了傳統(tǒng)雙振幅不同頻率振動(dòng)篩在篩分效率和生產(chǎn)力方面的優(yōu)勢(shì)，也解決了傳統(tǒng)雙振幅不同頻率振動(dòng)篩中彈性耦合的設(shè)計(jì)困難，具有廣闊的應(yīng)用前景。振動(dòng)篩的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 組合振動(dòng)篩示意圖

組合式振動(dòng)篩的工作原理是基于激振器安裝在篩板的側(cè)板上的振動(dòng)，篩面和篩箱內(nèi)的物料構(gòu)成振動(dòng)塊，由抗振彈簧支撐的振動(dòng)質(zhì)量構(gòu)成振動(dòng)系統(tǒng)。激振器主軸兩端裝有對(duì)稱等效的偏心塊，由軸承支撐[3]。電機(jī)和輪胎聯(lián)軸器傳遞的動(dòng)力使主軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)鍵連接，還帶動(dòng)偏心塊旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生離心力，離心力帶動(dòng)整個(gè)振動(dòng)塊做橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。整個(gè)篩網(wǎng)由兩個(gè)篩網(wǎng)單元組成，形成兩個(gè)統(tǒng)一的篩網(wǎng)表面。進(jìn)料單元篩箱篩面設(shè)置大傾角；其振動(dòng)參數(shù)為高頻小幅值。出料口篩面設(shè)置傾角較小，振動(dòng)參數(shù)為低頻大振幅。因此，松散、分層的工藝過(guò)程可以輕松順利地進(jìn)行。

2 組合振動(dòng)篩有限元模型的建立

2.1 篩箱有限元模型的建立

為了反映篩箱結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力情況，提出了模型簡(jiǎn)化的措施：切割出無(wú)軸承和功能部件的結(jié)構(gòu)，如護(hù)板、篩板、支撐篩板的角鋼等；省略了篩框結(jié)構(gòu)上的約束孔和工藝孔；篩箱結(jié)構(gòu)中較小的電弧過(guò)渡與正交過(guò)渡交替進(jìn)行；篩箱的排氣外殼替換為圓梁；螺栓連接進(jìn)行簡(jiǎn)化[4]。

研究了GDZS2460/2 組合振動(dòng)篩的篩盒結(jié)構(gòu)，采用shell63、combin14、mass21 三種單元的有限元網(wǎng)格形式[5]，在有限元模型中模擬振動(dòng)篩的板殼、彈簧和偏心質(zhì)量。整個(gè)屏幕框中定義的單元的真實(shí)常數(shù)和材料特性如表1 和表2 所示。

表1 材料參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 材料特性

通過(guò)對(duì)組合振動(dòng)篩GDZS2460/2 的分析，采用自上而下的方式直接在ANSYS 仿真中建立了篩箱的有限元模型。激振器兩端的偏心質(zhì)量被簡(jiǎn)化為兩個(gè)質(zhì)量單位[6]。質(zhì)量單位節(jié)點(diǎn)設(shè)置為剛性區(qū)域的主節(jié)點(diǎn)。側(cè)板上激振器安裝位置的殼體單元節(jié)點(diǎn)設(shè)置為剛性區(qū)域的從屬節(jié)點(diǎn)。建立剛性區(qū)域，將動(dòng)力傳遞到篩網(wǎng)所在位置。全局坐標(biāo)系中兩個(gè)質(zhì)量單位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)分別為（-1.757，-0.465，0）和（-1.757，-0.465，-2.445）。在對(duì)激振器進(jìn)行模擬后，建立了篩箱框架的有限元模型，如圖2 所示。

圖2 篩箱框架構(gòu)有限元模型

2.2 篩箱的應(yīng)力分析及工況計(jì)算

分析表明，振動(dòng)篩在工作過(guò)程中具有重力、激勵(lì)力、彈簧響應(yīng)力和阻尼力。但在慣性振動(dòng)靜態(tài)分析中，只考慮了重力和激勵(lì)力，忽略了彈簧響應(yīng)力和阻尼力。在靜強(qiáng)度計(jì)算中，選擇向下方向的激振力作為作用力。其作用方式是激振力的X、Y 軸方向上的分量平均施加在激振器和側(cè)殼連接的連接孔周圍的節(jié)點(diǎn)上。

頂篩單元上的激振電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為970 r/min，而角速度為101.53 rad/s。其單側(cè)偏心質(zhì)量為53.7 kg，偏心度為113 mm。

2.3 邊界條件

篩箱座和整體結(jié)構(gòu)的彈簧座通過(guò)彈簧連接。彈簧與篩箱座的接觸簡(jiǎn)化為鉸鏈接頭。因此，有限元模型的邊界條件是對(duì)具有X、Y、Z 方向的彈簧所有關(guān)節(jié)的移動(dòng)自由度進(jìn)行約束。

3 篩箱模態(tài)分析計(jì)算

模態(tài)分析是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分，它用于分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，揭示結(jié)構(gòu)的固有頻率和振動(dòng)模態(tài)。它也是諧波響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。在篩箱的模態(tài)分析過(guò)程中，為了得到篩箱結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，提高了有限元計(jì)算速度，只對(duì)前15 階的固有頻率和振動(dòng)模式進(jìn)行了分析。在ANSYS 中，所得到的組合振動(dòng)篩的篩框前15 階的固有頻率值見(jiàn)表3。

表3 前15 階的固有頻率值

從表3 中可以看出，7 階和8 階的固有頻率值大多接近于工作頻率16.16 Hz。7 階的固有頻率值為11.992 Hz，8 階的固有頻率值為23.644 Hz。顯然，這兩個(gè)階數(shù)的固有頻率和工作頻率之間的差異超過(guò)了工作頻率的10%。因此，根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，可以判斷在振動(dòng)篩工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。另外，從各階固有頻率的振動(dòng)中可以看出，前6 階篩箱的振動(dòng)模態(tài)為剛性振動(dòng)，后9 階的振動(dòng)模態(tài)為彈性振動(dòng)。剛性振動(dòng)不會(huì)直接影響篩箱的強(qiáng)度，因此只有7 階和8 階固有頻率有危險(xiǎn)性。

從振動(dòng)統(tǒng)計(jì)表中可以看出，彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是篩箱的主要彈性振動(dòng)。側(cè)板兩端沿Z 軸方向的彎曲振動(dòng)，彈簧座和梁端沿Z 軸方向的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是7 階的主要振動(dòng)方式。側(cè)板和梁兩端的彎曲剛度以及梁兩端的扭轉(zhuǎn)剛度都相對(duì)較低。所獲得的篩箱的固有頻率和相對(duì)振動(dòng)模式只能反映組合振動(dòng)篩的篩箱結(jié)構(gòu)的固有特性，而不能確定篩箱結(jié)構(gòu)在承受激振力方面具有足夠的強(qiáng)度。為了獲得篩箱各節(jié)點(diǎn)的變形和應(yīng)力，應(yīng)對(duì)振動(dòng)篩箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析。

4 篩箱靜力學(xué)分析

用ANSYS 軟件得到的位移分布圖和應(yīng)力圖如圖3 和圖4 所示。在圖3 中，篩箱框架單元的最大位移在進(jìn)料過(guò)程中，在進(jìn)料側(cè)板上邊緣的最大值在5.5 mm左右，在其他地點(diǎn)的位移非常小。在圖4 中，高應(yīng)力面積主要分布在側(cè)板槽鋼梁接頭處，其最大值為44.8MPa，其他位置的應(yīng)力較小。所有應(yīng)力均小于Q235 材料在靜荷載下的容許應(yīng)力值。因此，該篩箱的設(shè)計(jì)符合振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 位移（m）分布

圖4 應(yīng)力（Pa）分布

5 結(jié)論

1）有限元模型得到了合理的簡(jiǎn)化，并在建立時(shí)對(duì)受力單元進(jìn)行了定義。對(duì)篩箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確仿真，縮短了有限元解析計(jì)算的過(guò)程，保證了計(jì)算精度。

2）在篩箱模態(tài)分析過(guò)程中，得到前15 階的固有頻率和振型。工作頻率遠(yuǎn)離固有頻率，從所有的振動(dòng)模式圖中，進(jìn)料的剛度低于出料的剛度。側(cè)板、橫梁兩端的抗彎剛度和橫梁兩端的抗扭剛度較低，為改進(jìn)篩箱結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

3）靜力分析得到位移和應(yīng)力分布圖。靜載荷下的最大位移在進(jìn)料端，最大值為5.5 mm。應(yīng)力集中區(qū)分布在槽鋼梁與側(cè)板的接縫處，最大值為44.8 MPa，位于槽鋼梁與側(cè)板的接縫處，最大值小于靜載下的許用應(yīng)力值。但在篩箱強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮交變載荷，因?yàn)樗鼤?huì)影響振動(dòng)篩箱結(jié)構(gòu)。