姚 軍

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

0 引 言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)能、水能已逐漸成為國(guó)家發(fā)展的重要能源，但目前國(guó)家對(duì)能源的需求仍以煤炭資源為主，提升高所開采煤礦的質(zhì)量已成為促進(jìn)國(guó)家快速發(fā)展的重要工作[1]。而選煤弧形篩則是提高煤礦質(zhì)量的重要設(shè)備，在保障煤礦質(zhì)量及利用率方面起動(dòng)了決定性作用。篩板弧形座作為選煤弧形篩中的關(guān)鍵部件，由于其經(jīng)常處于長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)狀態(tài)，加上所承受的物料經(jīng)常處于超負(fù)荷狀態(tài)，導(dǎo)致篩板弧形座的局部區(qū)域出現(xiàn)了疲勞破壞現(xiàn)象，直接導(dǎo)致了設(shè)備工作效率及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的降低[2]。因此，采用了虛擬仿真技術(shù)，通過建立篩板弧形座的仿真模型，開展了其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化及疲勞壽命分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)改進(jìn)的效果進(jìn)行了分析，這為提高篩板弧形座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、降低設(shè)備故障概率具有重要作用。

1 選煤弧形篩工作原理分析

以VSB3020 型選煤弧形篩為例，其結(jié)構(gòu)主要包括篩板弧形座、篩箱、減振彈簧、振動(dòng)電機(jī)等部件組成，通過振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)，帶動(dòng)篩板弧形座和篩面等部件的相互諧振，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦中煤泥水的分離回收[3]。其中，篩板弧形座是弧形篩的重要部件，主要通過上下兩端與振動(dòng)器連接，中間振動(dòng)桿與彈簧連接，同時(shí)，在其中間分布著5 個(gè)楔子柱，實(shí)現(xiàn)對(duì)篩板與弧形座的固定連接。而篩板則主要負(fù)責(zé)對(duì)煤泥水進(jìn)行過濾，過濾后的煤泥水流至底板上，并從煤板上卸口排出[4]。整套設(shè)備的工作原理為：設(shè)備啟動(dòng)后，帶有顆粒的煤粒進(jìn)入篩板，通過不同孔徑的小孔進(jìn)行不同粒徑的煤石分層，遠(yuǎn)離篩板的煤粒流動(dòng)速度快，靠近篩板的煤粒速度慢，不同流動(dòng)速度的煤粒在離心力作用下分別從篩縫中流出；同時(shí)，當(dāng)弧形篩出現(xiàn)堵塞時(shí)，在振動(dòng)電機(jī)作用下，帶動(dòng)篩板弧形座產(chǎn)生諧振，以此實(shí)現(xiàn)堵塞的煤?？焖俚袈?，有效防止了弧形篩發(fā)生嚴(yán)重堵塞現(xiàn)象[5]。VSB3020 型選煤弧形篩的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

2 篩板弧形座結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 三維模型建立

根據(jù)選煤弧形篩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以VSB3020 型篩板弧形座實(shí)際的結(jié)構(gòu)尺寸，采用Solidworks 軟件，對(duì)其進(jìn)行了三維模型建立。在建模過程中，由于上下兩端的螺栓孔主要與振動(dòng)器進(jìn)行連接，為篩板弧形座結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵特征，故對(duì)此4 個(gè)螺栓孔進(jìn)行了特征保留，而結(jié)構(gòu)中的其他較小圓孔、圓弧及倒角則進(jìn)行了特征簡(jiǎn)化，由此，建立了篩板弧形座的三維模型圖，如圖2 所示。

圖1 選煤弧形篩結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 篩板弧形座三維模型圖

2.2 仿真模型建立

結(jié)合建立的三維篩板弧形座結(jié)構(gòu)模型圖，將其導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度分析模型建立。由于篩板弧形座實(shí)際材料為Q235 材料[6]，故在軟件中對(duì)其進(jìn)行了Q235 材料設(shè)置，其材料主要物理參數(shù)如表1 所示。同時(shí)，根據(jù)篩板弧形座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了四面體實(shí)體單元設(shè)置，網(wǎng)格大小設(shè)置為10mm，網(wǎng)格單元為15458 個(gè)，仿真時(shí)間設(shè)置為2s，其網(wǎng)格劃分圖如圖3 所示。另外，由于篩板弧形座主要承受著來自振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)力和自身重力作用，故對(duì)其施加了重力加速度9.8g/s2。并對(duì)上下兩端的4 個(gè)螺栓孔進(jìn)行了彈性約束，以使仿真模型與實(shí)際工作狀態(tài)基本吻合。由此，完成篩板弧形座的仿真模型建立。

表1 篩板弧形座材料性能參數(shù)

圖3 篩板弧形座網(wǎng)格劃分圖

3 篩板弧形座結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 應(yīng)力變化分析

結(jié)合建立的篩板弧形座仿真模型，對(duì)其結(jié)構(gòu)性能開展了仿真分析研究。得到了其應(yīng)力變化圖，如圖4所示。由圖可知，篩板弧形座整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象并不明顯，絕大部分區(qū)域的應(yīng)力值均相對(duì)較?。磮D中藍(lán)色區(qū)域），而最大應(yīng)力主要集中在上下兩端的4 個(gè)螺栓孔處以及與中部振動(dòng)桿連接處（即圖中亮色區(qū)域），最大應(yīng)力值220.5MPa，已相當(dāng)接近篩板弧形座結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度。篩板弧形座在長(zhǎng)期及惡劣環(huán)境下工作，極容易在此應(yīng)力集中部位率先發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂或疲勞失效現(xiàn)象，成為整個(gè)結(jié)構(gòu)中的薄弱部位。故應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改進(jìn)，以此保證篩板弧形座的結(jié)構(gòu)安全。

3.2 篩板弧形座疲勞壽命分析

通過仿真分析，也得到了篩板弧形座在25Hz 工作頻率下的疲勞壽命結(jié)果，其疲勞壽命云圖如圖5 所示。圖中，不同顏色及數(shù)值代表篩板弧形座疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)，數(shù)值越小，代表結(jié)構(gòu)的壽命越短，越容易發(fā)生疲勞失效問題。由圖可知，篩板弧形座整體結(jié)構(gòu)的最小疲勞壽命循環(huán)次數(shù)為9.439×106次，主要集中在結(jié)構(gòu)上下兩端的4 個(gè)螺栓孔處，而由于本次仿真時(shí)間為2s，工作頻率為25Hz，故螺栓孔處的最終最循環(huán)次數(shù)為2×25×9.439×106=4.72×108次，未達(dá)到振動(dòng)篩要求循環(huán)次數(shù)至少達(dá)到109次標(biāo)準(zhǔn)，由此，該螺栓處在同樣工作條件下，會(huì)更容易率先發(fā)生疲勞失效現(xiàn)象，此結(jié)論也與前文的應(yīng)力分析結(jié)論基本一致。另外，篩板弧形座中的振動(dòng)桿連接處及其他部分雖循環(huán)次數(shù)相對(duì)較高，但在其長(zhǎng)期使用過程中，也容易發(fā)生疲勞破壞，也應(yīng)該隨時(shí)關(guān)注其結(jié)構(gòu)的使用情況。

4 篩板弧形座的改進(jìn)應(yīng)用分析

結(jié)合前文對(duì)篩板弧形座結(jié)構(gòu)應(yīng)力及疲勞壽命的分析研究，得出其上下兩端的4 個(gè)螺栓孔及中部振動(dòng)桿為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在使用中更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞或疲勞失效現(xiàn)象，故需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，具體如下：

1）在篩板弧形座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，將山下兩端的4 個(gè)螺栓孔處結(jié)構(gòu)進(jìn)行加厚，厚度整體增加2mm，并并對(duì)螺栓孔周邊的直角進(jìn)行圓弧過渡，以加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度；

2）對(duì)篩板弧形座中的振動(dòng)桿處進(jìn)行焊接加強(qiáng)，將其焊縫高度增加至6～7mm，同時(shí)，在振動(dòng)桿內(nèi)側(cè)連接處焊接2mm 加強(qiáng)塊，保證振動(dòng)桿連接處的應(yīng)力集中；

3） 將篩板弧形座的結(jié)構(gòu)材料為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高的Q345 材料，必要的時(shí)候可對(duì)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位進(jìn)行調(diào)質(zhì)或淬火處理，以此提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

4）加大對(duì)篩板弧形座結(jié)構(gòu)的定期巡檢，針對(duì)其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形過大或開裂等問題時(shí)，及時(shí)采取措施進(jìn)行維修。

在完成篩板弧形座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，為進(jìn)一步驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)性能，將其再次安裝在VSB3020 型弧形篩設(shè)備中進(jìn)行了將近5 個(gè)月的應(yīng)用驗(yàn)證。篩板弧形座實(shí)際運(yùn)行中，整體結(jié)構(gòu)基本未出現(xiàn)變形，且4 個(gè)螺栓處基本也未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)明顯的變形或開裂現(xiàn)象，弧形篩因篩板弧形座出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的設(shè)備停機(jī)現(xiàn)象也同比降低了80%，在此5 個(gè)月時(shí)間內(nèi)間接給企業(yè)減少了約8萬元的費(fèi)用支出。由此可說明，改進(jìn)后的篩板弧形座具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，能更好的滿足弧形篩的使用需求，驗(yàn)證了此結(jié)構(gòu)具有較高的可行性。

5 結(jié) 論

目前，對(duì)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的掌握，除了利用試驗(yàn)方法進(jìn)行分析研究外，采用虛擬仿真技術(shù)的方法，已成為當(dāng)下較小成為分析設(shè)備結(jié)構(gòu)性能的重要工具。因此，以選煤弧形篩工作原理分析為基礎(chǔ)，通過建立篩板弧形座結(jié)構(gòu)仿真模型，開展了其結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性研究，找到了其結(jié)構(gòu)中的4 個(gè)螺栓孔、中部振動(dòng)桿處為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易發(fā)生結(jié)構(gòu)疲勞失效問題，由此對(duì)篩板弧形座進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)和應(yīng)用驗(yàn)證，結(jié)果表明，改進(jìn)后的篩板弧形座具有更好的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)降低弧形篩設(shè)備的故障率及減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用支出起到重要作用，也為后期開展篩板弧形座的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)提供了重要參考。