選煤廠振動(dòng)篩的動(dòng)態(tài)仿真分析

高 偉

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司二礦選煤廠，山西 陽泉 045000）

引言

選煤廠為對原煤進(jìn)行洗選的場所，隨著綜采工作面生產(chǎn)能力的增加，對選煤廠的生產(chǎn)能力也提出更高的要求。當(dāng)前，在選煤工藝不斷簡化的前提下，振動(dòng)篩由于其高可靠性、穩(wěn)定性和大處理能力的特點(diǎn)被選煤廠廣泛應(yīng)用[1]。隨著選煤廠處理能力的增加，對振動(dòng)篩的處理能力也提出了更高的要求，從而導(dǎo)致其在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)篩體變形嚴(yán)重、焊縫開裂以及側(cè)板斷裂等故障。因此，開展對振動(dòng)篩的動(dòng)態(tài)仿真研究，并對不合理的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)對于保證振動(dòng)篩的性能和選煤廠的生產(chǎn)能力與最終產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要意義。

1 振動(dòng)篩模型的建立

本文所研究振動(dòng)篩的型號為BRU-1-360/610-2ZHE80L，該型振動(dòng)篩的主要特征參數(shù)如表1 所示。

表1 BRU-1-360/610-2ZHE80L 振動(dòng)篩關(guān)鍵特征參數(shù)

與其他振動(dòng)篩類似，BRU-1-360/610-2ZHE80L振動(dòng)篩主要結(jié)構(gòu)包括篩箱、篩板、篩面、激振器、傳動(dòng)裝置、支承裝置等。為兼顧振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算速度，在實(shí)際建模過程中需要作出如下假設(shè)：

1）將振動(dòng)篩的橫梁、擋板、側(cè)板、彈簧座耳等零部件均認(rèn)為剛性元件，即不對上述零部件的變形進(jìn)行考慮；

2）默認(rèn)為振動(dòng)篩篩箱為一體化成型的結(jié)果，即忽略篩箱的焊縫等；

3）鑒于振動(dòng)篩篩箱的剛度遠(yuǎn)小于激振器的剛度，因此在此次動(dòng)態(tài)仿真過程中僅對篩箱的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，默認(rèn)激振器不存在變形；

4）在實(shí)際構(gòu)造中，雖然下橫梁和下縱梁是通過鉚釘進(jìn)行連接的，但是鑒于鉚釘?shù)臄?shù)量較多，因此將下縱梁和下橫梁之間的連接視為剛性連接；

5）鑒于振動(dòng)篩整體的結(jié)構(gòu)為左右對稱的形式，因此在實(shí)際動(dòng)態(tài)仿真分析中可僅對其中一般的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而極大地減少了計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量[2]。

基于PRO/E 三維建模軟件分別根據(jù)表1 中的具體參數(shù)和建模的簡化原則對后擋板、側(cè)板、出料口、加強(qiáng)筋、支撐梁、橫梁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模[3]，而后根據(jù)各個(gè)零部件之間的相互約束關(guān)系進(jìn)行虛擬裝配，最終得到如圖1 所示的振動(dòng)篩三維模型。

圖1 振動(dòng)篩三維結(jié)構(gòu)模型

2 振動(dòng)篩的動(dòng)力學(xué)仿真分析

基于圖1 中所建立的振動(dòng)篩三維結(jié)構(gòu)模型，本節(jié)重點(diǎn)對其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真分析。首先，根據(jù)振動(dòng)篩各個(gè)零部件的約束關(guān)系施加對應(yīng)的約束，將三維模型導(dǎo)入ADAMS 動(dòng)力學(xué)仿真軟件中，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工況施加相應(yīng)的載荷后，在ADAMS 軟件中完成網(wǎng)格劃分操作[4]。

本次針對振動(dòng)篩動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)定的仿真時(shí)間為3 s，重點(diǎn)對振動(dòng)篩在實(shí)際工況條件下篩箱在各個(gè)方向的位移變化規(guī)律、運(yùn)動(dòng)軌跡以及速度等參數(shù)性能進(jìn)行仿真分析。振動(dòng)篩篩箱在各個(gè)方向位移的變化仿真結(jié)果闡述如下：振動(dòng)篩篩箱在實(shí)際工況條件下在各個(gè)方向位移變化仿真結(jié)果如下頁圖2 所示。

圖2 篩箱在各個(gè)方向位移變化規(guī)律

由圖2 可知，在整體上分析篩箱在三個(gè)方向的位移變化規(guī)律一致；其中，在0.5 s 內(nèi)篩箱的振動(dòng)快速減小，其主要表現(xiàn)為瞬態(tài)形式的振動(dòng)；在0.5 s 以后篩箱在各個(gè)方向的位移變化呈現(xiàn)有規(guī)律的受迫振動(dòng)，在X方向和Y 方向的振動(dòng)幅度為2.8 mm，而在Z 方向的振動(dòng)幅度可忽略不計(jì)。因此，振動(dòng)篩在實(shí)際工況條件下的合振幅為3.90 mm，且運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎駝?dòng)篩45°方向上的振動(dòng)。

上述仿真結(jié)論與理論計(jì)算公式相吻合，說明所建立三維模型的正確性，即可應(yīng)用于后續(xù)對振動(dòng)篩的有限元仿真分析。

3 振動(dòng)篩有限元仿真分析

本文將在“1”中所搭建三維模型，對振動(dòng)篩篩箱的模態(tài)進(jìn)行分析，并基于模態(tài)仿真結(jié)果對篩箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.1 振動(dòng)篩篩箱的模態(tài)分析

將“1”中所建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS 有限元分析軟件中，建立振動(dòng)篩篩箱的有限元模態(tài)分析模型。結(jié)合篩箱所選型材料的彈性模量（2.5×1011N/m2）、泊松比（0.26）以及密度（7.85×103kg/m3）等參數(shù)對有限元模型進(jìn)行設(shè)置。

根據(jù)激振器對篩箱的驅(qū)動(dòng)作用，根據(jù)激振器傳遞至篩箱的能量，在仿真模型中對篩箱施加水平方向的力為844 609 N，施加的垂直方向的力為844 609 N[5]。在完成上述所有參數(shù)和載荷設(shè)置后，對振動(dòng)篩篩箱的有限元仿真模型進(jìn)行相應(yīng)網(wǎng)格劃分，具體總共劃分網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為60 227 個(gè)，劃分網(wǎng)格單元的數(shù)量為60 529 個(gè)。

針對篩箱仿真模型均設(shè)置完畢后開展模態(tài)仿真分析，并得出篩箱的16 階固有頻率值，仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 篩箱16 階固有頻率值

參考上頁表1 可知，振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率為16 Hz。根據(jù)振動(dòng)篩設(shè)計(jì)手冊可知，為避免振動(dòng)篩的共振，要求振動(dòng)篩的工作頻率與其固有頻率之間的差值控制在振動(dòng)頻率的10%以上。因此，振動(dòng)篩固有頻率在14.4 Hz 和17.6 Hz 是不可取的。而通過模態(tài)仿真分析得知，振動(dòng)篩在8 階、9 階和10 階對應(yīng)的固有頻率正好在其10%的范圍之內(nèi)。

綜上，需對該振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，確保其固有頻率避開[14.4 Hz，17.6 Hz]的區(qū)間之內(nèi)。

3.2 振動(dòng)篩篩箱的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過進(jìn)一步分析可知，導(dǎo)致振動(dòng)篩篩箱的固有頻率與其振動(dòng)頻率相接近的主要原因?yàn)楹Y箱在縱向方向的剛度較弱。

因此，本文研究中為提高篩箱在縱向方向的剛度，在其底部增加兩條縱向加強(qiáng)梁，改進(jìn)后篩箱的有限元模型如下頁圖3 所示。

圖3 改進(jìn)后振動(dòng)篩篩箱的有限元模型

基于圖3 所示的模型對振動(dòng)篩進(jìn)行模態(tài)分析，得出振動(dòng)篩篩箱在7 階的固有頻率為13.64 Hz，在8 階的固有頻率為18.55 Hz，在9 階的固有頻率為25.24 Hz，在10 階的固有頻率為27.09 Hz，上述固有頻率均不在[14.4 Hz，17.6 Hz]的區(qū)間內(nèi)，避開了振動(dòng)頻率，說明本次改造非常有效。

4 結(jié)語

振動(dòng)篩為選煤廠對原煤進(jìn)行分選處理的關(guān)鍵設(shè)備，在當(dāng)前選煤廠分選能力大幅提升的背景下，振動(dòng)篩的生產(chǎn)任務(wù)也非常繁重，導(dǎo)致嚴(yán)重的篩體變形、焊縫開裂等故障。本文通過對振動(dòng)篩篩箱模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)：篩箱在8 階、9 階以及10 階的固有頻率位于[14.4 Hz，17.6 Hz]的區(qū)間內(nèi)，極易導(dǎo)致振動(dòng)篩共振，從而影響生產(chǎn)安全性和設(shè)備使用壽命。為此，對振動(dòng)篩篩箱在振動(dòng)方向上增加加強(qiáng)筋，達(dá)到提升其縱向方向剛度的目的，有效解決了固有頻率與振動(dòng)頻率相近的問題。