洗煤用振動(dòng)篩靜力學(xué)分析及橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

單 軍

（山西晉煤集團(tuán)煤炭加工利用分公司趙莊選煤廠， 山西 長(zhǎng)治 046600）

引言

洗煤廠中振動(dòng)篩是非常重要的生產(chǎn)設(shè)備，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，振動(dòng)篩在所有的洗煤設(shè)備中占比超過(guò)了一半，在煤礦物料分級(jí)、脫介、脫泥等環(huán)節(jié)都有非常廣泛的應(yīng)用[1]。隨著我國(guó)煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)于振動(dòng)篩的需求量呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)[2]。與此同時(shí)，市場(chǎng)對(duì)振動(dòng)篩的質(zhì)量和性能要求也越來(lái)越高。振動(dòng)篩工作原理的特殊性決定了其在工作過(guò)程中必然會(huì)出現(xiàn)周期性的振動(dòng)載荷，所以內(nèi)部的結(jié)構(gòu)件非常容易出現(xiàn)循環(huán)塑性損傷，進(jìn)而引發(fā)疲勞斷裂的現(xiàn)象[3-4]。橫梁結(jié)構(gòu)作為重要的承力結(jié)構(gòu)件，其在振動(dòng)篩中受到的力是最大的，導(dǎo)致其在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)各類故障問(wèn)題，對(duì)洗煤過(guò)程的連續(xù)性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[5]?；诖?，有必要對(duì)振動(dòng)篩開展靜力學(xué)分析，找到容易出現(xiàn)問(wèn)題的部位。在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提升關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的使用壽命，為整個(gè)振動(dòng)篩設(shè)備的可靠穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[6]。

1 振動(dòng)篩的總體結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)特征分析

本研究以ZK3648 型振動(dòng)篩作為研究對(duì)象，該型號(hào)振動(dòng)篩主要有五大部分構(gòu)成：

1）篩箱。篩箱主要由三大部分構(gòu)成，分別為側(cè)板、梁類零件、其他零件。篩箱不僅要承受煤礦物料的質(zhì)量，且設(shè)備在工作時(shí)的加速度和振動(dòng)載荷都會(huì)作用在篩箱上。因此該結(jié)構(gòu)必須要有良好的剛度和強(qiáng)度，力學(xué)性能較好；

2）振動(dòng)裝置。該裝置采用的是典型的自同步塊偏心式結(jié)構(gòu)，具備很多優(yōu)勢(shì)，比如生產(chǎn)加工成本低、應(yīng)用效果好等。振動(dòng)裝置是振動(dòng)篩的核心部件，振動(dòng)效果的好壞直接決定了振動(dòng)篩的使用性能；

3）篩面結(jié)構(gòu)。篩面結(jié)構(gòu)需要與煤礦物料發(fā)生直接接觸，并且實(shí)現(xiàn)煤礦物料的分級(jí)。由于與煤礦物料之間存在顯著摩擦，所以對(duì)篩面結(jié)構(gòu)會(huì)造成嚴(yán)重的磨損，該結(jié)構(gòu)需要被定期更換；

4）彈簧裝置。ZK3648 型振動(dòng)篩采用的是橡膠彈簧，具有很好的吸振效果，使用壽命較長(zhǎng)；

5）傳動(dòng)裝置。所述型號(hào)的振動(dòng)篩不需要經(jīng)過(guò)減速器，而是直接通過(guò)萬(wàn)向軸節(jié)與電動(dòng)機(jī)進(jìn)行連接，為了對(duì)該位置進(jìn)行保護(hù)，通常在此處需要設(shè)置防護(hù)罩。

1.2 工作原理

如圖1 所示為ZK3648 型振動(dòng)篩的基本工作原理示意圖。在篩箱箱體上安裝有振動(dòng)激振器，其中兩個(gè)偏心塊是激振器的重要構(gòu)成部分，兩個(gè)偏心塊具有相同的質(zhì)量，做同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)，其在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)激發(fā)振動(dòng)力。偏心塊旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生偏心力，且兩個(gè)偏心塊產(chǎn)生的偏心力分力在垂直方向上相互疊加，在法向相互抵消。在疊加偏心力的作用下，篩機(jī)在與豎直方向成45°的方向上作往復(fù)運(yùn)行。處在篩面上的煤礦物料在激振力的作用下也隨之做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而可以根據(jù)物料顆粒大小進(jìn)行分級(jí)，還可以實(shí)現(xiàn)脫水、脫泥等功能。

圖1 ZK3648 型振動(dòng)篩工作原理示意圖

2 振動(dòng)篩模型的建立

2.1 三維幾何模塊的建立

通過(guò)UG 軟件建立ZK3648 型振動(dòng)篩的三維幾何模型，建立模型過(guò)程中用到的尺寸嚴(yán)格按照該型號(hào)的結(jié)構(gòu)尺寸執(zhí)行。由于振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果完全按照真實(shí)的結(jié)構(gòu)建模，必然會(huì)對(duì)計(jì)算過(guò)程產(chǎn)生非常不利的影響。因此，在建立三維幾何模型時(shí)進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化。主要是對(duì)篩板進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將其視為質(zhì)量塊直接作用于橫梁槽鋼上，對(duì)激振器也進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將其視為一個(gè)整體。圖2 所示為基于UG 軟件建立的ZK3648 型振動(dòng)篩三維幾何模型。

圖2 ZK3648 型振動(dòng)篩三維幾何模型

2.2 靜力學(xué)分析模型的建立

將UG 軟件建立的三維幾何模型導(dǎo)出為STP 格式，其導(dǎo)入到ANSYS 軟件中。然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分質(zhì)量對(duì)于靜力學(xué)分析模型而言非常重要，不僅會(huì)影響計(jì)算過(guò)程，同時(shí)也會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果精度產(chǎn)生一定程度的影響。在軟件中選用Solide186 類型的網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長(zhǎng)以及劃分方式按軟件的推薦值進(jìn)行。最終劃分得到的單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為176 893 和223 452。

振動(dòng)篩在正常工作中，支撐底板通常是不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的。因此在模型中將支撐底板的所有約束全部固定。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，將篩機(jī)的加強(qiáng)板與側(cè)板全部設(shè)置為剛體，認(rèn)為其不會(huì)發(fā)生變形。將整個(gè)結(jié)構(gòu)中零部件之間的摩擦系數(shù)全部設(shè)置為0.03，設(shè)置兩個(gè)偏心塊做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3 振動(dòng)篩靜力學(xué)分析結(jié)果與討論

在ANSYS 軟件中建立好振動(dòng)篩的靜力學(xué)模型后，可以調(diào)用軟件的分析計(jì)算模塊對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算分析，完成整個(gè)計(jì)算過(guò)程后，提取模型中各結(jié)構(gòu)件的位移變形情況和受力情況。在對(duì)模型進(jìn)行后處理時(shí)，分別提取了ZK3648 振動(dòng)篩中的主要結(jié)構(gòu)件位移變形情況以及最大應(yīng)力值，結(jié)果如表1 所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，在所有的振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)中，橫梁結(jié)構(gòu)的位移變形情況最為嚴(yán)重，為0.53 mm，出現(xiàn)最大位移的位置為橫梁結(jié)構(gòu)槽鋼的中間部位。另一方面，振動(dòng)篩的最大應(yīng)力值為297.02 MPa，出現(xiàn)在橫梁結(jié)構(gòu)件上。更具體的，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在橫梁的槽鋼中間位置，如圖3-1 所示。雖然模擬得到的最大應(yīng)力值沒(méi)有超過(guò)材料的許用應(yīng)力值，但是最大應(yīng)力卻相對(duì)較高。振動(dòng)篩在工作過(guò)程中會(huì)進(jìn)行周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，也就意味著橫梁結(jié)構(gòu)會(huì)承受較大幅值的周期性應(yīng)力載荷。時(shí)間長(zhǎng)久以后會(huì)導(dǎo)致槽鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力損傷進(jìn)而引發(fā)裂紋現(xiàn)象，如圖3-2 所示為橫梁結(jié)構(gòu)中的槽鋼出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)場(chǎng)圖片。

表1 ZK3648 振動(dòng)篩主要結(jié)構(gòu)的最大位移變形和應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

圖3 橫梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖和出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)場(chǎng)圖片

4 振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

4.1 橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

ZK3648 振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)由多個(gè)部分構(gòu)成，主要包括兩端的連接法蘭、無(wú)縫鋼管以及槽鋼，不同結(jié)構(gòu)件之間通過(guò)焊接的方式進(jìn)行加工。然后通過(guò)高強(qiáng)螺栓將橫梁固定在側(cè)板上面，工作過(guò)程中橫梁需要承受較大的工作載荷。再加上振動(dòng)篩工作原理的特殊性，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(wèn)題。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在所有的振動(dòng)篩故障類型中，橫梁斷裂故障占到的比例超過(guò)50%以上?；诖?，有必要對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低工作時(shí)的最大應(yīng)力值，延長(zhǎng)其使用壽命。

對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和理論分析后，認(rèn)為其容易出現(xiàn)斷裂的根本原因在于剛度存在缺陷。因此，優(yōu)化改進(jìn)的思路就是提升橫梁結(jié)構(gòu)的剛度。通過(guò)增加設(shè)置縱梁的思路能夠提升結(jié)構(gòu)件的整體剛度。對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后的橫梁結(jié)構(gòu)再次進(jìn)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(guò)程與原模型全部一樣。需要說(shuō)明的是，對(duì)法蘭結(jié)構(gòu)的螺孔進(jìn)行了簡(jiǎn)化。完成建模后再次進(jìn)行仿真分析，然后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行提取處理、分析。

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

圖4 優(yōu)化后橫梁結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果

如下頁(yè)圖4 所示為優(yōu)化后橫梁結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果。從圖中可以看出，優(yōu)化后橫梁結(jié)構(gòu)的最大位移變形值為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)力值降低幅度達(dá)到了50%左右。最大應(yīng)力值的降低意味著橫梁結(jié)構(gòu)在循環(huán)周期運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的使用壽命會(huì)顯著延長(zhǎng)。

5 結(jié)論

振動(dòng)篩是洗煤廠中必不可少的機(jī)械裝備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性會(huì)對(duì)整個(gè)洗煤工藝過(guò)程產(chǎn)生重要影響。基于ANSYS 軟件對(duì)ZK3648 型振動(dòng)篩開展了靜力學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)橫梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大，在實(shí)踐中最容易出現(xiàn)故障問(wèn)題，這與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用情況非常吻合。對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，主要是增加設(shè)置縱梁提升橫梁結(jié)構(gòu)的剛度，優(yōu)化改進(jìn)后橫梁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)了顯著降低。將優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到工程實(shí)踐中，顯著提升了橫梁結(jié)構(gòu)的使用壽命，為企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。