選煤廠弧形篩篩板的柔化及仿真分析

宋 丹

（山西焦煤霍州煤電李雅莊洗煤廠， 山西 臨汾 031400）

0 引言

選煤廠是對(duì)原煤進(jìn)行再加工處理的場(chǎng)所，是提高煤炭質(zhì)量的一道重要工序?；⌒魏Y篩面與弧形篩相互組合的獨(dú)特結(jié)構(gòu)能夠避免篩縫的堵塞，其脫介、脫水性能相比于普通弧形篩得到明顯的改善。在實(shí)際生產(chǎn)中，弧形篩的工作量很大，在長(zhǎng)期的運(yùn)行中弧形篩承受著物料的質(zhì)量；而且在振動(dòng)電機(jī)的作用下，設(shè)備還需承受交變的激振力；在此種工況下，弧形篩會(huì)出現(xiàn)不同程度的疲勞破壞，甚至出現(xiàn)斷裂、開裂的情況，從而無法完成其篩分的功能。為了獲得弧形篩的真實(shí)疲勞壽命，本文將對(duì)弧形篩進(jìn)行柔化處理，在此基礎(chǔ)上對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行仿真分析[1-2]。

1 弧形篩概述

本文研究型號(hào)為VSB302060 的弧形篩，其主要結(jié)構(gòu)包括篩箱、振動(dòng)電機(jī)、篩板弧形座和隔振彈簧[3]。該設(shè)備是結(jié)合了普通弧形篩和振動(dòng)弧形篩改進(jìn)而來的，該設(shè)備區(qū)別于普通弧形的關(guān)鍵點(diǎn)是能夠有效防止物料對(duì)篩縫的堵塞。VSB302060 型弧形篩的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 弧形篩普通結(jié)構(gòu)示意圖

弧形篩工作原理如下：當(dāng)篩面未發(fā)生堵塞現(xiàn)象時(shí)，該選煤弧形篩與普通弧形篩的工作原理一致，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤泥水的脫介脫水處理；當(dāng)篩面發(fā)生堵塞時(shí)，選煤弧形篩的振動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，在振動(dòng)電機(jī)的作用下帶動(dòng)選煤弧形篩篩板弧形底座的諧振，從而產(chǎn)生較大強(qiáng)度的振動(dòng)，使得堵塞篩面的顆粒落下，達(dá)到疏通篩面的目的。

從整體上講，選煤弧形篩可以有效避免篩面煤炭顆粒對(duì)其堵塞現(xiàn)象；而且篩箱的小幅度振動(dòng)即可帶來大強(qiáng)度的振動(dòng)，間接保證了篩網(wǎng)的使用壽命。

2 選煤廠弧形篩有限元仿真模型的建立與柔化處理

在以往對(duì)選煤弧形篩疲勞壽命分析時(shí)，只將設(shè)備各部件視為剛性體，而在實(shí)際中各部件均為彈性體，導(dǎo)致仿真所得到的結(jié)構(gòu)與實(shí)際值存在一定的誤差。因此，本文將重點(diǎn)在對(duì)弧形篩柔化處理的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)備的疲勞壽命進(jìn)行仿真分析[4-5]。

2.1 弧形篩有限元仿真模型的建立

首先，基于Pro/E 三維建模軟件對(duì)VSB302060 型弧形篩篩板的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行建立；在建模過程中，在保證仿真計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，為了減少仿真計(jì)算量，對(duì)設(shè)備本身的倒角、圓角以及螺栓進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。然后，將所構(gòu)建的三維結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ANSYS 有限元分析軟件中，根據(jù)建模材料屬性對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

VSB302060 型弧形篩篩板弧形座所選的材料是Q235A 鋼，其相應(yīng)的材料屬性如表1 所示。

表1 弧形篩篩板Q235A 材料屬性

對(duì)材料屬性設(shè)置完畢后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，得到數(shù)值模擬仿真的模型。網(wǎng)格劃分結(jié)果：弧形篩弧形座的網(wǎng)格單元數(shù)量為147 807，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為236 411。最終得到弧形篩弧形座的有限元仿真模型如圖2 所示。

圖2 弧形篩弧形座有限元仿真模型

2.2 弧形篩弧形座的柔化處理

以往針對(duì)弧形篩弧形座疲勞壽命仿真分析時(shí)將其關(guān)鍵部件視為剛性；但是，在實(shí)際生產(chǎn)中各部件均會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形。因此，完成將部件視為剛性體，仿真結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)存在較大的差異性，即不能準(zhǔn)確反應(yīng)弧形篩的疲勞壽命，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義不明顯。

因此，需要將弧形篩弧形板進(jìn)行柔化處理，對(duì)應(yīng)得到弧形篩弧形板的剛?cè)狁詈系姆抡婺Ｐ?。目前，可通過ADAMS 軟件和ANSYS 軟件對(duì)弧形篩板進(jìn)行柔性處理。二者比較可知：基于ADAMS 軟件對(duì)弧形篩板進(jìn)行柔性處理，最終所獲得的模型相對(duì)簡(jiǎn)單且精度較低；而基于ANSYS 軟件對(duì)弧形篩板進(jìn)行柔性處理后，最終所獲得的模型精度較高。因此，本文將采用ANSYS 軟件對(duì)弧形篩板進(jìn)行柔性處理；柔性處理的關(guān)鍵在于在模型中建立剛性區(qū)域。所謂剛性區(qū)域指的是剛性體和柔性體相連接的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于弧形篩的弧形篩板，其剛性區(qū)域?yàn)槟Ｐ椭袦p震器的四個(gè)螺栓孔，如圖3 所示。

圖3 弧形篩篩板所構(gòu)建的剛性區(qū)域

3 弧形篩篩板的疲勞壽命仿真分析

實(shí)踐表明，影響設(shè)備疲勞壽命的因素包括有設(shè)備本身的工作條件、零部件的工作狀態(tài)以及材料的本質(zhì)屬性等。在上述三大因素中各自還包括有多種小因素，其中設(shè)備部件所承受的集中應(yīng)力、機(jī)械構(gòu)件的尺寸、表面狀態(tài)以及設(shè)備本身所承受的載荷等均是影響其疲勞壽命的關(guān)鍵。

3.1 弧形篩篩板的S-N 曲線

S-N 曲線是疲勞壽命分析的重要依據(jù)?；⌒魏Y篩板的材料為Q235A，根據(jù)表1 中材料的屬性得到弧形篩板的S-N 曲線如圖4 所示。

圖4 弧形篩篩板S-N 曲線

3.2 篩板的疲勞壽命仿真分析

實(shí)踐表明，篩面被煤炭顆粒堵塞后，需要在振動(dòng)電機(jī)的作用下，篩板弧形座聯(lián)動(dòng)篩板形成諧振?？梢哉f，在振動(dòng)的作用下，弧形篩篩板為薄弱環(huán)節(jié)，極易發(fā)生疲勞破壞。因此，重點(diǎn)對(duì)弧形篩板的疲勞壽命進(jìn)行研究。

在S-N 曲線的指導(dǎo)下，結(jié)合弧形篩篩板的載荷和受力情況，所得篩板的疲勞壽命云圖如圖5 所示。

圖5 弧形篩篩板疲勞壽命仿真云圖

對(duì)所得的弧形篩篩板的疲勞壽命云圖進(jìn)行分析得出：篩板上疲勞壽命最薄弱的環(huán)節(jié)為所構(gòu)建的剛性區(qū)域，即與減震器連接的四個(gè)螺栓孔為薄弱環(huán)節(jié)。而在未對(duì)篩板進(jìn)行柔化處理的仿真模型進(jìn)行疲勞壽命仿真分析時(shí)，所得的仿真結(jié)論為篩板滿足設(shè)備實(shí)際工況的使用要求，無薄弱環(huán)節(jié)。

因此，為提升弧形篩篩板的使用壽命和安全性，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)于減震器連接的四個(gè)螺栓孔的位置進(jìn)行改進(jìn)，已達(dá)到提升其疲勞壽命的目的。

4 結(jié)論

弧形篩為選煤廠中對(duì)煤泥水進(jìn)行脫介、脫水處理的關(guān)鍵設(shè)備，其在實(shí)際應(yīng)用中處于持續(xù)工作的狀態(tài)。本文所研究的弧形篩是在普通弧形篩和振動(dòng)弧形篩綜合的基礎(chǔ)上高性能弧形篩，該設(shè)備由于可解決篩面堵塞的問題，使得其應(yīng)用較為廣泛。但是，在振動(dòng)電機(jī)的作用下，其振動(dòng)幅度較普通弧形篩較大，而且其篩板為整個(gè)設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。本文在對(duì)篩板柔化處理的基礎(chǔ)上，對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行仿真分析，并得出如下結(jié)論：

1）對(duì)篩板進(jìn)行柔化處理后，可以得出與減震器連接的四個(gè)螺栓孔為薄弱環(huán)節(jié)；

2）為提升弧形篩整機(jī)設(shè)備的使用壽命，可對(duì)四個(gè)螺栓孔進(jìn)行改造消除薄弱環(huán)節(jié)。