基于多體動(dòng)力學(xué)的復(fù)合振動(dòng)篩的仿真分析

常園園

（同煤集團(tuán)大地選煤公司塔山選煤廠，山西 大同037000）

引言

振動(dòng)篩是進(jìn)行煤礦生產(chǎn)開(kāi)采的重要篩分設(shè)備，對(duì)混合的物料可以進(jìn)行有效的篩分篩選，特別是在煤炭的開(kāi)采分選及脫水作業(yè)中被廣泛應(yīng)用。我國(guó)是煤炭生產(chǎn)和使用的大國(guó)，對(duì)于煤炭的篩分效率及性能具有較高的要求，現(xiàn)階段使用較為廣泛的多為直線振動(dòng)篩及圓形振動(dòng)篩。在對(duì)于振動(dòng)篩的研究方面，針對(duì)振動(dòng)篩的平動(dòng)及擺動(dòng)相結(jié)合形式的復(fù)合振動(dòng)篩成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)，是提高振動(dòng)篩效率的有效途徑[1]。目前對(duì)于符合振動(dòng)篩的各項(xiàng)參數(shù)研究還較少，采用多體動(dòng)力學(xué)的方式，針對(duì)平動(dòng)及擺動(dòng)相結(jié)合的復(fù)合振動(dòng)篩進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)符合振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為振動(dòng)篩的生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 復(fù)合振動(dòng)篩的模型建立

采用多體動(dòng)力學(xué)的方式對(duì)復(fù)合振動(dòng)篩進(jìn)行分析，針對(duì)振動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行復(fù)合振動(dòng)篩的建模，驗(yàn)證平動(dòng)及擺動(dòng)復(fù)合作用的有效性。ADAMS是廣泛應(yīng)用的進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)的工具，采用ADAMS軟件進(jìn)行復(fù)合振動(dòng)篩的建模[2]。

篩箱的大小對(duì)于篩分的效率具有重要的影響，篩箱的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則物料經(jīng)過(guò)篩分的時(shí)間越長(zhǎng)，篩分率越高，增加篩箱的尺寸可以在一定程度上提高篩分的效率。依據(jù)煤炭篩選使用的篩箱，選擇復(fù)合振動(dòng)篩的篩箱尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為1 100 mm×448 mm×80 mm，在篩箱的長(zhǎng)度方向上，篩箱進(jìn)行等長(zhǎng)的間隔，并設(shè)置集料裝置進(jìn)行物料的收集[3]。

振幅的大小決定了篩箱工作面的運(yùn)動(dòng)范圍及位置，是進(jìn)行煤炭顆粒篩選的動(dòng)力，振幅越大，則產(chǎn)生的篩分運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，篩分的效率也較高，但是振幅不能無(wú)限增加，并且，隨著振幅的增加，篩分的效率也呈現(xiàn)邊際遞減的效應(yīng)，對(duì)復(fù)合振動(dòng)篩的振幅設(shè)計(jì)為0～2.5 mm進(jìn)行仿真分析。振動(dòng)的頻率影響煤炭顆粒的運(yùn)動(dòng)頻次，振動(dòng)頻率的大小影響顆粒在篩箱工作面上的時(shí)間及能否穿透篩箱，常用的振動(dòng)篩頻率多為20 Hz[4]，選擇復(fù)合振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)頻率為0～25 Hz。

要想實(shí)現(xiàn)復(fù)合振動(dòng)篩的平動(dòng)及擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，還需要對(duì)振動(dòng)篩的擺動(dòng)頻率及擺動(dòng)角度進(jìn)行設(shè)置。擺動(dòng)的頻率較小時(shí)，煤炭顆粒間的運(yùn)動(dòng)緩慢，不能有效地穿透篩箱，頻率較大時(shí)，容易造成一定的粉塵污染，不利于篩分工作的進(jìn)行[5]，綜合選擇擺動(dòng)頻率約為平動(dòng)頻率的一半值為0～12 Hz。篩箱的擺動(dòng)角度越大，獲得的分層效果越好，篩分的效率越高，但擺動(dòng)角度過(guò)大時(shí)，會(huì)造成煤炭顆粒在篩箱工作面的時(shí)間減少，不能有效地穿透篩箱[6]，設(shè)定復(fù)合振動(dòng)篩的擺動(dòng)角度為1.2°。

依據(jù)設(shè)定的篩分參數(shù)，采用Pro/E進(jìn)行復(fù)合振動(dòng)篩的建模，激振器的裝置采用偏心塊及驅(qū)動(dòng)軸的構(gòu)件組成，對(duì)于激振器采用ADAMS中的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，將振動(dòng)篩的部件進(jìn)行組裝，得到復(fù)合振動(dòng)篩的仿真模型如圖1所示。

圖1 復(fù)合振動(dòng)篩的仿真模型

2 復(fù)合振動(dòng)篩的仿真分析

建立了復(fù)合振動(dòng)篩的仿真模型，采用ADAMS軟件設(shè)定復(fù)合振動(dòng)篩的的基座與地面之間的固定約束，偏心塊及旋轉(zhuǎn)軸之間采用旋轉(zhuǎn)約束，設(shè)定篩箱的激振作用為正弦函數(shù)分布，擺動(dòng)頻率為10 Hz，添加運(yùn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，選定系統(tǒng)分析的時(shí)間為5 s，仿真分析1 000步，由此采用ADAMS進(jìn)行復(fù)合振動(dòng)篩的仿真分析。

2.1 復(fù)合振動(dòng)篩平動(dòng)效果分析

在ADAMS中，先進(jìn)行平動(dòng)的效果分析，設(shè)定轉(zhuǎn)速為600 r/min，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，得到篩箱的位移圖如圖2所示。從圖2中可以看出，篩箱的振動(dòng)作用在水平方向上產(chǎn)生位移，篩箱在開(kāi)始階段的振幅較大，然后進(jìn)入平穩(wěn)階段，并且在水平方向做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)，可以滿足煤炭顆粒的篩分要求。

圖2 篩箱平動(dòng)作用位移圖

2.2 復(fù)合振動(dòng)篩擺動(dòng)效果分析

在ADAMS中，進(jìn)行擺動(dòng)的效果分析，設(shè)定激振力為600 N，頻率為8 Hz，并呈正弦變化，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，得到篩箱的位移圖如圖3所示。從圖3中可以看出，篩箱的位移呈正弦變化的形式，且振動(dòng)篩圍繞質(zhì)心做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，效果良好，可以滿足煤炭顆粒的篩分要求。

圖3 篩箱擺動(dòng)作用位移圖

2.3 復(fù)合振動(dòng)篩復(fù)合振動(dòng)效果分析

復(fù)合振動(dòng)篩在平動(dòng)及擺動(dòng)同時(shí)作用下進(jìn)行煤炭顆粒的篩分，對(duì)復(fù)合振動(dòng)的效果進(jìn)行分析，設(shè)定平動(dòng)的頻率為10 Hz，擺動(dòng)的激振力為600 N，頻率為8 Hz，進(jìn)行復(fù)合振動(dòng)的仿真計(jì)算，得到振動(dòng)篩的位移變化如圖4所示。從圖4中可以看出，在復(fù)合振動(dòng)下，篩箱的運(yùn)動(dòng)不同于單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移，篩箱的運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度有所減低，但振動(dòng)狀態(tài)更加多樣，可以改變單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的堵孔現(xiàn)象，有利于煤炭顆粒的運(yùn)動(dòng)變化，進(jìn)行充分的撞擊進(jìn)行篩分，提高篩分的效率。

圖4 篩箱復(fù)合作用位移圖

3 結(jié)論

振動(dòng)篩是進(jìn)行煤炭篩分的重要設(shè)備，提高振動(dòng)篩的效率是振動(dòng)篩研究發(fā)展的主要方向。在直線振動(dòng)篩及圓形振動(dòng)篩中，振動(dòng)作用采用單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)于篩分效率的提升有限。針對(duì)這一問(wèn)題，采用平動(dòng)加擺動(dòng)的復(fù)合振動(dòng)形式進(jìn)行復(fù)合振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)。采用ADAMS多體動(dòng)力學(xué)的方式進(jìn)行復(fù)合振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)，首先依據(jù)現(xiàn)有使用的振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，選定復(fù)合振動(dòng)篩的關(guān)鍵參數(shù)，建立復(fù)合振動(dòng)篩的模型，在ADAMS中，分別針對(duì)復(fù)合振動(dòng)篩在平動(dòng)、擺動(dòng)及復(fù)合振動(dòng)下篩箱的位移進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，在復(fù)合振動(dòng)的作用下，篩箱的位移呈現(xiàn)出與平動(dòng)及擺動(dòng)作用下不同的振動(dòng)效果，篩箱的振動(dòng)幅度有所減小，但振動(dòng)的形態(tài)更加多樣，可以改變單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的堵孔現(xiàn)象，有利于煤炭顆粒的運(yùn)動(dòng)變化，進(jìn)行充分的撞擊進(jìn)行篩分，提高篩分的效率。多體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行復(fù)合振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)是可行的，可以豐富篩箱的運(yùn)動(dòng)形式，提高煤炭篩分的效率。文中針對(duì)振動(dòng)篩的形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了復(fù)合振動(dòng)篩的可行性，在復(fù)合振動(dòng)篩的實(shí)現(xiàn)上，還要進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行振動(dòng)效果的實(shí)驗(yàn)分析，這有賴于進(jìn)一步的研究。