呂高常

(1.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山063399；2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山063012；3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山063012)

近年來，由于我國對保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的高度重視，原煤入選比例逐年提高，煤炭洗選加工行業(yè)得到快速發(fā)展。振動篩在煤炭洗選加工作業(yè)中具有脫泥、脫介、脫水、分級等作用，是煤炭洗選加工作業(yè)的重要設(shè)備，在選煤廠應(yīng)用比較廣泛[1-2]。隨著我國大型選煤廠的建設(shè)和老選煤廠的升級改造，振動篩尤其是大型振動篩將在選煤廠得到大量使用。

振動篩是由側(cè)板和橫梁、加強(qiáng)梁、驅(qū)動梁等組成的三維空間結(jié)構(gòu)，在交變載荷作用下，其結(jié)構(gòu)不可避免的產(chǎn)生整體或局部彈性形變，進(jìn)而產(chǎn)生動應(yīng)力。如果動應(yīng)力數(shù)值較大或分布不均，篩機(jī)容易產(chǎn)生篩箱側(cè)板開裂、橫梁斷裂等故障[3-4]。為此，采用Workbench有限元分析軟件，對BVB4361香蕉篩(屬于大型振動篩)動態(tài)特性進(jìn)行研究，并分析篩機(jī)模態(tài)參數(shù)分布規(guī)律及其在簡諧激振力作用下的應(yīng)力響應(yīng)、位移響應(yīng)，進(jìn)而為大型振動篩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供具體思路。

1 BVB4361香蕉篩

1.1 結(jié)構(gòu)組成

BVB4361香蕉篩是天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司在SXJ系列香蕉篩基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)而成的新型設(shè)備，主要用在洗選能力5.00 Mt/a以上的大型選煤廠。BVB4361香蕉篩主要由篩箱、激振器、傳動裝置、支撐裝置等組成，效果圖如圖1所示。

圖1 BVB4361香蕉篩效果圖

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

BVB4361香蕉篩具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

(1)與SXJ系列香蕉篩相比，BVB4361香蕉篩側(cè)板位置經(jīng)過優(yōu)化，側(cè)板周邊及其他部位布置有加強(qiáng)角鋼和異形加強(qiáng)板，進(jìn)而形成力封閉式結(jié)構(gòu)，使側(cè)板縱橫兩向的剛度得到增強(qiáng)，工作過程中的彈性形變減少，從而有效避免側(cè)板開裂問題。

(2)篩下橫梁采用矩形無縫鋼管焊接而成，表面噴涂有彈性體材料，使其表面的耐腐蝕性提高，橫梁使用壽命延長。

(3)篩機(jī)采用強(qiáng)迫同步型箱式激振器驅(qū)動，該激振器采用大螺旋角精密齒輪傳動，具有質(zhì)量輕、激振力強(qiáng)、噪聲小的特點(diǎn)，且運(yùn)行平穩(wěn)，使用壽命長。

(4)激振器安裝梁(驅(qū)動梁)選用質(zhì)量輕、抗彎抗扭強(qiáng)度和剛度大的箱形梁，鋼板選用具有抵抗厚度方向變形能力的合金結(jié)構(gòu)鋼[5]。驅(qū)動梁經(jīng)焊接、完全去除應(yīng)力處理后，在高精度加工中心一次完成各裝配面，能夠有效保證加工精度。

(5)篩機(jī)選用立式皮帶輪減速傳動裝置，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

(6)篩機(jī)可配置入料量在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)入料量變化在線調(diào)節(jié)篩機(jī)的振動強(qiáng)度，從而達(dá)到提高篩分效率，降低設(shè)備能耗，延長設(shè)備使用壽命的目的。

2 模態(tài)分析

2.1 有限元網(wǎng)格模型的建立

BVB4361香蕉篩屬于大型振動設(shè)備，必須對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，以確定篩機(jī)模態(tài)參數(shù)是否合理，進(jìn)而避免結(jié)構(gòu)共振的問題出現(xiàn)[6]。為此，在Solidworks中建立 BVB4361香蕉篩的三維模型，并將其導(dǎo)入Workbench中；將各零部件組成一個(gè)多體部件體，以實(shí)現(xiàn)各零部件仿真計(jì)算的拓?fù)涔蚕韀7-8]。利用Workbench的自動網(wǎng)格劃分功能對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成326 968個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為647 393個(gè)。最終生成的BVB4361香蕉篩網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 BVB4361香蕉篩的有限元網(wǎng)格模型

由于劃分網(wǎng)格的質(zhì)量直接決定計(jì)算結(jié)果的精確度，故Workbench中評價(jià)劃分網(wǎng)格質(zhì)量的指標(biāo)單元質(zhì)量(element quality)是衡量準(zhǔn)則為網(wǎng)格的邊長比，該數(shù)值越接近1，說明劃分網(wǎng)格的質(zhì)量越好。在結(jié)構(gòu)分析中，當(dāng)單元質(zhì)量平均值大于0.30時(shí)，即可滿足一般的工程需要，此次網(wǎng)格劃分的單元質(zhì)量平均值為0.41。

2.2 邊界條件的設(shè)置

首先，將BVB4361香蕉篩的四個(gè)支座位置設(shè)置成彈簧連接[9-10]；再在Workbench求解器中修改提取模態(tài)數(shù)量為20，求解方法選擇program controlled，其余為默認(rèn)設(shè)置；然后進(jìn)行求解，得到篩機(jī)前20階模態(tài)參數(shù)。其中，40 Hz以內(nèi)的前13階模態(tài)頻率和振型見表1。

由表1可知：前6階振型分別表現(xiàn)為篩機(jī)沿三個(gè)軸的平動和繞三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動，不存在扭曲變形，不會對篩機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生額外的應(yīng)力，故稱為篩機(jī)的剛體模態(tài)，它是任何固體結(jié)構(gòu)固有的模態(tài)參數(shù)；前6階低頻階段全部為剛體模態(tài)，說明邊界條件及約束處理是合理的。7—13階振型表現(xiàn)為篩機(jī)整體或局部扭動，導(dǎo)致篩機(jī)產(chǎn)生彈性形變，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力，這部分模態(tài)屬于彈性模態(tài)；第7、第8兩階頻率分別為13.21、15.81 Hz，與篩機(jī)工作頻率15.50 Hz比較接近，且這兩階振型(圖3、圖4)表現(xiàn)為篩機(jī)出料端、入料端的左右扭動，進(jìn)而產(chǎn)生動應(yīng)力。因此，需要進(jìn)一步分析篩機(jī)在這兩個(gè)頻率下具體的動應(yīng)力數(shù)值及分布，以確定這兩階模態(tài)參數(shù)是否對篩機(jī)正常工作產(chǎn)生不良影響。

表1 前13階模態(tài)參數(shù)

圖3 第七階振型(13.21Hz)

圖4 第八階振型(15.81 Hz)

2.3 動應(yīng)力分析

BVB4361香蕉篩在實(shí)際工作過程中的振動是各種模態(tài)振型按照一定比例疊加的結(jié)果，因此，篩機(jī)工作時(shí)會產(chǎn)生一定程度的形變，從而產(chǎn)生動應(yīng)力。為了提高篩機(jī)工作的可靠性，必須對動應(yīng)力進(jìn)行分析，確定動應(yīng)力數(shù)值及其分布是否合理。

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上采用Workbench對BVB4361香蕉篩進(jìn)行諧響應(yīng)分析，先將激振力加載在驅(qū)動梁上的激振器安裝位置，采用程序默認(rèn)的方法求解，進(jìn)而獲得篩機(jī)在正弦載荷作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。頻率分別為13.21、15.81 Hz時(shí)篩機(jī)的動應(yīng)力響應(yīng)如圖5、圖6所示。

圖5 頻率13.21 Hz時(shí)篩機(jī)的動應(yīng)力響應(yīng)

圖6 頻率15.81 Hz時(shí)篩機(jī)的動應(yīng)力響應(yīng)

由圖5可知：在頻率為13.21 Hz時(shí)，動應(yīng)力最大值為21.99 MPa，該數(shù)值出現(xiàn)在側(cè)板內(nèi)側(cè)篩板支撐角鋼的角上，這是由應(yīng)力集中引起的，可以不做考慮；排除應(yīng)力集中后，動應(yīng)力較大的部位在出料端加強(qiáng)梁中間，其數(shù)值在9.78～12.21 MPa之間，其余部位的動應(yīng)力值均小于4.89 MPa，說明篩機(jī)的整體動應(yīng)力分布均勻，且數(shù)值均小于許用應(yīng)力值34.50 MPa。對圖6進(jìn)行分析，可以得出與圖5相同的結(jié)論。綜合分析，工作頻率附近的兩階彈性模態(tài)對篩機(jī)正常工作影響很小，可以不做考慮。

3 諧響應(yīng)分析

3.1 位移響應(yīng)分析

在工作頻率15.50 Hz下，BVB4361香蕉篩沿X軸(篩機(jī)長度)、Y軸(篩機(jī)高度)、Z軸(篩機(jī)寬度)三個(gè)方向的位移響應(yīng)及合成位移響應(yīng)如圖7—10所示。

圖7 篩機(jī)沿X軸的位移響應(yīng)

圖8 篩機(jī)沿Y軸的位移響應(yīng)

圖9 篩機(jī)沿Z軸的位移響應(yīng)

圖10 篩機(jī)的合成位移響應(yīng)

由圖7—10可知：篩機(jī)沿X、Y軸的位移響應(yīng)在數(shù)值上幾乎一致，這驗(yàn)證了篩機(jī)振動方向角為45°，與設(shè)計(jì)振動方向角一致。篩機(jī)沿Z軸的位移響應(yīng)數(shù)值很小，幾乎為零，說明篩機(jī)工作時(shí)橫向擺動很小。篩機(jī)的合成位移最小值為4.49 mm，其出現(xiàn)在入料端；最大值為4.97 mm，出現(xiàn)在出料端；篩機(jī)前后兩端的位移差值較小，篩機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

3.2 動應(yīng)力響應(yīng)分析

在工作頻率15.50 Hz下，BVB4361香蕉篩的動應(yīng)力響應(yīng)如圖11所示。由圖11可知：篩機(jī)的最大等效應(yīng)力數(shù)值為18.21 MPa，其出現(xiàn)在出料端加強(qiáng)梁法蘭的邊角上(圖12)，這是由應(yīng)力集中引起的；排除應(yīng)力集中后，動應(yīng)力較大的部位在出料端加強(qiáng)梁中間部位，數(shù)值在10.12～12.14 MPa之間，其余部位應(yīng)力值均小于6.07 MPa，說明篩機(jī)的整體動應(yīng)力分布均勻，且數(shù)值均小于許用應(yīng)力值34.50 MPa，整體強(qiáng)度達(dá)到了振動篩設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖11 工作頻率15.50 Hz時(shí)篩機(jī)的動應(yīng)力響應(yīng)

圖12 篩機(jī)的動應(yīng)力最大部位

4 性能檢驗(yàn)

按照J(rèn)B/T 10460—2015《香蕉形直線振動篩》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對BVB4361香蕉篩進(jìn)行出廠檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 性能檢驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：篩機(jī)的各項(xiàng)應(yīng)檢指標(biāo)均達(dá)到了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對稱點(diǎn)振幅差、橫向擺動等關(guān)鍵性能指標(biāo)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。

5 結(jié)論

采用Workbench有限元分析軟件對BVB4361香蕉篩進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)篩機(jī)工作頻率15.50 Hz附近存在13.21 Hz和15.81 Hz兩階彈性模態(tài)，兩者的動應(yīng)力數(shù)值及其分布滿足工況要求；這兩階彈性模態(tài)對篩機(jī)正常工作影響很小，可以不做考慮。

(2)篩機(jī)工作頻率為15.50 Hz時(shí)，位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)均能滿足篩機(jī)的剛度和強(qiáng)度要求，篩機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。