程 偉

（西山煤電馬蘭礦選煤廠， 山西 太原 030205）

引言

煤炭資源在我國整個能源結(jié)構(gòu)體系中占據(jù)非常重要的地位，煤炭資源能否正常供應(yīng)對人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活意義重大。在礦井中開采獲得的煤塊物料，通常需要在選煤廠中進行進一步加工處理才能投入使用。直線振動篩是選煤廠中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其運行過程的穩(wěn)定性會對選煤質(zhì)量和效率產(chǎn)生直接影響。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，對直線振動篩的力學(xué)性能要求越來越高，但在工程實踐中發(fā)現(xiàn)振動篩的部分結(jié)構(gòu)件容易出現(xiàn)故障問題，甚至發(fā)生斷裂，對設(shè)備的運行穩(wěn)定性和可靠性都造成了不良影響。以ZK3648直線振動篩為研究對象，基于有限元方法對其靜力學(xué)特征開展分析，并對橫梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，提升了振動篩整體運行的穩(wěn)定性。

1 直線振動篩基本工作原理

ZK3648 直線振動篩主要由支撐組件、傳動裝置、篩箱、振動裝置以及彈簧等部分構(gòu)成。如圖1 所示為振動篩的基本工作原理示意圖。在箱體上設(shè)置有振動激振器，主要是兩個偏心塊，且具有相同的質(zhì)量，在兩個電機的作用下，兩個偏心塊做同步的、方向相反的旋轉(zhuǎn)運動，進而形成激振力。在任何時刻，兩個偏心塊產(chǎn)生的離心力都在相同方向上，可以相互疊加，而在法向方向上的力，方向正好相反，相互抵消。在離心力的作用下，箱體整體與水平方向呈45°方向做往復(fù)直線運動，并帶動篩機網(wǎng)面做相同方向上的運動。篩機網(wǎng)面在運動過程中會將表面上的煤礦物料斜向上拋出，進而實現(xiàn)物料分級、脫泥、脫水的效果。

圖1 直線振動篩的工作原理示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 三維建模及其導(dǎo)入

根據(jù)ZK3648 直線振動篩的實際結(jié)構(gòu)尺寸，利用Pro/E 軟件建立三維幾何模型，然后通過通用格式.iges將其導(dǎo)入Ansys 有限元軟件中。三維建模時為了在確保計算結(jié)果精度的前提下簡化計算過程，縮短計算時間，需做如下假設(shè)：只對關(guān)鍵零件進行建模，忽略不重要的零件，以降低模型的復(fù)雜程度；對一些比較小的結(jié)構(gòu)、零部件進行簡化或忽略處理，比如倒角、倒圓等。已有的實踐經(jīng)驗表明，以上假設(shè)并不會對最終計算結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。建模完成后的模型示意圖如圖2 所示。

圖2 直線振動篩的三維仿真模型

2.2 有限元建模

在有限元模型中對于振動篩所有的支撐底板約束6 個方向的自由度，各個結(jié)構(gòu)和零部件之間基于MPC 接觸算法進行連接，將激振器質(zhì)量點的類型設(shè)置為Mass21，根據(jù)實際情況將激振器的工作頻率設(shè)置為16.1 Hz。Ansys 軟件中提供了很多種網(wǎng)格單元，本研究中選用Solide186 型單元類型，并通過軟件自動確定網(wǎng)格單元的大小，進行自動化網(wǎng)格劃分，劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量為12 566 個，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為13 467 個。振動篩橫梁結(jié)構(gòu)的無縫鋼管材料為20 鋼，其余結(jié)構(gòu)材料為Q345。前者的楊氏模量、泊松比、屈服強度分別為206 GPa、0.3、245 MPa，后者對應(yīng)的楊氏模量、泊松比、屈服強度分別為206 GPa、0.3、345 MPa。將以上材料參數(shù)輸入到有限元模型中，以便得到準(zhǔn)確結(jié)果。

2.3 振動篩靜力學(xué)結(jié)果分析

完成模型的計算工作以后，可以對振動篩的靜力學(xué)結(jié)果進行提取分析，如圖3 所示為振動篩的位移等值線圖和應(yīng)力等值線圖。由位移等值線圖可以看出，整個振動篩的位移變形情況差別不大，且均相對較小。出現(xiàn)這種情況的原因在于橡膠彈簧可以產(chǎn)生相對較大的變形，導(dǎo)致振動篩沿著相同方向做整體移動，所以各個結(jié)構(gòu)件的位移變形情況相對較小。由應(yīng)力等值線圖可以看出，振動篩絕大部分結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力值都非常低，只有局部位置出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位主要表現(xiàn)在橫梁6 的槽鋼與圓管焊接的區(qū)域，最大應(yīng)力值為297 MPa。彈簧組件下座體與鋼板焊接的部位同樣出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力值稍小，為264 MPa。出料量中槽鋼與梁焊接的位置應(yīng)力值也稍微較大，為162 MPa。對于橫梁結(jié)構(gòu)件，應(yīng)力最大值普遍出現(xiàn)在法蘭與側(cè)板相連接的部位。

圖3 振動篩的位移等值線圖和應(yīng)力等值線圖

橫梁法蘭、槽鋼等結(jié)構(gòu)件通常采用Q345 材料加工制作，此類材料的屈服強度值為345 MPa。根據(jù)安全系數(shù)計算公式：

式中：σs和σmax分別表示材料的屈服強度值和實際應(yīng)用中承受的最大應(yīng)力值。根據(jù)以上公式可以計算得到振動篩結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)值為1.16。根據(jù)機械設(shè)計中的普遍要求，結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)通常要在1.5 以上，振動篩實際安全系數(shù)遠(yuǎn)低于1.5，這是其容易出現(xiàn)缺陷問題的重要原因之一。另一方面，振動篩工作過程中需要承受循環(huán)往復(fù)運動，意味著結(jié)構(gòu)件承受的是周期性的循環(huán)載荷，時間長久后會產(chǎn)生疲勞損傷，進一步加劇結(jié)構(gòu)件的損傷甚至導(dǎo)致斷裂。

3 振動篩橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進研究

3.1 優(yōu)化方案

振動篩橫梁主要由三大部分構(gòu)成，分別為無縫鋼管、頂面槽鋼以及兩端連接法蘭，各零件之間通過焊接方式進行連接。法蘭上有螺孔，通過高強螺栓與側(cè)板進行連接。通過上文分析可以看出原橫梁結(jié)構(gòu)在工作過程中局部位置出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于橫梁結(jié)構(gòu)的運行穩(wěn)定性，時間長久后容易出現(xiàn)斷裂問題。為了提升振動篩橫梁結(jié)構(gòu)的整體性能，對橫梁的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，如圖4 所示為振動篩橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案示意圖，主要是對橫梁結(jié)構(gòu)頂面的槽鋼結(jié)構(gòu)進行改進，增加槽鋼底面寬度，使其向外延伸一段距離。通過這種優(yōu)化改進方案，能在一定程度上提升整個橫梁結(jié)構(gòu)的強度和剛度，降低工作過程中的應(yīng)力和變形量。

圖4 振動篩橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案示意圖

3.2 優(yōu)化結(jié)果

對于優(yōu)化改進后的振動篩橫梁結(jié)構(gòu)，再次利用Ansys 軟件建立對應(yīng)的有限元模型，建模過程和相關(guān)屬性設(shè)置與之前模型完全相同。完成模型計算工作后，同樣可以提取靜力學(xué)分析結(jié)果。如下頁圖5 所示為橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進前后振動篩的最大變形量和最大等效應(yīng)力值的對比情況。由圖中數(shù)據(jù)可知，通過對橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進，使得振動篩的最大變形和最大應(yīng)力分別降低到了0.059 mm 和188 MPa，與優(yōu)化改進前的0.125 mm 和297 MPa 相比較，降低幅度分別達(dá)到了52.8%和36.7%?？梢?，通過對橫梁的改進使其強度和剛度均得到了一定程度的提升。根據(jù)安全系數(shù)計算公式可以得到改進后振動篩的安全系數(shù)為1.835，超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中要求的1.5，意味著振動篩工作時具有相對較高的安全性和穩(wěn)定性。

將優(yōu)化改進后的橫梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用到ZK3648 直線振動篩工程實踐中，對其運行狀態(tài)進行了連續(xù)三個月時間的測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其整體運行較為穩(wěn)定。經(jīng)過分析認(rèn)為優(yōu)化后的橫梁結(jié)構(gòu)使用壽命與優(yōu)化前相比較提升了15%以上，取得了良好的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

以ZK3648 直線振動篩為研究對象，利用Pro/E和Ansys 軟件在必要簡化的基礎(chǔ)上建立了對應(yīng)有限元模型，經(jīng)靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)振動篩局部位置出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的最大變形和最大應(yīng)力分別為0.125 mm 和297 MPa，對應(yīng)的安全系數(shù)為1.16，低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1.5。對振動篩的橫梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，主要是對橫梁的頂面槽鋼進行改進。對改進后的結(jié)構(gòu)再次進行靜力學(xué)分析，其最大應(yīng)力值降低到了188 MPa，與前期相比降低了36.7%，對應(yīng)的安全系數(shù)為1.835，達(dá)到了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。將優(yōu)化后的橫梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用到直線振動篩中取得了理想的效果，使用壽命提升了15%以上。