郭莊煤業選煤廠QZK1533型振動篩結構的優化研究

崔 丹

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

振動篩是一種廣泛應用在選煤廠內的煤炭分選設備，由于選煤廠工作環境惡劣且振動篩在實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，導致振動篩在工作中頻繁出現斷裂、開裂的情況，特別是在工作過程中極易發生共振[1]，給振動篩的結構可靠性和篩分效果造成了嚴重的影響。本文以郭莊煤業選煤廠的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特性進行研究，對其結構進行優化。根據在郭莊煤業選煤廠的應用表明，優化后極大地提升了振動篩工作時的穩定性和效率。

1 振動篩的振動理論

郭莊煤業選煤廠QZK1533 型振動篩的振動力學模型可簡化為彈性體結構[3]。結合牛頓第二定律，可得出振動篩工作時質體的運動方程為[2]：

式中：

k-彈簧的剛度；

y-質體振動時的位移，mm；

c-彈簧的阻尼系數；

-質體振動時的速度，mm/s；

r-振動篩肋板長度，mm；

ω-系統的固有頻率，Hz；

m-振動質體重量，kg；

t-時間，s；

M-振動篩的參振質量，kg；

-質體振動時的加速度，m/s2。

2 振動篩三維仿真分析模型的建立及靜力學分析

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

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

圖1 振動篩工作時的應力云圖

由仿真分析結果可知，當振動篩在工作時其應力主要集中在加強管梁和篩箱的側壁位置，其最大應力約為68.17MPa，工作時極易導致該處受力發生塑性變形及破壞。

圖2 振動篩工作時的應變云圖

由仿真分析結果可知，振動篩工作時的最大變形量主要集中在側壁最下端的位置，其最大變形量約為1.08mm。該處位于側板和加強管梁的連接位置，當振動篩在工作時極易發生疲勞破壞和開裂的現象。

對振動篩工作時的振動特性進行仿真分析可知，該振動篩工作時當在17Hz 時其振幅顯著大于其頻率值，因此說明在該工作點時極易發生共振現象，嚴重影響振動篩工作時的穩定性和使用壽命。

以上分析結果和郭莊煤業選煤廠振動篩的主要失效模式一致，表明了該分析結果的準確性，為后續的優化奠定了基礎。

3 振動篩結構的優化研究

根據仿真分析結果，首先對其進行側板加厚，用于提升其工作時的橫向強度，同時加強其系統的固有頻率；另一方面增加篩箱側板的厚度，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。根據優化結果，本文選擇將篩箱側板的厚度增加至5mm，然后在相同的激勵條件下對其進行仿真分析，其應力分布云圖如圖3 所示，應變分布云圖如圖4 所示。

圖3 優化后振動篩工作時的應力云圖

由仿真分析結果可知，優化后，當振動篩在工作時其應力主要集中在后側加強梁的位置，其最大應力約為5.23MPa，應力降低了約92.3%，極大地優化了其工作時的穩定性和可靠性。

圖4 優化后振動篩工作時的應變云圖

優化后，其最大變形量約為0.97mm，比優化前降低了約10.1%，顯著提升了振動篩在工作時的結構強度。

同時根據優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生共振的概率。

4 優化后振動篩在郭莊煤業選煤廠的應用

根據以上分析，技術攻關小組對郭莊煤業選煤廠所使用的QZK1533 型振動篩結構進行了相應的優化。自2018 年10 月投入使用以來，其工作時發生振動的次數由最初的3 次/d 降低到了約1 次/75d，其工作時側壁發生塑性變形的次數降低到了零次，停機檢修的次數由1 次/2d，提高到了約1次/56d。其在郭莊煤業選煤廠的安裝使用情況如圖5 所示。通過對該振動篩結構的優化，極大地提升了其工作時的穩定性和可靠性。目前其優化方案已應用在郭莊煤業選煤廠全部8 臺振動篩上，取得了良好的效果。

圖5 優化后的振動篩在郭莊煤業分選廠的應用

5 結論

為了解決郭莊煤業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特性進行研究，針對性地提出了結構優化建議，根據在郭莊煤業選煤廠的應用表明：

（1）振動篩在工作時其應力主要集中在加強管梁和篩箱的側壁位置，振動篩工作時當在17Hz時其振幅顯著大于其頻率值，因此說明在該工作點時極易發生共振現象。

（2）通過增加篩箱側板的厚度，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力降低92.3%，將其最大變形量降低10.1%。

（3）通過在郭莊煤業選煤廠的應用表明，利用MATLAB 仿真分析軟件進行結構優化的方案切實可行，極大地提升了振動篩工作時的穩定性和可靠性。