渠麗宏

（陽泉華陽集團新景公司，山西 陽泉 045000）

引言

洗煤用振動篩的篩分是選煤最原始但最重要的操作。目前，高質(zhì)量的大振動篩在國內(nèi)處于短缺狀態(tài)，盡管需求巨大，但是實際上如果振動篩的可靠性不能滿足生產(chǎn)要求，將對洗煤廠產(chǎn)生直接的負面影響[1]。洗煤用振動篩在工作過程中會出現(xiàn)篩板損壞、橫梁斷裂、軸承受熱等故障，尤其是橫梁結(jié)構(gòu)影響整體可靠性，包括該部件的初步機械設(shè)計、中期制造和設(shè)備的后期利用，其中先進的橫梁結(jié)構(gòu)機械設(shè)計對力學(xué)特性至關(guān)重要，而且可靠性很重要。其工作性能和運行狀況直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益與安全生產(chǎn)。橫梁斷裂是最常見、最嚴重的故障之一[2]。通過ANSYS 仿真技術(shù)軟件對振動篩橫梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)力分布進行了分析，提高了振動篩的使用壽命，有效地改善了振動篩橫梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)力分布，提高了振動篩的使用壽命。

1 振動篩結(jié)構(gòu)特征簡介

1.1 振動篩的組成結(jié)構(gòu)

振動篩結(jié)構(gòu)主要由篩箱、振動激振器、傳動裝置和結(jié)構(gòu)支撐裝置組成。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件包括前支座彈簧支撐組（簡稱為前支座組）、后支座彈簧支撐組（簡稱為后支座組）、側(cè)板、卸料梁[3]，也包括1 號橫梁、2 號橫梁、3 號橫梁、4 號橫梁、5 號橫梁、6 號端梁和實心梁，此外，還包括1 號增強梁、2 號增強梁、3 號增強梁和4 號增強梁，振動篩的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 振動篩整體結(jié)構(gòu)組成

1.2 振動篩工作原理

以ZH3558型振動篩為研究對象，對其工作原理進行了簡要的分析。振動篩是由激振器進行擺動頻率的激發(fā)，在振動篩的兩側(cè)配備有質(zhì)量相同的配重模塊。振動篩在振動過程中會繞著平衡軸產(chǎn)生偏心力，煤炭物料受到了往復(fù)運動，從而對煤炭物料的不同大小顆粒進行分類。其不僅將煤炭物料進行了精選，還對煤炭物料中的雜質(zhì)，例如泥沙、污水等進行了脫離[4]。振動篩工作原理可簡化為圖2 中模型。其中ω 和m 分別代表兩個簡化偏心模塊的旋轉(zhuǎn)角速度和質(zhì)量。

圖2 振動篩工作原理簡化模型

2 振動篩橫梁結(jié)構(gòu)仿真計算過程

2.1 三維模型的建立

利用UG 三維建模軟件，建立了ZH3558型振動篩的結(jié)構(gòu)三維幾何模型，按照實際尺寸以1∶1的比例畫出三維模型。為了提高仿真計算的效率，去除了振動篩的附加部件，并且忽略對振動篩受力影響不大的零碎部件。尤其是對篩板作出結(jié)構(gòu)上的簡化[5]，重點對橫梁部位的結(jié)構(gòu)進行精細建模。結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。

圖3 ZH3558型振動篩三維模型

2.2 有限元模型建立

利用ANSYS 建立振動篩結(jié)構(gòu)網(wǎng)格實體模型，整體尺寸為5.56 m×3.40 m×2.37 m。篩面長度為5.25 m、寬度為3 m[6]。網(wǎng)格生成單元類型選擇Solid 92，單個網(wǎng)格單元為20 節(jié)點的實心單元，保證了仿真計算的精確性。ZH3558型振動篩有限元模型如圖4 所示。

圖4 ZH3558型振動篩仿真網(wǎng)格模型

2.3 靜態(tài)分析結(jié)果

對振動篩結(jié)構(gòu)進行了靜態(tài)分析，結(jié)果表明，當(dāng)橫梁結(jié)構(gòu)處于靜態(tài)平衡時，篩箱各部件之間的位移差較小，最大位移為14.44 mm，發(fā)生在1 號橫梁上；最小位移為13.09 mm，發(fā)生在前支座組。因此，篩箱在靜力作用下具有足夠的靜剛度。表1 列出了每個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的最大應(yīng)力值及其作用位置。

表1 ZH3558型振動篩靜力學(xué)分析結(jié)果統(tǒng)計

由表1 可知，振動篩最大應(yīng)力為33.50 MPa，發(fā)生在前支撐組支撐側(cè)板連接位置，后支撐組同一位置應(yīng)力也較大，為28.2 MPa。槽鋼與卸料梁焊接位置應(yīng)力為25.2 MPa。除了6 號梁的等效應(yīng)力為29.10 MPa 外，其他構(gòu)件應(yīng)力均小于25 MPa。因此，橫梁結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力值遠小于材料的許用應(yīng)力，同時結(jié)構(gòu)具有足夠的靜強度。

2.4 動態(tài)分析結(jié)果

采用ANSYS 軟件中BlockLanczos 方法進行模態(tài)分析，其中振動篩結(jié)構(gòu)的前10 個固有頻率為2.419 8 Hz、2.472 2 Hz、3.324 8 Hz、5.133 4 Hz、6.486 7 Hz、6.793 8 Hz、14.03 9 Hz、20.740 Hz、21.98 2 Hz 和25.631 Hz。

振動篩工作頻率為16.16 Hz，大于前三個固有頻率。一階模態(tài)形狀是沿z 軸擺動，二階模態(tài)形狀是沿x 軸擺動，三階模態(tài)形狀是y 軸周圍的扭轉(zhuǎn)振動。選擇振動篩的工作頻率作為激勵頻率，計算結(jié)構(gòu)位移和動態(tài)響應(yīng)應(yīng)力。結(jié)果表明，振動篩結(jié)構(gòu)的最大位移值為6.673 mm，發(fā)生在橫梁上；最小振動位移為5.579 mm，發(fā)生在前支撐組。篩箱各結(jié)構(gòu)部件之間的位移差異很小。整個振動篩具有足夠的動態(tài)剛度，但是橫梁的位移較大，需要進一步優(yōu)化。

3 優(yōu)化后橫梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析結(jié)果

3.1 橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案

ZK3648 振動篩橫梁結(jié)構(gòu)由多個部分構(gòu)成，主要包括兩端的連接法蘭、無縫鋼管及槽鋼，不同結(jié)構(gòu)件之間通過焊接的方式進行加工，然后通過高強螺栓將橫梁固定在側(cè)板上面，工作過程中橫梁需要承受較大的工作載荷，使得橫梁承受著較大的周期性載荷作用，所以橫梁結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)斷裂問題。在所有的振動篩故障類型中，橫梁斷裂故障占到的比例超過50%以上。通過增加縱梁的思路，能夠提升結(jié)構(gòu)件的整體剛度，如圖5 所示。對優(yōu)化改進后的橫梁結(jié)構(gòu)再次進行建模分析，除橫梁結(jié)構(gòu)發(fā)生改變外，其他所有的建模過程與原模型全部一樣。

圖5 振動篩橫梁優(yōu)化設(shè)計示意圖

3.2 橫梁結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果

優(yōu)化后橫梁結(jié)構(gòu)最大位移變形值為0.49 mm，最大應(yīng)力值為148.15 MPa，不管是最大位移變形還是最大應(yīng)力，全部出現(xiàn)在橫梁結(jié)構(gòu)槽鋼的中間部位。與原結(jié)構(gòu)相比較，最大位移變形和最大應(yīng)力值均出現(xiàn)了不同程度的降低，尤其是最大應(yīng)力值的增加幅度達到了50%左右。最大應(yīng)力值的增加意味著橫梁結(jié)構(gòu)在循環(huán)周期運動過程中的使用壽命顯著延長。

3.3 橫梁結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析結(jié)果

采用BlockLanczos 方法對改進結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，結(jié)果表明，振動篩結(jié)構(gòu)的最大位移值為5.892 mm，發(fā)生在橫梁上；最小振動位移為5.03 mm，發(fā)生在前支座組。與原結(jié)構(gòu)相比，篩箱各結(jié)構(gòu)部件之間的位移差異略有減小。整個振動篩具有足夠的動態(tài)剛度，工作可靠性增加。所有結(jié)構(gòu)件的動應(yīng)力有明顯的增加，但整個結(jié)構(gòu)的最大動應(yīng)力顯著減小，振動篩橫梁結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力分布更加趨于均勻。卸料梁、材料梁等橫梁結(jié)構(gòu)最大動應(yīng)力值有了明顯的下降。原結(jié)構(gòu)設(shè)計中1 號、3 號、4 號橫梁的最大等效應(yīng)力為95.5 MPa、68.5 MPa、99.2 MPa，接近材料許用應(yīng)力。改進后的相同位置的動態(tài)應(yīng)力值明顯降低，分別下降了68.6%、17.5%和52.7%，振動篩的動態(tài)性能得到了改善，橫梁結(jié)構(gòu)使用壽命增加。

4 結(jié)語

洗煤用振動篩是洗煤加工行業(yè)中使用的最重要的機器之一，可確保將煤產(chǎn)品選成各種尺寸和等級。但是利用振動篩來滿足不斷變化的精煤物需求，面臨著更大的機械性安全風(fēng)險。為了降低洗煤用振動篩橫梁結(jié)構(gòu)的斷裂風(fēng)險，采用ANSYS 軟件完成了以下三方面的工作。

1）根據(jù)振動篩橫梁結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)分析結(jié)果，最大靜應(yīng)力、最大動應(yīng)力及其作用位置有很大的不同?？紤]到振動篩是一種振動設(shè)備，采用動態(tài)法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計是較合理的選擇。

2）振動篩在工作狀態(tài)下的激勵頻率遠大于前3 個固有頻率，從而得出在一般情況下，橫梁結(jié)構(gòu)斷裂屬于低應(yīng)力斷裂。

3）橫梁結(jié)構(gòu)改進后，不再在動載荷區(qū)對梁結(jié)構(gòu)進行缺口式設(shè)計。仿真計算得出，橫梁結(jié)構(gòu)動態(tài)等效應(yīng)力最大值顯著降低，改善了振動篩橫梁的應(yīng)力分布，提高了使用壽命。