噴霧降塵器防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

常波峰，郭奮超，馬 亮，朱玉峰，劉 寬

陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司 陜西神木 719300

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴霧降塵器安裝在綜采工作面配合采煤機(jī)使用，而采煤機(jī)在切割煤壁時(shí)造成巨大震動和大塊煤塊砸落，在考慮旋轉(zhuǎn)部件穩(wěn)定工作以及保護(hù)內(nèi)部管路不受破壞的前提下，需要對防護(hù)外殼的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。噴霧降塵器結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，由后防護(hù)網(wǎng)、防護(hù)外殼、水動力扇葉、水動力旋轉(zhuǎn)軸、萬象噴嘴、前防護(hù)網(wǎng)、噴嘴噴管、高壓水管、三通管、旋轉(zhuǎn)法蘭等零部件組成。

圖1 噴霧降塵器結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of spray duster

1.1 研究方法

運(yùn)用 ANSYS 對防護(hù)外殼進(jìn)行沖擊載荷下的強(qiáng)度校核和模態(tài)分析，然后制作型機(jī)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和噪聲測定試驗(yàn)。分別在無外界干擾和井下作業(yè)下的環(huán)境進(jìn)行測試，若測試結(jié)果不理想，則對防護(hù)外殼尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)；待符合使用要求后，再進(jìn)行批量生產(chǎn)推廣。防護(hù)外殼設(shè)計(jì)分析框架如圖 2 所示。

圖2 防護(hù)外殼設(shè)計(jì)分析框架Fig. 2 Design analysis framework of protective shell

1.2 防砸性設(shè)計(jì)

采煤機(jī)切割煤壁后會有大塊煤巖砸落，而降塵器內(nèi)水管和旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)要求裝置具有良好的防砸性。噴霧降塵器防護(hù)外殼如圖 3 所示，主要包括支撐底座、噴嘴防護(hù)殼和主防護(hù)外殼。

圖3 噴霧降塵器防護(hù)外殼Fig. 3 Protective shell of spray duster

支撐底座除固定支撐整個(gè)裝置外，還起到保護(hù)高壓水管的作用；而噴嘴噴管和萬象噴嘴嵌套在噴嘴防護(hù)殼中，固定和保護(hù)噴嘴和管路；主防護(hù)外殼主要保護(hù)和固定旋轉(zhuǎn)部件，需要較高的強(qiáng)度和振動穩(wěn)定性，所以這部分外殼厚度被設(shè)計(jì)為 20 mm，約占整個(gè)裝置質(zhì)量的一半以上。

1.3 防護(hù)外殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防護(hù)外殼設(shè)計(jì)分析框架如圖 4 所示。為考慮管路的布置和旋轉(zhuǎn)部件的固定，噴嘴防護(hù)殼內(nèi)設(shè)計(jì)了 2 個(gè)高壓水管通孔、前后 8 個(gè)防護(hù)網(wǎng)固定板、噴嘴噴管空腔和 2 個(gè)十字軸承座。雙十字軸承座的設(shè)計(jì)為旋轉(zhuǎn)部件提供支撐，并防止外界沖擊過大導(dǎo)致軸承失衡，從而降低設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲。防護(hù)網(wǎng)固定板的設(shè)計(jì)不僅用于固定前后防護(hù)網(wǎng)，而且可以減小在外界沖擊下十字軸承座受到的應(yīng)力和應(yīng)變。

圖4 防護(hù)外殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig. 4 Internal structure of protective shell

2 防護(hù)外殼結(jié)構(gòu)分析

2.1 動力學(xué)分析

2.1.1 幾何建模

為提高分析速度，使用三維軟件對防護(hù)外殼模型特征進(jìn)行適當(dāng)簡化，忽略焊接對結(jié)構(gòu)受力的影響，忽略所有的倒角和倒圓，簡化所有螺紋孔[7]。

留置作為監(jiān)察委員會最為剛性的調(diào)查手段，除通過上述條文詞源的考據(jù)得出其一般共性(即強(qiáng)制性)外，國家監(jiān)察法中的留置法律概念還須根據(jù)國家監(jiān)察體系制度設(shè)計(jì)對其重構(gòu)，并在憲法的語境下充分探析。

2.1.2 材料屬性設(shè)置

防護(hù)外殼材料選擇強(qiáng)度較高的 45 鋼，彈性模量為 209 GPa，密度為 7 890 kg/m3，泊松比為 0.269，屈服強(qiáng)度為 355 MPa。

2.1.3 網(wǎng)格劃分

采用四面體網(wǎng)格對簡化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Element Size 設(shè)定為 10 mm，劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)為 222 005個(gè)，單元總數(shù)為 135 200 個(gè)，防護(hù)外殼網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 防護(hù)外殼網(wǎng)格劃分Fig. 5 Grid division of protective shell

2.1.4 載荷及約束設(shè)置

現(xiàn)實(shí)情況受力較復(fù)雜，將防護(hù)外殼的受力狀態(tài)簡化，添加自重約束。防護(hù)外殼用螺栓固定在采煤機(jī)上，對底座和防護(hù)網(wǎng)固定螺栓孔施加固定約束，根據(jù)2 t 煤巖砸落在防護(hù)外殼的狀況，將 20 000 N 的階躍載荷作用在防護(hù)外殼表面為 100 mm2的區(qū)域上，作用區(qū)域中心坐標(biāo)為 (98.33，113.16，205.00)，沖擊載荷方向相切于圓柱形防護(hù)外殼表面，并依據(jù)旋轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量和重心位置，對靠近前防護(hù)網(wǎng)的十字軸承座下表面施加 0.4 MPa 的壓力，對靠近后防護(hù)網(wǎng)的十字軸承座下表面施加 0.1 MPa 的壓力。

2.1.5 結(jié)果分析

防護(hù)外殼在沖擊載荷下的等效應(yīng)力如圖 6 所示，防護(hù)外殼所受應(yīng)力分布均勻，最大正應(yīng)力在上端防護(hù)網(wǎng)固定板位置處，大小為 265 MPa，分析結(jié)果遠(yuǎn)小于45 鋼的屈服強(qiáng)度 355 MPa?？梢?，防護(hù)外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，整體強(qiáng)度滿足現(xiàn)場使用。

圖6 防護(hù)外殼等效應(yīng)力云圖Fig. 6 Equivalent stress contours of protective shell

防護(hù)外殼在沖擊載荷下的變形云圖如圖 7 所示。整個(gè)防護(hù)外殼變形主要發(fā)生在防護(hù)外殼上半部分，最大變形為 0.001 mm，發(fā)生在防護(hù)網(wǎng)固定板位置處，與應(yīng)力分析結(jié)果一致。十字軸承座的支撐板最大變形小于 0.001 mm，而承載軸承的空心圓柱幾乎沒有發(fā)生變形，故防護(hù)外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證噴霧降塵器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖7 防護(hù)外殼變形云圖Fig. 7 Displacement contours of protective shell

2.2 防護(hù)外殼模態(tài)分析

噴霧降塵器在采煤機(jī)上使用，會受到采煤機(jī)工作和煤巖砸落等外界激勵的影響。為避免防護(hù)外殼因?yàn)楣舱耦l率產(chǎn)生變形和噪聲，影響降塵器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命，筆者通過模態(tài)分析對防護(hù)外殼的固有頻率和振型進(jìn)行仿真。

2.2.1 數(shù)學(xué)模型

自由模態(tài)分析是通過建立系統(tǒng)特征值問題，用各種近似方法求解系統(tǒng)特征值和特征矢量，根據(jù)牛頓第二定律建立振動微分方程式

無阻尼自由度振動一般合成為簡諧運(yùn)動

式中：M為振動體的質(zhì)量矩陣，kg；˙˙x為振動質(zhì)量位移方向的加速度，m/s2；K為彈性元件剛度矩陣，N/m；為振動質(zhì)量的位移，m；A為振幅，m；ω為角速度，rad/s；t為時(shí)間，s。

由式 (1)、(2) 可得

則系統(tǒng)振動的固有頻率

式中：ωn為振動系統(tǒng)的固有頻率，rad/s。

2.2.2 模態(tài)分析求解結(jié)果

防護(hù)外殼自由狀態(tài)下的模態(tài)分析求解結(jié)果如表 1所列，其中包括防護(hù)外殼前 11 階固有頻率和振型描述。前 6 階振型為剛體模態(tài)，頻率大小近乎為 0，因此可忽略；第 7 階至第 11 階防護(hù)外殼振型如圖 8 所示。由于噴霧降塵器所使用的工作環(huán)境振動頻率遠(yuǎn)小于 400 Hz，所以防護(hù)外殼設(shè)計(jì)合理，滿足工作使用。

圖8 防護(hù)外殼 7～ 11 階模態(tài)振型Fig. 8 Vibration modes of order 7～ 11 of protective shell

表1 防護(hù)外殼前 11 階固有頻率與振型Tab.1 Natural frequency and vibration modes of preceding 11 orders of protective shell Hz

3 型機(jī)試驗(yàn)

噴霧降塵器防護(hù)外殼設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行型機(jī)制造和試驗(yàn)驗(yàn)證，對噴霧降塵器型機(jī)進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，然后在井下進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)。

3.1 噴霧降塵器噴霧試驗(yàn)

防護(hù)外殼組裝后對噴霧降塵器進(jìn)行水壓 5 MPa、保壓 1 h 的噴霧運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，型機(jī)噴霧試驗(yàn)如圖 9 所示，試驗(yàn)時(shí)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況良好。

圖9 型機(jī)噴霧試驗(yàn)Fig. 9 Spray test of prototype

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

將噴霧降塵器運(yùn)送至井下進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，如圖10 所示。噴霧降塵器噴射的噴霧可以很好地覆蓋采煤機(jī)滾筒，防護(hù)外殼被切割掉落的煤巖頻繁擊打，經(jīng)過一個(gè)開采班組 8 h 試用后，噴霧降塵器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，防護(hù)外殼無損傷，無變形。

圖10 現(xiàn)場應(yīng)用Fig. 10 Field application

4 結(jié)語

以噴霧降塵器防護(hù)外殼為研究對象，對防護(hù)外殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合振動穩(wěn)定性和防砸性等現(xiàn)場使用條件，運(yùn)用仿真軟件對其進(jìn)行動力學(xué)分析和模態(tài)分析。通過制作型機(jī)分別在無外界干擾和井下工作的環(huán)境進(jìn)行噴霧試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用證明，該防護(hù)外殼結(jié)構(gòu)合理，能保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果都符合噴霧降塵器的使用要求，為噴霧降塵器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。