直線式振動(dòng)篩橫梁結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化改進(jìn)

劉 暢

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備約翰芬雷洗選技術(shù)設(shè)備有限公司，山西 大同 037305）

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，對于企業(yè)的環(huán)保要求也越來越高，原煤開采出來后需要先經(jīng)過洗選再投入使用。在選煤過程中，具有高篩分效率、低造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)的大型直線振動(dòng)篩被企業(yè)廣泛應(yīng)用，因此，振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和維修管理水平將直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。但是振動(dòng)篩在工作過程中長期處于振動(dòng)狀態(tài)，其主要結(jié)構(gòu)之一的橫梁容易產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂，而傳統(tǒng)的維修方法就是焊接鋼板進(jìn)行加固，但并不能有效保證其正常工作周期，不僅會(huì)影響到正常生產(chǎn)，且設(shè)備維修成本還會(huì)持續(xù)增加[2-3]。因此，分析振動(dòng)篩橫梁斷裂的根本原因，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，延長其使用壽命，對于企業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 振動(dòng)篩橫梁的結(jié)構(gòu)

直線振動(dòng)篩的主要由驅(qū)動(dòng)裝置、篩體、篩板、激振器和減震裝置（彈簧）等部件裝配而成，如圖1所示。

圖1 振動(dòng)篩總體結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，振動(dòng)篩橫梁是組成篩體的主要部件，其與側(cè)板、支撐底座之間采用高強(qiáng)度螺栓連接在一起，若橫梁斷裂失效，則整個(gè)篩體將會(huì)失去工作能力。橫梁一般采用中空鋼管加工而成，在設(shè)備運(yùn)行的過程中，橫梁不僅要承受來自于篩分物料及篩板自重的均布載荷，還有激振器產(chǎn)生的簡諧激振力以及彈簧不固定支撐力，其受力狀態(tài)較為復(fù)雜如圖2所示。

圖2 振動(dòng)篩橫梁受力圖

2 橫梁斷裂原因分析

2.1 外在原因

1）兩臺激振器運(yùn)行不同步。由圖1可知，振動(dòng)篩一般有兩個(gè)激振器，且之間由一根軸連接起來。當(dāng)其中一臺激振器的頻率超前或滯后時(shí)，篩機(jī)的振動(dòng)頻率將會(huì)紊亂，振幅線不再是正常的直線，而是彎曲狀，導(dǎo)致篩框扭曲變形，橫梁側(cè)擺直至斷裂。因此，在設(shè)備運(yùn)行前，需檢查連接軸兩端是否存在偏差，并進(jìn)行調(diào)整或者更換連接軸，保證兩端的振動(dòng)角度相差不超過2°。

2）入料沖擊。入料口落差較大或者較大物料入篩時(shí)，篩機(jī)將承受較大的沖擊，直接損壞橫梁結(jié)構(gòu)。另外，強(qiáng)烈的沖擊還會(huì)影響篩機(jī)的振動(dòng)頻率，產(chǎn)生偏振，影響設(shè)備的整體穩(wěn)定性。為降低影響，可以在不堵料的前提下適當(dāng)降低入料口高度并在篩分槽中部增加緩沖墊。

3）篩板松動(dòng)。篩板位于橫梁之上，當(dāng)篩板出現(xiàn)松動(dòng)時(shí)，將直接沖擊到橫梁。同時(shí)，松動(dòng)的篩板還會(huì)影響激振器的固有頻率，增大篩機(jī)振幅，使得橫梁受到損壞。因此，因定期對篩板進(jìn)行緊固和維修。

2.2 內(nèi)在原因

直線振動(dòng)篩橫梁的主體普遍為Φ273 mm×9 mm熱軋無縫鋼管，隨后在鋼管上方焊接槽鋼，其橫截面如圖3所示。

圖3 橫梁橫截面圖

由圖3可以看出，鋼管上焊接的槽鋼可以使橫梁的彎曲中性層高于鋼管水平中線，在一定程度上增大了橫梁下方的抗彎能力。但橫梁的這種結(jié)構(gòu)也存在焊接上去的槽鋼抗壓能力較低于下方的鋼管，且在設(shè)備運(yùn)行的過程中，應(yīng)力容易在槽鋼的螺栓孔處產(chǎn)生集中現(xiàn)象。因此，在長期的簡諧激振力的作用下，槽鋼螺栓孔附近會(huì)首先出現(xiàn)裂紋，并沿著焊接口逐漸向下擴(kuò)展至鋼管上，出現(xiàn)裂紋的鋼管在長期的疲勞作用下最終斷裂。根據(jù)以往的現(xiàn)場調(diào)研可知，橫梁結(jié)構(gòu)主要是在兩端法蘭處及中間部位發(fā)生斷裂。

3 橫梁制造工藝改進(jìn)

傳統(tǒng)振動(dòng)篩橫梁的制造加工方法是，先將加工后的鋼管、法蘭和槽鋼通過鉚焊組合成一體，隨后通過低溫回火的方法消除焊接殘余應(yīng)力，然后加工法蘭并在橫梁上鉆法蘭孔，最后進(jìn)行噴漆處理[4]。

這種加工方法存在一定的缺陷，就是在焊接過程中會(huì)導(dǎo)致鋼管和法蘭產(chǎn)生不可控的變形，無法保證橫梁的長度及法蘭的厚度在允許誤差范圍內(nèi)，為后續(xù)的精加工帶來困難[5]。對此，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

1）焊接方式的改進(jìn)。采用間斷焊接的方式連接鋼管與槽鋼，可以使設(shè)備運(yùn)行時(shí)應(yīng)力產(chǎn)生的能量得以釋放，也可以進(jìn)一步消除焊接引起的殘余應(yīng)力。

2）加工方式的改進(jìn)。采用篩梁專用焊接平臺來控制橫梁長度及法蘭厚度的精確，通過可移動(dòng)軌道將橫梁固定于合適的位置上，再將可移動(dòng)軌座上的法蘭盤與固定軌座同心對準(zhǔn)，最后固定可移動(dòng)軌道，在平臺上對橫梁進(jìn)行精確加工。

3）提高表面防腐。振動(dòng)篩的工作環(huán)境一般較為惡劣，且物料在篩選過程中會(huì)沖刷橫梁，使得橫梁表面底漆脫落，引起結(jié)構(gòu)嚴(yán)重腐蝕的現(xiàn)象。因此，可在橫梁噴涂底漆之前先噴涂一層聚脲，使其表面質(zhì)量等級達(dá)到Sa2.5級以上，保證底漆不會(huì)輕易脫落，提高橫梁的耐磨抗腐蝕能力。

4 橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 增加橫梁內(nèi)壁厚度

由于橫梁的鋼管為中空結(jié)構(gòu)，根據(jù)材料力學(xué)可知，鋼管的抗彎能力與管壁厚度呈正相關(guān)[6]。分別選取鋼管壁厚度為9 mm、10 mm和12 mm的橫梁進(jìn)行抗彎實(shí)驗(yàn)，得出的主要參數(shù)如表1所示。

表1 不同壁厚橫梁抗彎能力

由表1可知，隨著鋼管內(nèi)壁厚度的增加，橫梁的抗彎模量隨之增加，其抗彎能力也隨之增強(qiáng)。且隨著管壁厚度的增加，鋼管的重量隨之增加，使得橫梁整體重心下降，提高了振動(dòng)機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性。

4.2 改進(jìn)橫梁形狀

矩形梁的抗彎能力一般強(qiáng)于圓形梁，按照等模量原則，采用與原安裝高度相近的矩形梁1代替，按照等截面原則，采用與原安裝壁厚相同的矩形梁2代替，其橫截面分別如圖4、圖5所示，可以看出，從面積上來說，改造后的兩種矩形梁相對于圓形梁的重心都有所下降，有利于設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 矩形橫梁1結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

圖5 矩形橫梁2結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

分別對圓形橫梁和改進(jìn)后的兩種矩形橫梁進(jìn)行抗彎能力實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，改造后的兩種矩形梁的抗彎模量和抗彎能力都有明顯的提高，且按照等面積原則改造的矩形梁2的抗彎能力最好，這是由于矩形梁2的高寬相對較大，可以承受并緩沖更多的能量，且其重心較低，更有利于設(shè)備的穩(wěn)定。

表2 不同結(jié)構(gòu)橫梁抗彎能力

5 工業(yè)應(yīng)用

企業(yè)未對直線振動(dòng)篩橫梁進(jìn)行改進(jìn)之前，由于橫梁出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)受影響，設(shè)備一年需經(jīng)過6次中修，10次小修，維修成本近8萬元，若橫梁發(fā)生斷裂，其訂貨和更換時(shí)間較長，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。對橫梁進(jìn)行技術(shù)改造后，經(jīng)過一年多的使用觀察，設(shè)備的維修次數(shù)降至2次中修，4次小修，維修成本大大降低，振動(dòng)篩整體穩(wěn)定性提高，生產(chǎn)周期得到延長，故障次數(shù)也大幅下降，保證并提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

直線振動(dòng)篩橫梁出現(xiàn)故障是多種因素共同作用下的結(jié)果，通過定期檢修激振器連接軸和篩板緊固狀態(tài)，并減緩入料沖擊等方法可以降低外在因素的影響，通過優(yōu)化改進(jìn)橫梁的制造工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高其本身的強(qiáng)度，可有效地提高振動(dòng)篩的工作性能和結(jié)構(gòu)可靠性。現(xiàn)場應(yīng)用表明，振動(dòng)篩橫梁經(jīng)過改進(jìn)后，故障率明顯減低，不僅節(jié)約了設(shè)備維護(hù)方面的成本，而且篩選能力也得到了提高，說明提出的橫梁改進(jìn)方法具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。