選煤用高頻振動(dòng)篩的諧響應(yīng)分析

駱宏亮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大地選煤公司永定莊選煤廠，山西 大同 037003）

引言

我國具有大量的礦產(chǎn)及煤炭資源，在開采礦產(chǎn)、煤炭的過程中，篩分處理是進(jìn)行分選、脫水及脫泥的重要步驟之一，篩分技術(shù)的高低對(duì)于得到的礦產(chǎn)及煤炭的品質(zhì)高低具有重要的影響。振動(dòng)篩的種類繁多，高頻振動(dòng)篩采用較高的激振頻率進(jìn)行低幅振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小，具有結(jié)構(gòu)簡單、篩分效率高的優(yōu)點(diǎn)，在煤炭等篩分中的使用越來越多[1]。高頻振動(dòng)篩在使用過程中，由于振動(dòng)頻率較高，對(duì)于振動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有較高要求。

采用有限元仿真方式對(duì)高頻振動(dòng)篩的諧響應(yīng)進(jìn)行分析，從而優(yōu)化振動(dòng)篩面的結(jié)構(gòu)，提高振動(dòng)篩的穩(wěn)定性[2]。

1 高頻振動(dòng)篩有限元模型的建立

有限元法是將連續(xù)變化的求解域進(jìn)行離散處理的過程，在單元滿足收斂的條件下，則可將近似解收斂于真實(shí)解。ANSYS是常用的有限元分析軟件，采用位移法進(jìn)行求解，在工程中應(yīng)用較多[3]。所研究的高頻振動(dòng)篩為雙質(zhì)體振動(dòng)篩，其主要的振動(dòng)結(jié)構(gòu)可以分為槽體組、彈片組及中間架組，振動(dòng)部分安裝支座即為振動(dòng)篩的整體結(jié)構(gòu)。槽體組包括響應(yīng)的篩板及支撐件，彈片組包括彈片及彈片支撐件，中間架組包括電機(jī)支架、底板及中間架側(cè)板及橫梁[4]。采用SolidWorks對(duì)高頻振動(dòng)篩的主要零部件進(jìn)行建模并裝配，得到高頻振動(dòng)篩的整體模型如圖1所示。

圖1 高頻振動(dòng)篩的實(shí)體模型

在進(jìn)行有限元分析的過程中，網(wǎng)格劃分的精度對(duì)于計(jì)算結(jié)果的精度具有重要的影響。對(duì)所建立的高頻振動(dòng)篩，由于結(jié)構(gòu)面多為不規(guī)則的多邊形，采用四邊形映射的方式，以最短線的長度為基準(zhǔn)控制網(wǎng)格的精度，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]。

2 高頻振動(dòng)篩的諧響應(yīng)分析

高頻振動(dòng)篩是典型的振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，要對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，通過模態(tài)分析可以得到振動(dòng)篩機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率及相對(duì)應(yīng)的位移[6]。將高頻振動(dòng)篩看作為多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，其模態(tài)分析結(jié)果僅與自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，是進(jìn)行諧響應(yīng)分析的一個(gè)關(guān)鍵步驟。利用高頻振動(dòng)篩的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到系統(tǒng)的各階固有頻率及振型。通過模態(tài)分析可知，高頻振動(dòng)篩前五階頻率不足10 Hz，正常工作下的激振頻率是12.5 Hz，位于第五及第六階振動(dòng)頻率之間。在正常工作的模式下，振動(dòng)篩不會(huì)發(fā)生振動(dòng)[7]。

諧響應(yīng)分析針對(duì)振動(dòng)篩在周期載荷作用時(shí)產(chǎn)生的位移響應(yīng)進(jìn)行分析，還可以針對(duì)線性振動(dòng)系統(tǒng)在簡諧振動(dòng)下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行諧響應(yīng)分析，可以得出在一定頻率作用下振動(dòng)篩的位移響應(yīng)，并可對(duì)節(jié)點(diǎn)位置的位移變化趨勢(shì)進(jìn)行分析[8]。在ANSYS分析軟件中，對(duì)振動(dòng)篩在0～50 Hz作用下的位移響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，設(shè)定電機(jī)的激振力為12 kN，激振力作用在水平及豎直方向上，對(duì)振動(dòng)篩選取不同的節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行位移響應(yīng)曲線的分析，圖2所示為選取的節(jié)點(diǎn)位置。

圖2 振動(dòng)篩節(jié)點(diǎn)位置的選取

針對(duì)節(jié)點(diǎn)1的位移變化進(jìn)行分析，圖3所示為上層篩板的中間位置節(jié)點(diǎn)1處的水平位移及垂直位移變化曲線。從圖3可以看出，在頻率為4 Hz及8 Hz時(shí)垂直和水平方向的位移值較大，位移幅值可達(dá)6 mm；在頻率為8 Hz時(shí)水平位移達(dá)到6 mm；當(dāng)頻率達(dá)到40 Hz以上時(shí)，水平方向會(huì)產(chǎn)生較大的位移。在系統(tǒng)的激振頻率為12.5 Hz時(shí)，節(jié)點(diǎn)處的水平和垂直位移值均較小，此時(shí)振動(dòng)篩產(chǎn)生的位移較小，不會(huì)發(fā)生共振，工作穩(wěn)定。

圖3 節(jié)點(diǎn)1的位移變化曲線

對(duì)振動(dòng)篩在周期載荷作用下的應(yīng)力進(jìn)行分析，圖4所示為激振頻率為6 Hz時(shí)振動(dòng)篩的應(yīng)力分布。從圖4可以看出，最大應(yīng)力值位于篩板的前側(cè)與所支撐篩板段的位置處，在篩板尾端的應(yīng)力值也較大，存在著應(yīng)力集中現(xiàn)象。振動(dòng)篩在進(jìn)行工作的過程中，在篩面的前端及尾端位置處與彈片的連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于振動(dòng)篩的長期使用及穩(wěn)定性，應(yīng)針對(duì)篩面的強(qiáng)度進(jìn)行一定的強(qiáng)化，優(yōu)化振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)，防止振動(dòng)篩的振幅過大，對(duì)振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)造成破壞，影響煤礦的篩分分選。

圖4 振動(dòng)篩的應(yīng)力分布

3 結(jié)論

振動(dòng)篩是進(jìn)行煤炭分選的重要設(shè)備，并且在其他行業(yè)中也具有廣泛的應(yīng)用。選煤用高頻振動(dòng)篩的工作頻率高、振幅小，在其工作過程中，不僅結(jié)構(gòu)要滿足承載的需求，篩分的效率及質(zhì)量同樣要滿足需求。采用有限元分析的方式，建立高頻振動(dòng)篩的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，得到各階的振動(dòng)頻率及振型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到不同激振頻率下的振動(dòng)篩位移響應(yīng)曲線以及應(yīng)力分布云圖。進(jìn)一步分析得到如下結(jié)論：

1）通過分析位移響應(yīng)曲線可知，高頻振動(dòng)篩在正常工作頻率下不會(huì)發(fā)生共振，在激振頻率為4 Hz及8 Hz時(shí)，振動(dòng)篩的振幅最大。

2）對(duì)振動(dòng)篩的應(yīng)力進(jìn)行分析可知，在篩面的前端及尾端位置處與彈片的連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)篩面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高篩面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而保證振動(dòng)篩工作的穩(wěn)定性，提高煤炭等分選的品質(zhì)。