礦用振動篩彈簧永久變形故障研究

郭建華

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048000）

關(guān)鍵字：礦用振動篩；彈簧故障；有限元

1 礦用振動篩結(jié)構(gòu)及工作原理介紹

為減少煤炭燃燒帶來的環(huán)境污染，提高資源的高效利用，篩選煤炭成為行業(yè)內(nèi)的必不可缺的環(huán)節(jié)[1]，而礦用振動篩設備是選煤的關(guān)鍵工藝裝備，具有壽命長、噪聲低、篩選效率高等特點，目前廣泛應用于對煤炭的篩選分級、脫水、脫泥等工序。

圖1 雙層礦用振動篩結(jié)構(gòu)示意圖

一般而言，洗煤用的大型直線振動篩設備采用的是座式水平安裝方式，且具有良好地對稱性。此外，礦用振動篩設備的篩面可以采用單層或雙層設計方案，如圖1所示的某型號礦用直線振動設備則采用的是雙層結(jié)構(gòu)設計方案，它的整體結(jié)構(gòu)具有很好的對稱性，結(jié)構(gòu)重心位置居中，具有較好的穩(wěn)定性，下層采用底梁支撐結(jié)構(gòu)，上層采用加強梁進行加強強度設計，上層和下層之間采用彈簧和支承裝置進行連接，不僅起到緩沖儲能作用，還能以底層作為支撐，起到支承上層的作用。

圖2 激振器的工作原理圖

直線礦用振動篩設備的激振器兩偏心塊在運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生足夠的離心力，兩個偏心塊同步反向運動，離心力按K方向的分力不斷地疊加，但與K方向的垂直方向，其分力不停的相互抵消，故而產(chǎn)生了唯一朝著K方向的激振力，進而驅(qū)動振動篩實現(xiàn)直線運動，再加上物料的自身重力，最終形成振動篩在K方向即振動方向做往復直線運動，工作原理如下圖所示。從振動篩設備的角度來看，物料從入料端進入，經(jīng)過上層的運輸，較篩孔小的物料透過篩面，落到下一層的篩面，最后被篩后的物料從出料端排出來，其工作原理如圖2所示。

2 礦用振動篩有限元分析

在礦用振動篩的實際減震過程中，彈簧在長期的交變載荷作用下可能會發(fā)生故障，從而導致整個彈性支撐系統(tǒng)的剛度性能發(fā)生變化[2]。根據(jù)有限元方法，針對礦用振動篩篩體的主要結(jié)構(gòu)（激振器和彈簧）采用ANSYS軟件進行有限元仿真分析，查詢機械設計手冊[3]和GB/T 713-2014[4]、GB/T 699-2015[5]等 文 獻 資料，得到礦用振動篩原材料Q245R鋼常溫狀態(tài)的材料參數(shù)，再根據(jù)礦用振動篩實際工況及其受力情況，對模型進行簡化處理，如圖3所示，隨后進行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4所示。

圖3 激振器有限元模型圖

圖4 激振器有限元模型的網(wǎng)格劃分圖

首先，基于靜力學分析礦用振動篩激振器在平衡狀態(tài)下受力的情況。在Static Structural分析中添加重力加速度的參數(shù)，得到模型的位移與應力，其結(jié)果分別如圖5和圖6所示，在圖片中，黑色線框表示模型結(jié)構(gòu)的初始位置，位移和應力數(shù)值最大和最小的節(jié)點分別用MAX和MIN進行了標示。礦用振動篩結(jié)構(gòu)本身具有良好的對稱性，因而結(jié)構(gòu)的靜力學位移、應力也具有對稱性特點，最大位移值為28.32mm，位于結(jié)構(gòu)的出料端，而最大應力值為6.345MPa，小于礦用振動篩原材料許用應力，滿足設計要求。

其次，采用ANSYS Workbench平臺中的Modal分析礦用振動篩固有頻率及其振型，判斷其在激振力作用下是否會出現(xiàn)共振及不利的振型，并確定結(jié)構(gòu)本身的固有特性參數(shù)，從而為模型結(jié)構(gòu)得到較好的使用性能。在實際工況中，雖然礦用振動篩是具有無數(shù)個自由度的振動系統(tǒng)，但是對結(jié)構(gòu)使用性能影響較大為結(jié)構(gòu)的低階固有頻率，因此，在有限元模態(tài)分析中，只需要明確前面的低階固有頻率及其對應振型，則可確定出礦用振動篩結(jié)構(gòu)的固有特性。采用ANSYS軟件中Block Lanczos方法，求解速度快、精度高，對結(jié)構(gòu)的前十一個低階固有頻率及其振型進行模態(tài)分析，得到的分析結(jié)構(gòu)如表1所示。

圖5 激振器有限元模型結(jié)構(gòu)位移圖

圖6 激振器有限元模型結(jié)構(gòu)應力圖

表1 激振器有限元模型模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果可知，前六個低階振型均以剛體運動為主，因模型結(jié)構(gòu)的彈性變形較小，固有頻率值也較小，其振型包括3個方向的平動和轉(zhuǎn)動，主要為彈簧的變形；從第七至第十二階的振型主要是以結(jié)構(gòu)的彈性變形為主，振型主要是結(jié)構(gòu)的局部變形；第十一階的固有頻率是15.345Hz，與礦用振動篩設備的工作頻率相近，它的振型表現(xiàn)出入料口處的上部分有較大的局部變形，因此在設計過程中應在該處增加加強筋，增強剛度；第十二階的固有頻率為18.224Hz，比礦用振動篩設備的工作頻率更大，因此礦用振動篩設備在正常工作狀態(tài)時，不會出現(xiàn)共振問題。

3 礦用振動篩彈簧永久變形故障試驗

文章建立了礦用振動篩的有限元模型，進行了結(jié)構(gòu)靜力學分析和模態(tài)分析（固有頻率及其振型），再以某型號直線振動篩設備為對象，進行振動篩彈簧永久性變形故障動力學試驗，以驗證理論分析的結(jié)果。

3.1 試驗介紹

因煤礦廠區(qū)為防爆區(qū)域，對試驗設備有防爆設計要求，所以選用某高校團隊研發(fā)的YHJ（C）型礦用測振記錄儀（含相應的振動傳感器）作為試驗用儀器裝置，完全符合煤礦廠要求[6-7]。針對礦用振動篩的結(jié)構(gòu)特點以及彈簧振動特性，在礦用振動篩的四個彈簧座上分別在三個方向（X軸、Y軸、Z軸）安裝加速度傳感器，用來檢測加速度信號，再換算得到速度和位移信號數(shù)據(jù)，最終可獲得振幅數(shù)據(jù)，安裝的實際效果圖如圖7所示。

圖7 礦用振動篩彈簧傳感器安裝效果

在試驗條件有限的情況下，本次試驗采用對比試驗方法，在同種工況下，分別采用故障彈簧和非故障彈簧進行單個對比試驗，試驗過程中人為的降低彈簧性能，故障彈簧剛度比非故障彈簧剛度降低約18%，其余均保證兩種彈簧的一致狀態(tài)。在試驗的實施過程中，將礦用振動篩一處的正常彈簧更換為故障彈簧，用以模擬因彈簧永久變形故障而導致的剛度變化，再分別檢測得到礦用振動篩在健康工況下的彈簧在三個方向上的振幅數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)后經(jīng)換算即可得到振幅變化系數(shù)。

3.2 試驗分析

經(jīng)過試驗驗證，得到檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)換算后得到振幅變化系數(shù)，再與前文中的有限元仿真振幅變化數(shù)據(jù)進行對比，并核算仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)之間的誤差值，最后研究分析振幅變化規(guī)律，如表2所示。

表2 有限元仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比表格

在針對單個彈簧故障試驗時，通過試驗儀器采集得到礦用振動篩彈簧座在三個方向上的振幅，其信號數(shù)據(jù)可反應出彈簧故障信息。雖然有限元仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)之間存在著一定誤差，究其原因是在運用Ansys軟件建立有限元模型時，人為的對礦用振動篩模型進行了簡化，導致理論模型與實際質(zhì)心位置、激振力方向等參數(shù)均不一致。通過對有限元仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比可以發(fā)現(xiàn)，有限元仿真數(shù)據(jù)比較接近試驗數(shù)據(jù)，而且反映出來的振幅變化規(guī)律也很接近，表明彈簧永久性變形故障可依據(jù)有限元仿真分析的振幅變化規(guī)律做出判斷，首先通過仿真分析得到彈簧的振幅規(guī)律，以提取到彈簧故障信息的數(shù)據(jù)，以診斷彈簧故障問題，同時可以較為客觀的反映出礦用振動篩彈簧的實際應用工況狀態(tài)，也能夠有效地指導設計人員的設計及設備操作人員的日常維修和保養(yǎng)工作。

4 結(jié)論

本文主要針對礦用振動篩在實際工作過程中突出的彈簧永久性變形的故障問題，通過采用Ansys軟件建立礦用振動篩有限元仿真模型，并進行了理論研究分析（靜力學分析和模態(tài)分析），再經(jīng)過礦用振動篩彈簧永久變形故障試驗驗證，對比分析有限元模型仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：基于Ansys軟件的有限元模型仿真分析的結(jié)果與試驗測量結(jié)果較為接近，而且反映出的礦用振動篩彈簧振幅變化規(guī)律亦相接近，證明有限元模型仿真分析得到的振幅規(guī)律可以作為彈簧故障信息的判斷依據(jù)。