王晉寧

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備約翰芬雷洗選技術(shù)設(shè)備有限公司， 山西 大同 037305）

引言

隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，選煤工作任務(wù)越來越重，與此同時(shí)對(duì)選煤設(shè)備的運(yùn)行可靠性要求越來越高[1]。振動(dòng)篩作為煤炭選煤過程中的關(guān)鍵設(shè)備，其能否可靠工作直接關(guān)系著煤炭篩選的質(zhì)量和效率，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的高度重視[2]。伴隨著振動(dòng)篩生產(chǎn)效率的不斷提高，對(duì)傳統(tǒng)振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)組件的強(qiáng)度提出了更高的挑戰(zhàn)[3]。橫梁作為振動(dòng)篩的組成部件，是其實(shí)現(xiàn)煤炭篩選功能的關(guān)鍵，必須保證其工作的穩(wěn)定，使振動(dòng)篩可靠完成煤炭的篩選工作[4]。由于振動(dòng)篩橫梁服役條件極為復(fù)雜，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作較為繁瑣，因此擬借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)振動(dòng)篩橫梁進(jìn)行強(qiáng)度分析[5-6]，找出其工作過程中的薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此提高振動(dòng)篩橫梁的可靠性，提高其工作效率。

1 振動(dòng)篩組成及工作原理

振動(dòng)篩主要包括篩箱、連續(xù)振動(dòng)裝置、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、支撐框架結(jié)構(gòu)、復(fù)位彈簧、電控系統(tǒng)等，是典型的機(jī)電一體化設(shè)備。振動(dòng)篩的工作原理如圖1 所示，其振動(dòng)動(dòng)力來源于兩臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，配套無齒輪嚙合傳動(dòng)模式。振動(dòng)篩激振器固定于篩箱框架之上，配置兩個(gè)偏心輪，其尺寸質(zhì)量一致，同步運(yùn)轉(zhuǎn)，方向相反，以此產(chǎn)生煤炭篩選所需的激振力。兩個(gè)偏心輪運(yùn)動(dòng)過程中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力在振動(dòng)方向上的分力方向一致，大小疊加，而在豎直方向上的分力相互抵消，保證振動(dòng)篩的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。振動(dòng)篩篩機(jī)在激振力作用下實(shí)現(xiàn)往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，方向與水平面呈現(xiàn)45°，將篩機(jī)內(nèi)部的大塊煤炭呈45°的方向拋出，較小粒度的煤炭透過篩網(wǎng)孔隙，煤炭篩選的粒度大小由篩網(wǎng)面的孔徑控制。振動(dòng)篩連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中偏心輪并非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)的偏心輪將會(huì)產(chǎn)生一定的相位角。因激振器驅(qū)動(dòng)篩機(jī)做周期性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使振動(dòng)篩整體圍繞其重心產(chǎn)生一個(gè)擺動(dòng)慣性力，加之振動(dòng)加速度，使兩個(gè)偏心輪之間產(chǎn)生的追逐力，產(chǎn)生相互追逐運(yùn)動(dòng)。

圖1 振動(dòng)篩工作原理圖

2 振動(dòng)篩橫梁有限元仿真分析

近年來有限元仿真分析技術(shù)發(fā)展迅速，在各行各業(yè)的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中得到了極為廣泛的應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，運(yùn)用有限元仿真計(jì)算能夠降低物理實(shí)驗(yàn)的工作量及成本投入，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和效率，對(duì)于提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。目前使用較多的一款有限元仿真分析軟件是ANSYS，內(nèi)部配置了結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析等多個(gè)模塊，并且能夠與大部分建模軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和交換，具有很好的實(shí)用性。

2.1 有限元模型的建立

為了提高有限元仿真分析建模的效率，橫梁的三維模型采用solidworks 軟件完成，查閱振動(dòng)篩相關(guān)圖紙，得到了在用橫梁的結(jié)構(gòu)尺寸，其橫梁的截面形狀如下頁圖2-1）所示，中間使用的是20 號(hào)無縫鋼管，頂面焊接槽鋼以提高其剛度，兩端各焊接一個(gè)法蘭，以便將其固定于振動(dòng)篩中。依據(jù)橫梁的工程圖紙完成了橫梁三維模型的建立，為了降低模型轉(zhuǎn)入ANSYS 仿真軟件中的報(bào)錯(cuò)率，建模過程中忽略了對(duì)仿真結(jié)果影響較小的倒角、螺紋孔等結(jié)構(gòu)。建立完成之后的橫梁三維模型如圖2-2）所示，將其另存為.igs格式文件導(dǎo)入ANSYS 仿真軟件進(jìn)行前處理，根據(jù)橫梁組成部分的材料完成橫梁材料屬性的設(shè)置，并且進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，為了提高網(wǎng)格劃分的效率和質(zhì)量，采用了自由化分網(wǎng)格的方法。

圖2 橫梁截面及三維模型

2.2 施加載荷及約束

振動(dòng)篩機(jī)正常工作過程中橫梁主要負(fù)責(zé)支撐篩面及煤炭物料的重量，由于振動(dòng)篩工作過程中存在振動(dòng)，使橫梁承受靜載荷的同時(shí)還要承受交變載荷，導(dǎo)致橫梁的受力情況極為復(fù)雜。計(jì)算得到振動(dòng)篩滿載使的最大靜載荷為0.6 t，考慮動(dòng)載荷存在的情況，將按最大靜載荷的1.5 倍進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真計(jì)算，將此載荷施加在橫梁的中心位置。橫梁工作過程中兩端固定在振動(dòng)篩上，因此仿真過程中對(duì)橫梁兩端的法蘭進(jìn)行固定約束。

2.3 仿真結(jié)果與分析

啟動(dòng)ANSYS 自帶求解器完成振動(dòng)篩橫梁靜力學(xué)分析之后的結(jié)果如圖3、圖4 所示。圖3 給出了振動(dòng)篩橫梁的應(yīng)變分布云圖，可以看出振動(dòng)篩橫梁工作過程中的最大變形位置出現(xiàn)在橫梁的中間，最大變形值為0.49 mm，原因是振動(dòng)篩橫梁工作過程中呈簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，煤炭載荷集中施加在了橫梁的中間，在其作用下橫梁中間出現(xiàn)了較大的變形。圖4 給出了振動(dòng)篩橫梁的應(yīng)力分布云圖，可以看出振動(dòng)篩橫梁工作過程中的最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在槽鋼與鋼管焊接的位置，最大應(yīng)力值為148 MPa，是橫梁工作過程中應(yīng)力集中的位置。為了提高了振動(dòng)篩橫梁的工作可靠性，需要降低橫梁的應(yīng)力集中程度，才能避免振動(dòng)篩橫梁工作過程中出現(xiàn)破壞。

圖3 橫梁應(yīng)變（m）分布云圖

圖4 橫梁應(yīng)力（Pa）分布云圖

3 橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

提高振動(dòng)篩橫梁強(qiáng)度的方法主要包括以下幾種：第一是改變振動(dòng)篩橫梁的材料，采用強(qiáng)度更高的合金結(jié)構(gòu)鋼，提高橫梁的整體強(qiáng)度，以降低橫梁工作過程中的應(yīng)力集中情況；第二是改進(jìn)振動(dòng)篩橫梁的熱處理工藝，提高橫梁整體的強(qiáng)韌性匹配；第三是增大振動(dòng)篩橫梁的截面尺寸，能夠有效提高橫梁的整體強(qiáng)度；第四是優(yōu)化振動(dòng)篩橫梁的截面形狀，同時(shí)提高橫梁的強(qiáng)度和剛度，充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能。

結(jié)合振動(dòng)篩橫梁的實(shí)際工作情況以及改進(jìn)工作的難易程度，考慮橫梁改進(jìn)過程中的成本問題，此處選擇第四種優(yōu)化方法對(duì)振動(dòng)篩橫梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于振動(dòng)篩橫梁現(xiàn)有的圓形槽鋼組成截面，將其改進(jìn)優(yōu)化為工字鋼結(jié)構(gòu)，以便提高振動(dòng)篩橫梁的抗彎截面系數(shù)，保證橫梁具有足夠的強(qiáng)度。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

振動(dòng)篩橫梁的三維模型建立之后，重新導(dǎo)入ANSYS 仿真分析軟件，啟動(dòng)ANSYS 自帶求解器完成振動(dòng)篩橫梁靜力學(xué)分析，分析結(jié)果如圖5、圖6 所示。圖5 給出了改進(jìn)后振動(dòng)篩橫梁的應(yīng)變分布云圖，可以看出振動(dòng)篩橫梁工作過程中的最大變形位置出現(xiàn)在橫梁的中間，最大變形值為0.53 mm，相較于橫梁改進(jìn)之前，振動(dòng)篩橫梁的最大變形增加量較小。圖6 給出了改進(jìn)后振動(dòng)篩橫梁的應(yīng)力分布云圖，可以看出振動(dòng)篩橫梁工作過程中的最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在橫梁與法蘭焊接的位置，最大應(yīng)力值為98 MPa，依然是橫梁工作過程中應(yīng)力集中的位置。相較于橫梁改進(jìn)之前，最大應(yīng)力值降低了近33.78%，取得了較好的改進(jìn)效果。

4 應(yīng)用效果

圖5 改進(jìn)后橫梁應(yīng)變（m）分布云圖

圖6 改進(jìn)后橫梁應(yīng)力（Pa）分布云圖

為了提高振動(dòng)篩橫梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命，按照優(yōu)化之后的橫梁截面尺寸完成了振動(dòng)篩橫梁的加工制造工作，并將其應(yīng)用于振動(dòng)篩當(dāng)中，通過為期半年的跟蹤觀察。結(jié)果表明，改進(jìn)之后的振動(dòng)篩橫梁工作過程穩(wěn)定可靠，能夠滿足振動(dòng)篩選煤功能的要求。檢測(cè)振動(dòng)篩機(jī)滿載工況下的最大變形量為0.042 mm，與仿真優(yōu)化結(jié)果基本一致。整個(gè)觀察周期內(nèi)，未出現(xiàn)橫梁開焊、破壞等故障，與其應(yīng)力集中情況得到改進(jìn)有著直接的關(guān)系，據(jù)相關(guān)人士估計(jì)，相較于改進(jìn)之前的橫梁，預(yù)計(jì)橫梁壽命提升近25%，節(jié)省設(shè)備投入近54 萬/a，取得了預(yù)期的改進(jìn)效果。

5 結(jié)論

1）橫梁工作過程中的應(yīng)力集中位置在其中間位置，應(yīng)力值為148 MPa，通過改進(jìn)優(yōu)化橫梁的截面結(jié)構(gòu)和尺寸，成功將應(yīng)力集中位置的應(yīng)力值降低至了98 MPa。

2）改進(jìn)之后的橫梁工作穩(wěn)定可靠，預(yù)計(jì)橫梁壽命提升近25%，節(jié)省設(shè)備投入近60 萬/a，具有很好地應(yīng)用前景。