大型振動篩在中國的研發及應用

邵 明

（大地工程開發（集團）有限公司，天津 300381）

在煤炭行業，振動篩是不可缺少的生產設備，擔負著產品分級、脫水、脫泥、脫介，甚至是分選的艱巨任務。振動篩產品性能的優劣、質量的好壞直接影響到煤炭產品的質量及生產成本。

隨著工業現代化進程的快速發展，煤炭生產企業規模越來越大，企業為了提高生產效率、降低生產成本，對大型篩分設備有著迫切的需求，同時對振動篩的性能和可靠性提出了更高的要求。

1 傳統設計方法

下面是一個用傳統理論計算方法求解應力的簡單實例[1]，以圖1 為例。

式中：σ—設計強度。F—施加荷載。A—橫截面積。σs—屈服強度。n—安全系數。

圖1 應用求解實例

因為不同形狀尤其是復雜形狀的構件在受力時，各尖角圓角部位都會產生應力集中情況，用傳統理論計算方法的關鍵和難點在于不能準確確定局部位置的應力數值，只能憑經驗或實驗來選擇安全系數值。對于一些非常關鍵的部件需要大量的實驗及經驗來確定安全系數的選取范圍，當安全系數過小時很難保證設備的安全性；當安全系數過大時設計保守，產品笨重，增加了制造成本。而安全系數一般很難進行準確的選擇，因此，這種設計方法并不能得到準確的計算結果。

對于振動篩而言，傳統設計方法采用的經驗設計和半理論設計方法已經不能滿足大型振動篩在可靠性、經濟性、適應性上的要求，需要開發更先進的設計方法[2]。

2 現代設計方法

有限元法是隨著計算機技術發展而快速發展起來的一種現代設計方法[3]。在振動篩設計上全面采用有限元法進行設計，可以精確計算各部件應力大小，對篩體結構進行優化設計均衡各部位的應力分布；采用有限元法進行模態分析能有效避免由于共振產生的有害影響；必要時采用有限元法進行諧響應分析探測共振響應判斷響應的危害程度。

以圖1 中的構件為例，利用ANSYS 有限元軟件的靜態分析功能得到分析結果，可以直觀地分析出部件不同部位的應力大小，根據這個結果可以快速有效地進行部件結構優化，這是用傳統理論計算不可能實現的。

2.1 有限元法靜態強度分析在振動篩設計上的應用

2.1.1 建立振動篩實體模型

使用三維軟件建立振動篩各零部件的實體模型如圖2所示，將各零部件裝配到一起組成完整的振動篩三維模型。裝配體使用干涉命令檢查，以確保三維模型裝配正確，沒有干涉部位。

圖2 振動篩實體模型

2.1.2 創建振動篩有限元模型

將振動篩所有部件采用實體單元劃分網格，所有鉚釘、螺栓連接采用梁單元，激振器采用質量點代替。

2.1.2.1 施加邊界條件

將振動篩彈簧支座采取簡支約束，將激振器采用質量點替代并施加力載荷，篩機整體施加沿激振器振動方向的加速度載荷，沿與地面垂直方向施加重力載荷，篩面施加等效物料載荷。

2.1.2.2 后期處理分析

選擇應力分析云圖，查看最大應力出現的位置，判斷各部位應力集中位置應力的真實性，評估各部位應力是否滿足設計要求。

2.2 有限元法模態分析在振動篩設計中的應用

模態分析是研究結構動力特性的一種方法，首先使用試驗模態分析結果對有限元模型進行修正，確認有限元模型準確后再采用計算模態分析方法。

2.2.1 模態分析結果

通過對前15 階模態分析結果進行分析，其中前6 階為剛體模態，并沒有實際意義。前7-12 階模態分析計算結果與測試結果對比情況見表1。

表1 前7-12 階模態分析計算與測試結果對比表

第7 階模態：表示在水平面內沿篩子中部的擺動變形。

第8 階模態：表示在垂直平面內的扭轉變形。

第9 階模態：表示在水平面內的扭轉變形。

第10 階模態：表示在水平面內沿篩子后半部的擺動變形。

第11 階模態：表示入料端起吊梁處與篩子中部下邊緣處的水平擺動變形。

第12 階模態：表示篩子前半部分水平扭轉，入料端起吊梁處擺動變形。

2.2.2 模態分析結果評估

根據模態計算結果工作頻率可以設定在15 Hz 上，與低階7 階固有頻率及高階8 階固有頻率相差值都高于10%，不會產生共振情況，如果要使篩機有更寬的工作頻率范圍，需要根據7 階及8 階模態結果進行篩機結構調整，降低7階模態頻率，提高8 階模態頻率以實現更寬的工作頻率調整范圍[4]。

2.3 總結

應用現代有限元法進行振動篩的結構分析、模態分析，再輔以諧響應分析和優化設計，并采用先進的制造工藝可以制造出高可靠性和高性能的振動篩。采用現代設計方法的有限元法進行振動篩結構設計，可以有效地優化篩機結構、避免共振、減少噪聲，極大地提高篩機設計的可靠性。理論上可以對任意大小的篩機進行可靠的設計。

應用有限元分析法的設計優勢有5 點。1）增加設計功能，減少設計成本。2）縮短設計和分析的循環周期。3）增加產品設計的可靠性。4）采用優化設計，降低材料的消耗或成本。5）模擬各種試驗方案，減少試驗時間和費用。

3 實際應用

奧瑞工業技術有限公司采用有限元分析方法設計制造的ABD4885 雙層香蕉篩，是目前世界上單臺篩分面積最大的振動篩，已經在中國馮家塔煤礦得到成功應用。該振動篩采用雙激振梁結構，6 臺激振器同步驅動。

馮家塔煤礦項目基本情況：

項目名稱：陜西馮家塔礦業有限公司馮家塔煤礦

地理位置：中國-陜西-府谷縣

建設規模：10.0Mt/a

振動篩的主要設計參數如下：

設備型號：4.8×8.5m 雙層香蕉篩

驅動功率：2×90kW

處理能力：1 200 t/h

入料粒度：-300 mm分級粒度：40/25mm

該設備于2016 年6 月投入生產使用，根據測試結果，振動篩的各項指標均達到了設計要求，單臺設備的實際處理能力達1 350 t/h。到目前為止設備一直運行穩定，具有可靠性高、運行高效的特點，為企業創造了良好的經濟效益。

4 結論

采用現代設計方法的有限元法進行振動篩結構設計，可以有效地優化篩機結構、避免共振、減少噪聲，極大地提高篩機設計的可靠性。同時，應用現代設計方法，采用先進的制造工藝，生產可靠性高、性能優越的大型振動篩代表了目前行業的發展趨勢。由奧瑞公司設計制造的世界上單臺篩分面積最大的ABD4885 雙層香蕉篩已在實際項目中得到了成功應用，該設備具有可靠性高、運行高效和使用壽命長等特點，為企業創造了良好的經濟效益。