李 楠

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責任公司， 山西 長治 046100）

引言

選煤弧形篩是對泥煤進行預先處理及回收泥煤的設備，在使用過程中，通過電機振動的作用，篩板弧形座與篩面組成的諧振機構能夠避免篩縫的堵塞，提高弧形篩的脫介、脫水性能[1]。長期承受交變載荷及泥煤沖擊的作用下，篩板弧形座的結構容易產(chǎn)生疲勞破壞，對泥煤篩選的效率造成影響。采用數(shù)值仿真的形式在弧形座結構設計的階段對其疲勞壽命進行分析，有助于對弧形底座的結構優(yōu)化[2]，對弧形篩疲勞研究提供了基礎，提高了選煤弧形篩的可靠性。

1 選煤弧形篩的結構組成

弧形篩在泥煤的篩選中被廣泛應用，VSB302060選煤弧形篩的結構組成主要包括篩箱、篩板弧形座、振動電機及隔振彈簧。篩箱是選煤弧形篩的承載部件，煤泥混合物在篩箱內受到振動作用[3]，通過篩板沿著底板流動，通過出煤板上的卸口排出。篩板弧形座是主要的參振部件，通過減震器與篩箱連接，另一端通過振動桿與振動電機相連接，通過振動電機產(chǎn)生的激振力，篩板產(chǎn)生振動進行選煤[4]。振動電機通過偏心塊轉動產(chǎn)生離心力來提供激振力，能夠依據(jù)選煤作業(yè)的需要進行激振力的調整。

選煤弧形篩在工作過程中，泥煤混合物顆粒在進入篩板后，沿著弧形篩的弧度進行輸送，其中的不同顆粒在重力作用下形成分層[5]，靠近篩板的部分由于摩擦作用使得流動速度降低出現(xiàn)速度差，在離心力的作用下，細小的顆粒通過篩縫流出，而顆粒較大的煤矸等顆粒落在篩板上層，完成煤泥的洗選過程[6]。篩板弧形座和篩箱之間結構可以讓篩板產(chǎn)生較大的諧振作用，減小篩面的堵塞率，提高選煤作業(yè)的可靠性。

2 篩板弧形座靜力學分析

2.1 有限元分析模型的建立

以篩板弧形篩的靜力學分析數(shù)據(jù)為基礎進行疲勞壽命分析，首先采用Creo 三維建模軟件進行篩板弧形座模型的建立，對弧形座的幾何結構進行一定的簡化處理，將建好的三維模型以igs 格式導入有限元分析軟件ANSYS 中。

篩板弧形座的材料為Q235A，其彈性模量為212 GPa，泊松比為0.288，屈服強度為235 MPa，對篩板弧形座進行材質參數(shù)的設定[7]。由于篩板弧形座的結構相對復雜，在ANSYS 中采用自由網(wǎng)格的形式選用SOLID186 實體單元進行網(wǎng)格劃分處理，得到篩板弧形座的網(wǎng)格劃分模型如圖1 所示，共計得到147 800個單元、236 410 個節(jié)點。

圖1 篩板弧形座網(wǎng)格劃分模型

2.2 邊界條件設定與載荷施加

篩板弧形座與篩箱之間通過減震器進行連接，篩板弧形座上與減震器連接的位置采用彈性約束，建立螺栓孔的內部中心節(jié)點[8]，將螺栓孔內表面的節(jié)點耦合到中心點處，沿著螺栓孔的軸線方向建立一個外節(jié)點，兩個節(jié)點之間采用彈簧- 阻尼單元的形式建立彈性約束，從而實現(xiàn)篩板弧形座的彈性約束。在外節(jié)點的位置施加固定約束，從而完成分析模型的邊界條件設定。

篩板弧形座在工作過程中，主要受到重力作用及振動電機的作用力，通過施加重力加速度的形式施加重力作用[9]，振動電機的作用通過彈簧單元的參數(shù)進行設定，由此進行篩板弧形座的靜力學分析。

2.3 靜力學分析結果

對篩板弧形座完成邊界條件對設定及載荷加載，對其進行求解后處理，得到篩板弧形座的應力分布如圖2 所示。從圖2 中可以看出，篩板弧形座受到的應力主要集中在與減震器相連接的螺栓孔位置處，最大的應力值為20.1 MPa，振動桿與篩板弧形座連接位置處受到的應力作用也較大，但整體的應力值相對材料的屈服極限235 MPa 較小，篩板弧形座的靜力學強度滿足使用要求。

圖2 篩板弧形座應力（MPa）分布云圖

3 篩板弧形座的疲勞壽命分析

篩板弧形座的疲勞研究是針對弧形座的結構在承載時的強度情況及應力與壽命之間的關系，疲勞壽命指在弧形座破壞之前能夠承受的循環(huán)載荷的作用次數(shù)或時間[10]，弧形座的工作條件、零件狀態(tài)及材料性質是影響疲勞壽命的主要因素。

材料的S-N 曲線描述所施加的應力S 和弧形座疲勞壽命N 之間的關系，篩板弧形座的材料為Q235A，依據(jù)相關研究Q235A 材料的S-N 曲線如圖3所示。

圖3 Q235A 材料的S-N 曲線

DesignLife 是進行疲勞分析的專業(yè)軟件，擁有豐富的材料庫及強大的參數(shù)定義功能，以有限元分析為基礎，采用圖形化的操作進行疲勞壽命的分析計算。在DesignLife 軟件中拖入篩板弧形座的循環(huán)載荷、有限元分析結果、材料的疲勞性能，由此即可進行疲勞壽命的分析。

在S-N 分析模塊中，對材料屬性和載荷屬性的設置是重要的步驟，通過屬性設置將篩板弧形座靜力學分析的結果和載荷時間的歷程相匹配，生成一時間為變量的應力張量，兩者之間通過式（1）進行轉換：

式中，σ（ijt）為以時間為變量的應力張量；P（kt）為輸入的載荷譜；ScaleFactork為縮放因子；Offsetk為載荷偏移量；σij，k為靜強度計算結果中的應力；Dividerk為名義化因子；k 為不同的載荷步。

綜合有限元分析的結果、載荷作用時間為8 s 及材料的S-N 曲線，采用Miner 法則進行篩板弧形座的疲勞壽命計算，得到弧形座的疲勞壽命云圖如圖4 所示。

圖4 篩板弧形座的疲勞壽命云圖

從圖4 中可以看出，篩板弧形座在與減震器連接的螺栓孔位置最容易產(chǎn)生疲勞破壞，其疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)為9.439×106次，在工作頻率為26 Hz 的工況下，篩板弧形座的疲勞壽命為9.439×106×8×26=1.963×109次。依據(jù)振動篩使用的疲勞極限需達到109次的標準，則篩板弧形座的壽命滿足設計要求。同時，將篩板弧形座的疲勞壽命分析結果與靜力學分析結果相比，篩板弧形座上容易出現(xiàn)疲勞破壞的位置與靜力學分析應力集中的位置基本保持一致，即應力集中容易造成篩板弧形座的疲勞破壞。在篩板弧形座的中間位置處，靜力學分析受到的應力作用較小，同樣疲勞壽命也較短，這說明在滿足靜力學要求的弧形座結構中，也存在這產(chǎn)生疲勞破壞的可能，可據(jù)此對篩板弧形座的結構進一步優(yōu)化，提高中間位置的疲勞壽命。

4 結語

選煤弧形篩是進行煤炭洗選的重要設備，對煤炭洗選的脫水、脫介具有良好的性能，通過諧振作用能夠有效降低篩面的堵塞率。在工作過程中，篩板弧形座受到交變載荷的作用容易產(chǎn)生疲勞損壞，影響選煤過程的進行。針對篩板弧形座進行疲勞壽命分析，建立有限元分析模型，分析其靜力學應力分布，并在此基礎上進行疲勞壽命的分析。

分析結果表明：篩板弧形座的整體應力分布較小，滿足結構強度的需求，疲勞壽命的次數(shù)滿足振動篩使用的疲勞極限。在靜力學分析中應力集中的連接螺栓孔位置處是最容易產(chǎn)生疲勞破壞的位置，同時，在篩板弧形座的中間位置疲勞壽命也較短。