基于多體動力學的復合振動篩的仿真分析

常園園

（同煤集團大地選煤公司塔山選煤廠，山西 大同037000）

引言

振動篩是進行煤礦生產開采的重要篩分設備，對混合的物料可以進行有效的篩分篩選，特別是在煤炭的開采分選及脫水作業中被廣泛應用。我國是煤炭生產和使用的大國，對于煤炭的篩分效率及性能具有較高的要求，現階段使用較為廣泛的多為直線振動篩及圓形振動篩。在對于振動篩的研究方面，針對振動篩的平動及擺動相結合形式的復合振動篩成為當前研究的重點，是提高振動篩效率的有效途徑[1]。目前對于符合振動篩的各項參數研究還較少，采用多體動力學的方式，針對平動及擺動相結合的復合振動篩進行研究，實現符合振動篩的結構設計，為振動篩的生產提供指導。

1 復合振動篩的模型建立

采用多體動力學的方式對復合振動篩進行分析，針對振動的關鍵參數進行復合振動篩的建模，驗證平動及擺動復合作用的有效性。ADAMS是廣泛應用的進行多體動力學仿真設計的工具，采用ADAMS軟件進行復合振動篩的建模[2]。

篩箱的大小對于篩分的效率具有重要的影響，篩箱的長度越長，則物料經過篩分的時間越長，篩分率越高，增加篩箱的尺寸可以在一定程度上提高篩分的效率。依據煤炭篩選使用的篩箱，選擇復合振動篩的篩箱尺寸（長×寬×高）為1 100 mm×448 mm×80 mm，在篩箱的長度方向上，篩箱進行等長的間隔，并設置集料裝置進行物料的收集[3]。

振幅的大小決定了篩箱工作面的運動范圍及位置，是進行煤炭顆粒篩選的動力，振幅越大，則產生的篩分運動越強，篩分的效率也較高，但是振幅不能無限增加，并且，隨著振幅的增加，篩分的效率也呈現邊際遞減的效應，對復合振動篩的振幅設計為0～2.5 mm進行仿真分析。振動的頻率影響煤炭顆粒的運動頻次，振動頻率的大小影響顆粒在篩箱工作面上的時間及能否穿透篩箱，常用的振動篩頻率多為20 Hz[4]，選擇復合振動篩的運動頻率為0～25 Hz。

要想實現復合振動篩的平動及擺動運動，還需要對振動篩的擺動頻率及擺動角度進行設置。擺動的頻率較小時，煤炭顆粒間的運動緩慢，不能有效地穿透篩箱，頻率較大時，容易造成一定的粉塵污染，不利于篩分工作的進行[5]，綜合選擇擺動頻率約為平動頻率的一半值為0～12 Hz。篩箱的擺動角度越大，獲得的分層效果越好，篩分的效率越高，但擺動角度過大時，會造成煤炭顆粒在篩箱工作面的時間減少，不能有效地穿透篩箱[6]，設定復合振動篩的擺動角度為1.2°。

依據設定的篩分參數，采用Pro/E進行復合振動篩的建模，激振器的裝置采用偏心塊及驅動軸的構件組成，對于激振器采用ADAMS中的驅動力進行驅動，將振動篩的部件進行組裝，得到復合振動篩的仿真模型如圖1所示。

圖1 復合振動篩的仿真模型

2 復合振動篩的仿真分析

建立了復合振動篩的仿真模型，采用ADAMS軟件設定復合振動篩的的基座與地面之間的固定約束，偏心塊及旋轉軸之間采用旋轉約束，設定篩箱的激振作用為正弦函數分布，擺動頻率為10 Hz，添加運動副的旋轉驅動，選定系統分析的時間為5 s，仿真分析1 000步，由此采用ADAMS進行復合振動篩的仿真分析。

2.1 復合振動篩平動效果分析

在ADAMS中，先進行平動的效果分析，設定轉速為600 r/min，經過仿真計算，得到篩箱的位移圖如圖2所示。從圖2中可以看出，篩箱的振動作用在水平方向上產生位移，篩箱在開始階段的振幅較大，然后進入平穩階段，并且在水平方向做簡諧運動，運動較為平穩，可以滿足煤炭顆粒的篩分要求。

圖2 篩箱平動作用位移圖

2.2 復合振動篩擺動效果分析

在ADAMS中，進行擺動的效果分析，設定激振力為600 N，頻率為8 Hz，并呈正弦變化，經過仿真計算，得到篩箱的位移圖如圖3所示。從圖3中可以看出，篩箱的位移呈正弦變化的形式，且振動篩圍繞質心做擺動運動，效果良好，可以滿足煤炭顆粒的篩分要求。

圖3 篩箱擺動作用位移圖

2.3 復合振動篩復合振動效果分析

復合振動篩在平動及擺動同時作用下進行煤炭顆粒的篩分，對復合振動的效果進行分析，設定平動的頻率為10 Hz，擺動的激振力為600 N，頻率為8 Hz，進行復合振動的仿真計算，得到振動篩的位移變化如圖4所示。從圖4中可以看出，在復合振動下，篩箱的運動不同于單獨運動時的位移，篩箱的運動的強度有所減低，但振動狀態更加多樣，可以改變單獨作用時產生的堵孔現象，有利于煤炭顆粒的運動變化，進行充分的撞擊進行篩分，提高篩分的效率。

圖4 篩箱復合作用位移圖

3 結論

振動篩是進行煤炭篩分的重要設備，提高振動篩的效率是振動篩研究發展的主要方向。在直線振動篩及圓形振動篩中，振動作用采用單獨的運動形式，對于篩分效率的提升有限。針對這一問題，采用平動加擺動的復合振動形式進行復合振動篩的設計。采用ADAMS多體動力學的方式進行復合振動篩的設計，首先依據現有使用的振動篩的結構及參數，選定復合振動篩的關鍵參數，建立復合振動篩的模型，在ADAMS中，分別針對復合振動篩在平動、擺動及復合振動下篩箱的位移進行仿真分析，結果表明，在復合振動的作用下，篩箱的位移呈現出與平動及擺動作用下不同的振動效果，篩箱的振動幅度有所減小，但振動的形態更加多樣，可以改變單獨作用時產生的堵孔現象，有利于煤炭顆粒的運動變化，進行充分的撞擊進行篩分，提高篩分的效率。多體動力學進行復合振動篩的設計是可行的，可以豐富篩箱的運動形式，提高煤炭篩分的效率。文中針對振動篩的形式進行了設計并驗證了復合振動篩的可行性，在復合振動篩的實現上，還要進行具體的結構設計，并進行振動效果的實驗分析，這有賴于進一步的研究。