大型振動篩在中國的研發(fā)及應(yīng)用

邵 明

（大地工程開發(fā)（集團(tuán)）有限公司，天津 300381）

在煤炭行業(yè)，振動篩是不可缺少的生產(chǎn)設(shè)備，擔(dān)負(fù)著產(chǎn)品分級、脫水、脫泥、脫介，甚至是分選的艱巨任務(wù)。振動篩產(chǎn)品性能的優(yōu)劣、質(zhì)量的好壞直接影響到煤炭產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)成本。

隨著工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的快速發(fā)展，煤炭生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模越來越大，企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，對大型篩分設(shè)備有著迫切的需求，同時對振動篩的性能和可靠性提出了更高的要求。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

下面是一個用傳統(tǒng)理論計(jì)算方法求解應(yīng)力的簡單實(shí)例[1]，以圖1 為例。

式中：σ—設(shè)計(jì)強(qiáng)度。F—施加荷載。A—橫截面積。σs—屈服強(qiáng)度。n—安全系數(shù)。

圖1 應(yīng)用求解實(shí)例

因?yàn)椴煌螤钣绕涫菑?fù)雜形狀的構(gòu)件在受力時，各尖角圓角部位都會產(chǎn)生應(yīng)力集中情況，用傳統(tǒng)理論計(jì)算方法的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于不能準(zhǔn)確確定局部位置的應(yīng)力數(shù)值，只能憑經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)來選擇安全系數(shù)值。對于一些非常關(guān)鍵的部件需要大量的實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)來確定安全系數(shù)的選取范圍，當(dāng)安全系數(shù)過小時很難保證設(shè)備的安全性；當(dāng)安全系數(shù)過大時設(shè)計(jì)保守，產(chǎn)品笨重，增加了制造成本。而安全系數(shù)一般很難進(jìn)行準(zhǔn)確的選擇，因此，這種設(shè)計(jì)方法并不能得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

對于振動篩而言，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采用的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和半理論設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足大型振動篩在可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性上的要求，需要開發(fā)更先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法[2]。

2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

有限元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而快速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[3]。在振動篩設(shè)計(jì)上全面采用有限元法進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以精確計(jì)算各部件應(yīng)力大小，對篩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)均衡各部位的應(yīng)力分布；采用有限元法進(jìn)行模態(tài)分析能有效避免由于共振產(chǎn)生的有害影響；必要時采用有限元法進(jìn)行諧響應(yīng)分析探測共振響應(yīng)判斷響應(yīng)的危害程度。

以圖1 中的構(gòu)件為例，利用ANSYS 有限元軟件的靜態(tài)分析功能得到分析結(jié)果，可以直觀地分析出部件不同部位的應(yīng)力大小，根據(jù)這個結(jié)果可以快速有效地進(jìn)行部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這是用傳統(tǒng)理論計(jì)算不可能實(shí)現(xiàn)的。

2.1 有限元法靜態(tài)強(qiáng)度分析在振動篩設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

2.1.1 建立振動篩實(shí)體模型

使用三維軟件建立振動篩各零部件的實(shí)體模型如圖2所示，將各零部件裝配到一起組成完整的振動篩三維模型。裝配體使用干涉命令檢查，以確保三維模型裝配正確，沒有干涉部位。

圖2 振動篩實(shí)體模型

2.1.2 創(chuàng)建振動篩有限元模型

將振動篩所有部件采用實(shí)體單元劃分網(wǎng)格，所有鉚釘、螺栓連接采用梁單元，激振器采用質(zhì)量點(diǎn)代替。

2.1.2.1 施加邊界條件

將振動篩彈簧支座采取簡支約束，將激振器采用質(zhì)量點(diǎn)替代并施加力載荷，篩機(jī)整體施加沿激振器振動方向的加速度載荷，沿與地面垂直方向施加重力載荷，篩面施加等效物料載荷。

2.1.2.2 后期處理分析

選擇應(yīng)力分析云圖，查看最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置，判斷各部位應(yīng)力集中位置應(yīng)力的真實(shí)性，評估各部位應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 有限元法模態(tài)分析在振動篩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，首先使用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對有限元模型進(jìn)行修正，確認(rèn)有限元模型準(zhǔn)確后再采用計(jì)算模態(tài)分析方法。

2.2.1 模態(tài)分析結(jié)果

通過對前15 階模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行分析，其中前6 階為剛體模態(tài)，并沒有實(shí)際意義。前7-12 階模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果對比情況見表1。

表1 前7-12 階模態(tài)分析計(jì)算與測試結(jié)果對比表

第7 階模態(tài)：表示在水平面內(nèi)沿篩子中部的擺動變形。

第8 階模態(tài)：表示在垂直平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)變形。

第9 階模態(tài)：表示在水平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)變形。

第10 階模態(tài)：表示在水平面內(nèi)沿篩子后半部的擺動變形。

第11 階模態(tài)：表示入料端起吊梁處與篩子中部下邊緣處的水平擺動變形。

第12 階模態(tài)：表示篩子前半部分水平扭轉(zhuǎn)，入料端起吊梁處擺動變形。

2.2.2 模態(tài)分析結(jié)果評估

根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果工作頻率可以設(shè)定在15 Hz 上，與低階7 階固有頻率及高階8 階固有頻率相差值都高于10%，不會產(chǎn)生共振情況，如果要使篩機(jī)有更寬的工作頻率范圍，需要根據(jù)7 階及8 階模態(tài)結(jié)果進(jìn)行篩機(jī)結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低7階模態(tài)頻率，提高8 階模態(tài)頻率以實(shí)現(xiàn)更寬的工作頻率調(diào)整范圍[4]。

2.3 總結(jié)

應(yīng)用現(xiàn)代有限元法進(jìn)行振動篩的結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析，再輔以諧響應(yīng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用先進(jìn)的制造工藝可以制造出高可靠性和高性能的振動篩。采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的有限元法進(jìn)行振動篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效地優(yōu)化篩機(jī)結(jié)構(gòu)、避免共振、減少噪聲，極大地提高篩機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性。理論上可以對任意大小的篩機(jī)進(jìn)行可靠的設(shè)計(jì)。

應(yīng)用有限元分析法的設(shè)計(jì)優(yōu)勢有5 點(diǎn)。1）增加設(shè)計(jì)功能，減少設(shè)計(jì)成本。2）縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期。3）增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性。4）采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低材料的消耗或成本。5）模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時間和費(fèi)用。

3 實(shí)際應(yīng)用

奧瑞工業(yè)技術(shù)有限公司采用有限元分析方法設(shè)計(jì)制造的ABD4885 雙層香蕉篩，是目前世界上單臺篩分面積最大的振動篩，已經(jīng)在中國馮家塔煤礦得到成功應(yīng)用。該振動篩采用雙激振梁結(jié)構(gòu)，6 臺激振器同步驅(qū)動。

馮家塔煤礦項(xiàng)目基本情況：

項(xiàng)目名稱：陜西馮家塔礦業(yè)有限公司馮家塔煤礦

地理位置：中國-陜西-府谷縣

建設(shè)規(guī)模：10.0Mt/a

振動篩的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)備型號：4.8×8.5m 雙層香蕉篩

驅(qū)動功率：2×90kW

處理能力：1 200 t/h

入料粒度：-300 mm分級粒度：40/25mm

該設(shè)備于2016 年6 月投入生產(chǎn)使用，根據(jù)測試結(jié)果，振動篩的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，單臺設(shè)備的實(shí)際處理能力達(dá)1 350 t/h。到目前為止設(shè)備一直運(yùn)行穩(wěn)定，具有可靠性高、運(yùn)行高效的特點(diǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的有限元法進(jìn)行振動篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效地優(yōu)化篩機(jī)結(jié)構(gòu)、避免共振、減少噪聲，極大地提高篩機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性。同時，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，采用先進(jìn)的制造工藝，生產(chǎn)可靠性高、性能優(yōu)越的大型振動篩代表了目前行業(yè)的發(fā)展趨勢。由奧瑞公司設(shè)計(jì)制造的世界上單臺篩分面積最大的ABD4885 雙層香蕉篩已在實(shí)際項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用，該設(shè)備具有可靠性高、運(yùn)行高效和使用壽命長等特點(diǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。