崔 丹

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046100）

振動篩是一種廣泛應(yīng)用在選煤廠內(nèi)的煤炭分選設(shè)備，由于選煤廠工作環(huán)境惡劣且振動篩在實(shí)際工作過程中承受了極大的激振力和交變沖擊載荷的作用，導(dǎo)致振動篩在工作中頻繁出現(xiàn)斷裂、開裂的情況，特別是在工作過程中極易發(fā)生共振[1]，給振動篩的結(jié)構(gòu)可靠性和篩分效果造成了嚴(yán)重的影響。本文以郭莊煤業(yè)選煤廠的QZK1533 型振動篩為研究對象，利用MATLAB 仿真分析軟件對振動篩工作時的靜力學(xué)特性進(jìn)行研究，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)在郭莊煤業(yè)選煤廠的應(yīng)用表明，優(yōu)化后極大地提升了振動篩工作時的穩(wěn)定性和效率。

1 振動篩的振動理論

郭莊煤業(yè)選煤廠QZK1533 型振動篩的振動力學(xué)模型可簡化為彈性體結(jié)構(gòu)[3]。結(jié)合牛頓第二定律，可得出振動篩工作時質(zhì)體的運(yùn)動方程為[2]：

式中：

k-彈簧的剛度；

y-質(zhì)體振動時的位移，mm；

c-彈簧的阻尼系數(shù)；

-質(zhì)體振動時的速度，mm/s；

r-振動篩肋板長度，mm；

ω-系統(tǒng)的固有頻率，Hz；

m-振動質(zhì)體重量，kg；

t-時間，s；

M-振動篩的參振質(zhì)量，kg；

-質(zhì)體振動時的加速度，m/s2。

2 振動篩三維仿真分析模型的建立及靜力學(xué)分析

利用SolidWorks 三維建模軟件建立該振動篩的三維結(jié)構(gòu)模型，然后利用ANSYS 仿真分析軟件對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時采用自由網(wǎng)格劃分的方法，在各個部件的連接位置進(jìn)行細(xì)化處理。

利用MATLAB 仿真分析軟件對該振動篩進(jìn)行靜力學(xué)分析[4]。該振動篩在工作中受力的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖如圖1、圖2 所示。

圖1 振動篩工作時的應(yīng)力云圖

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)振動篩在工作時其應(yīng)力主要集中在加強(qiáng)管梁和篩箱的側(cè)壁位置，其最大應(yīng)力約為68.17MPa，工作時極易導(dǎo)致該處受力發(fā)生塑性變形及破壞。

圖2 振動篩工作時的應(yīng)變云圖

由仿真分析結(jié)果可知，振動篩工作時的最大變形量主要集中在側(cè)壁最下端的位置，其最大變形量約為1.08mm。該處位于側(cè)板和加強(qiáng)管梁的連接位置，當(dāng)振動篩在工作時極易發(fā)生疲勞破壞和開裂的現(xiàn)象。

對振動篩工作時的振動特性進(jìn)行仿真分析可知，該振動篩工作時當(dāng)在17Hz 時其振幅顯著大于其頻率值，因此說明在該工作點(diǎn)時極易發(fā)生共振現(xiàn)象，嚴(yán)重影響振動篩工作時的穩(wěn)定性和使用壽命。

以上分析結(jié)果和郭莊煤業(yè)選煤廠振動篩的主要失效模式一致，表明了該分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

3 振動篩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

根據(jù)仿真分析結(jié)果，首先對其進(jìn)行側(cè)板加厚，用于提升其工作時的橫向強(qiáng)度，同時加強(qiáng)其系統(tǒng)的固有頻率；另一方面增加篩箱側(cè)板的厚度，提升其工作時固有頻率，將連接過渡處的圓角由5mm 提升至15mm。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，本文選擇將篩箱側(cè)板的厚度增加至5mm，然后在相同的激勵條件下對其進(jìn)行仿真分析，其應(yīng)力分布云圖如圖3 所示，應(yīng)變分布云圖如圖4 所示。

圖3 優(yōu)化后振動篩工作時的應(yīng)力云圖

由仿真分析結(jié)果可知，優(yōu)化后，當(dāng)振動篩在工作時其應(yīng)力主要集中在后側(cè)加強(qiáng)梁的位置，其最大應(yīng)力約為5.23MPa，應(yīng)力降低了約92.3%，極大地優(yōu)化了其工作時的穩(wěn)定性和可靠性。

圖4 優(yōu)化后振動篩工作時的應(yīng)變云圖

優(yōu)化后，其最大變形量約為0.97mm，比優(yōu)化前降低了約10.1%，顯著提升了振動篩在工作時的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

同時根據(jù)優(yōu)化后對振動篩工作時振動特性的分析，其引起振動篩共振的頻率由17Hz 提升到了19.66Hz，遠(yuǎn)高于振動篩正常工作時的振動頻率，有效地防止了振動篩在工作中發(fā)生共振的概率。

4 優(yōu)化后振動篩在郭莊煤業(yè)選煤廠的應(yīng)用

根據(jù)以上分析，技術(shù)攻關(guān)小組對郭莊煤業(yè)選煤廠所使用的QZK1533 型振動篩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。自2018 年10 月投入使用以來，其工作時發(fā)生振動的次數(shù)由最初的3 次/d 降低到了約1 次/75d，其工作時側(cè)壁發(fā)生塑性變形的次數(shù)降低到了零次，停機(jī)檢修的次數(shù)由1 次/2d，提高到了約1次/56d。其在郭莊煤業(yè)選煤廠的安裝使用情況如圖5 所示。通過對該振動篩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，極大地提升了其工作時的穩(wěn)定性和可靠性。目前其優(yōu)化方案已應(yīng)用在郭莊煤業(yè)選煤廠全部8 臺振動篩上，取得了良好的效果。

圖5 優(yōu)化后的振動篩在郭莊煤業(yè)分選廠的應(yīng)用

5 結(jié)論

為了解決郭莊煤業(yè)選煤廠振動篩工作時振動沖擊大、故障率高、效率低下的難題，本文通過對振動篩振動理論的分析，利用MATLAB 仿真分析軟件對其工作時的靜力學(xué)特性進(jìn)行研究，針對性地提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議，根據(jù)在郭莊煤業(yè)選煤廠的應(yīng)用表明：

（1）振動篩在工作時其應(yīng)力主要集中在加強(qiáng)管梁和篩箱的側(cè)壁位置，振動篩工作時當(dāng)在17Hz時其振幅顯著大于其頻率值，因此說明在該工作點(diǎn)時極易發(fā)生共振現(xiàn)象。

（2）通過增加篩箱側(cè)板的厚度，提升其工作時固有頻率，將連接過渡處的圓角由5mm 提升至15mm，可將其工作時的最大應(yīng)力降低92.3%，將其最大變形量降低10.1%。

（3）通過在郭莊煤業(yè)選煤廠的應(yīng)用表明，利用MATLAB 仿真分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案切實(shí)可行，極大地提升了振動篩工作時的穩(wěn)定性和可靠性。