選煤機弧形篩篩板弧形座疲勞壽命分析

張 龍

（陽泉煤業(yè)集團新景礦洗煤廠，山西陽泉 045000）

0 引言

選煤弧形篩是選煤機中的關(guān)鍵設(shè)備，每天承受的動載荷較大，且運行時間較長。在煤泥回收過程中，選煤弧形篩承受的載荷復(fù)雜，一方面始終承受著大量散裝物料的重力載荷，另一方面在振動電機作用下，承受著篩板弧形座與篩面組合結(jié)構(gòu)下的交變激振力。因此，選煤機弧形篩在此受力情況下，在弧形篩的結(jié)構(gòu)上極容易產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至出現(xiàn)開裂或斷裂等現(xiàn)象，帶來嚴(yán)重的疲勞破壞，嚴(yán)重影響了選煤機的正常運轉(zhuǎn)，降低了系統(tǒng)的工作效率和經(jīng)濟效益[1-3]。

選煤弧形篩主要由篩箱、篩板弧形座、振動電機及隔振彈簧等零部件組成，在工作過程中，當(dāng)選煤弧形篩的篩縫堵塞時，在振動電機的激振作用下，篩板弧形座產(chǎn)生諧振，從而帶動與其連接的篩板振動，使堵住篩縫的物料下落，而此時篩箱的振動幅度較小。所以，根據(jù)選煤弧形篩的工作特點，篩板弧形座是整個篩子中最容易發(fā)生疲勞破壞的部件[4-5]。因此，展開選煤機弧形篩篩板弧形座的疲勞壽命分析，找出篩板弧形座的薄弱環(huán)節(jié)，對于提高篩板弧形座的疲勞壽命具有重要意義。

1 篩板弧形座有限元模型建立

1.1 幾何模型和材料參數(shù)

首先利用SolidWorks三維軟件對篩板弧形座進(jìn)行三維建模，在充分考慮篩板弧形座的結(jié)構(gòu)以及不影響有限元的計算分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，為了方便有限元的分析和計算，對圓角和倒角進(jìn)行了簡化，同時也去除了螺栓，所建立的三維幾何模型如圖1（a）所示。

篩板弧形座的材料采用的是Q235A，密度為7.85 g/cm3，彈性模量2.12×105MPa，泊松比為0.288，抗拉強度為375～500 MPa，屈服強度為235 MPa。

圖1 篩板弧形座計算模型

1.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

根據(jù)篩板弧形座的結(jié)構(gòu)，有限元單元類型選擇SOLID186，采用自由網(wǎng)格劃分的形式，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1（b）所示，劃分的單元數(shù)為147 807個，節(jié)點數(shù)為236 411個。

選煤弧形篩在運行工作過程中，篩板弧形座主要受到自身重力和振動電機架對其的反作用力。因此，根據(jù)選煤機弧形篩安裝實際工況對弧形篩進(jìn)行約束，并施加重力載荷，重力加速度取9.8 m/s2。

2 篩板弧形座靜力學(xué)分析

2.1 靜載分析

通過計算，提取篩板弧形座的應(yīng)力結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出，整個篩板弧形座的受力較小，應(yīng)力較大的部位主要在各部件的連接處，以及螺紋孔附近的位置，包括篩板弧形座和振動桿相連的部位，以及和減震器相連的螺栓孔，最大的應(yīng)力不到21 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于篩板弧形座材料Q235的強度極限。說明篩板弧形座在靜載荷的作用下，滿足強度要求。

圖2 篩板弧形座靜載荷的作用下的綜合應(yīng)力云圖

2.2 疲勞應(yīng)用分析

圖3 篩板弧形座在不同方向上單位載荷作用下的應(yīng)力云圖

個單獨的作用力。因此，通過有限元靜力學(xué)分析，可以得到篩板弧形座在X、Y兩個不同方向單位載荷作用下的應(yīng)力結(jié)果，另外獲得每個方向的載荷譜，在nCode DesignLife軟件設(shè)計中進(jìn)行關(guān)聯(lián)，就可以得到篩板弧形座進(jìn)行疲勞壽命分析時的動應(yīng)力。

進(jìn)行篩板弧形座疲勞應(yīng)力分析時的有限元模型，以及參數(shù)選擇和邊界條件的設(shè)置與靜力學(xué)分析時的相同，提取X、Y兩個不同方向下單位載荷作用下的疲勞應(yīng)力結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，X方向和Y方向單位載荷作用下的篩板弧形座應(yīng)力結(jié)果云圖相似，并且最大的應(yīng)力部位也集中在各部件的連接處和螺紋孔的位置，這是由于激振力的作用方向與水平方向成45°的角度，因此X方向和Y方向的作用力大小相同，整個篩板弧形座的應(yīng)力結(jié)果也相似。

3 疲勞壽命分析

對篩板弧形座進(jìn)行疲勞壽命分析時，首先需要得到篩板弧形座的隨時間變化的動應(yīng)力。篩板弧形座在工作過程中，在振動電機激振力的作用下，振動桿末端振動，該激振力的方向與水平方向成45°夾角，為了方便后續(xù)進(jìn)行疲勞壽命分析，將該激振力在X、Y兩個不同方向下進(jìn)行拆分，分解成兩

3.1 參數(shù)設(shè)置

采用ANSYS軟件中nCode DesignLife模塊對篩板弧形座進(jìn)行疲勞壽命分析，在進(jìn)行疲勞分析前，需要先確定篩板弧形座承受的循環(huán)載荷，靜力學(xué)分析中疲勞應(yīng)力，以及材料的疲勞性能曲線[6-9]。材料的疲勞性能曲線即S-N曲線，在S-N分析模塊中需要進(jìn)行材料屬性和載荷屬性的設(shè)置。

（1）材料屬性設(shè)置

材料屬性的設(shè)置通過手動的方式將S-N曲線的數(shù)據(jù)輸入軟件，S-N曲線采用冪函數(shù)的公式，即lgN=a+b?lgS，需要確定篩板弧形座的材料常數(shù)a和b。Q235A材料a=41.1782，b=-14.6745，導(dǎo)入軟件中，因此即可得到篩板弧形座的S-N曲線。

（2）載荷屬性設(shè)置

載荷屬性設(shè)置的關(guān)鍵在于把靜力學(xué)分析中的疲勞應(yīng)力和載荷時間歷程兩者進(jìn)行匹配，然后就可以生成隨時間變化的應(yīng)力張量。X方向和Y方向需要分別進(jìn)行配置，首先需要選擇疲勞應(yīng)力結(jié)果中的X方向單位載荷作用下的應(yīng)力結(jié)果文件，與之相對應(yīng)的時間序列中選擇X方向上的載荷時間歷程，并且在Divider選項下設(shè)置為1，此時，X方向就完成了疲勞應(yīng)力和載荷時間歷程的匹配，同樣的設(shè)置和操作完成Y方向的匹配。

3.2 結(jié)果分析

在Miner法則下，通過軟件計算得出了篩板弧形座的疲勞壽命云圖，如圖4所示，從圖中可以看出，篩板弧形座的疲勞壽命分布不均，大部分區(qū)域的疲勞循環(huán)次數(shù)較大，只有少部分區(qū)域的疲勞循環(huán)次數(shù)較低，并且集中在篩板弧形座與減震器連接的4個螺栓孔的位置，這些地方容易產(chǎn)生疲勞破壞。此外，與靜力學(xué)分析中應(yīng)力集中的位置比較相似，因此應(yīng)力集中對于篩板弧形座的疲勞壽命有較大的影響，同時篩板弧形座的中間部位靜載條件下的應(yīng)力雖然較低，但是疲勞循環(huán)次數(shù)值也相對較小，說明滿足靜力學(xué)分析要求的情況下，不能確保疲勞壽命也是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

圖4 篩板弧形座的疲勞壽命云圖

同時在危險點探測模塊當(dāng)中，提取最危險的10個節(jié)點的節(jié)點編號和循環(huán)次數(shù)，如表1所示。篩板弧形座的節(jié)點當(dāng)中最低循環(huán)次數(shù)為9.439×106次，這也代表整個篩板弧形座的疲勞壽命。計算分析時加載的載荷時間歷程的時間是8 s，而篩板弧形座的工作頻率為26 Hz，因此，篩板弧形座在實際工作過程中的疲勞壽命需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過計算可以得到篩板弧形座的實際疲勞壽命為9.439×106×8×26=1.963×109次。而在進(jìn)行振動篩疲勞強度的可靠性設(shè)計時，振動篩使用的疲勞極限的標(biāo)準(zhǔn)至少應(yīng)該達(dá)到109次，因此篩板弧形座達(dá)到了無限壽命設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，滿足篩分機械的使用壽命要求。

表1 篩板弧形座的節(jié)點循環(huán)次數(shù)

4 結(jié)束語

（1）通過篩板弧形座靜力學(xué)分析，得到了篩板弧形座的應(yīng)力云圖，應(yīng)力較大的部位集中在各部件的連接處和螺紋孔的位置，最大的應(yīng)力小于篩板弧形座材料Q235的強度極限，滿足強度要求。

（2）通過篩板弧形座疲勞壽命分析，篩板弧形座的疲勞壽命的薄弱環(huán)節(jié)在與減震器連接的4個螺栓孔的位置，最低的疲勞循環(huán)應(yīng)力次數(shù)達(dá)到了無限壽命設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，滿足篩分機械的使用壽命要求。