選煤機弧形篩篩板弧形座疲勞壽命分析

張 龍

（陽泉煤業集團新景礦洗煤廠，山西陽泉 045000）

0 引言

選煤弧形篩是選煤機中的關鍵設備，每天承受的動載荷較大，且運行時間較長。在煤泥回收過程中，選煤弧形篩承受的載荷復雜，一方面始終承受著大量散裝物料的重力載荷，另一方面在振動電機作用下，承受著篩板弧形座與篩面組合結構下的交變激振力。因此，選煤機弧形篩在此受力情況下，在弧形篩的結構上極容易產生疲勞裂紋，甚至出現開裂或斷裂等現象，帶來嚴重的疲勞破壞，嚴重影響了選煤機的正常運轉，降低了系統的工作效率和經濟效益[1-3]。

選煤弧形篩主要由篩箱、篩板弧形座、振動電機及隔振彈簧等零部件組成，在工作過程中，當選煤弧形篩的篩縫堵塞時，在振動電機的激振作用下，篩板弧形座產生諧振，從而帶動與其連接的篩板振動，使堵住篩縫的物料下落，而此時篩箱的振動幅度較小。所以，根據選煤弧形篩的工作特點，篩板弧形座是整個篩子中最容易發生疲勞破壞的部件[4-5]。因此，展開選煤機弧形篩篩板弧形座的疲勞壽命分析，找出篩板弧形座的薄弱環節，對于提高篩板弧形座的疲勞壽命具有重要意義。

1 篩板弧形座有限元模型建立

1.1 幾何模型和材料參數

首先利用SolidWorks三維軟件對篩板弧形座進行三維建模，在充分考慮篩板弧形座的結構以及不影響有限元的計算分析結果的基礎上，為了方便有限元的分析和計算，對圓角和倒角進行了簡化，同時也去除了螺栓，所建立的三維幾何模型如圖1（a）所示。

篩板弧形座的材料采用的是Q235A，密度為7.85 g/cm3，彈性模量2.12×105MPa，泊松比為0.288，抗拉強度為375～500 MPa，屈服強度為235 MPa。

圖1 篩板弧形座計算模型

1.2 網格劃分和邊界條件

根據篩板弧形座的結構，有限元單元類型選擇SOLID186，采用自由網格劃分的形式，網格劃分結果如圖1（b）所示，劃分的單元數為147 807個，節點數為236 411個。

選煤弧形篩在運行工作過程中，篩板弧形座主要受到自身重力和振動電機架對其的反作用力。因此，根據選煤機弧形篩安裝實際工況對弧形篩進行約束，并施加重力載荷，重力加速度取9.8 m/s2。

2 篩板弧形座靜力學分析

2.1 靜載分析

通過計算，提取篩板弧形座的應力結果如圖2所示，從圖中可以看出，整個篩板弧形座的受力較小，應力較大的部位主要在各部件的連接處，以及螺紋孔附近的位置，包括篩板弧形座和振動桿相連的部位，以及和減震器相連的螺栓孔，最大的應力不到21 MPa，遠遠小于篩板弧形座材料Q235的強度極限。說明篩板弧形座在靜載荷的作用下，滿足強度要求。

圖2 篩板弧形座靜載荷的作用下的綜合應力云圖

2.2 疲勞應用分析

圖3 篩板弧形座在不同方向上單位載荷作用下的應力云圖

個單獨的作用力。因此，通過有限元靜力學分析，可以得到篩板弧形座在X、Y兩個不同方向單位載荷作用下的應力結果，另外獲得每個方向的載荷譜，在nCode DesignLife軟件設計中進行關聯，就可以得到篩板弧形座進行疲勞壽命分析時的動應力。

進行篩板弧形座疲勞應力分析時的有限元模型，以及參數選擇和邊界條件的設置與靜力學分析時的相同，提取X、Y兩個不同方向下單位載荷作用下的疲勞應力結果如圖3所示。從圖中可以看出，X方向和Y方向單位載荷作用下的篩板弧形座應力結果云圖相似，并且最大的應力部位也集中在各部件的連接處和螺紋孔的位置，這是由于激振力的作用方向與水平方向成45°的角度，因此X方向和Y方向的作用力大小相同，整個篩板弧形座的應力結果也相似。

3 疲勞壽命分析

對篩板弧形座進行疲勞壽命分析時，首先需要得到篩板弧形座的隨時間變化的動應力。篩板弧形座在工作過程中，在振動電機激振力的作用下，振動桿末端振動，該激振力的方向與水平方向成45°夾角，為了方便后續進行疲勞壽命分析，將該激振力在X、Y兩個不同方向下進行拆分，分解成兩

3.1 參數設置

采用ANSYS軟件中nCode DesignLife模塊對篩板弧形座進行疲勞壽命分析，在進行疲勞分析前，需要先確定篩板弧形座承受的循環載荷，靜力學分析中疲勞應力，以及材料的疲勞性能曲線[6-9]。材料的疲勞性能曲線即S-N曲線，在S-N分析模塊中需要進行材料屬性和載荷屬性的設置。

（1）材料屬性設置

材料屬性的設置通過手動的方式將S-N曲線的數據輸入軟件，S-N曲線采用冪函數的公式，即lgN=a+b?lgS，需要確定篩板弧形座的材料常數a和b。Q235A材料a=41.1782，b=-14.6745，導入軟件中，因此即可得到篩板弧形座的S-N曲線。

（2）載荷屬性設置

載荷屬性設置的關鍵在于把靜力學分析中的疲勞應力和載荷時間歷程兩者進行匹配，然后就可以生成隨時間變化的應力張量。X方向和Y方向需要分別進行配置，首先需要選擇疲勞應力結果中的X方向單位載荷作用下的應力結果文件，與之相對應的時間序列中選擇X方向上的載荷時間歷程，并且在Divider選項下設置為1，此時，X方向就完成了疲勞應力和載荷時間歷程的匹配，同樣的設置和操作完成Y方向的匹配。

3.2 結果分析

在Miner法則下，通過軟件計算得出了篩板弧形座的疲勞壽命云圖，如圖4所示，從圖中可以看出，篩板弧形座的疲勞壽命分布不均，大部分區域的疲勞循環次數較大，只有少部分區域的疲勞循環次數較低，并且集中在篩板弧形座與減震器連接的4個螺栓孔的位置，這些地方容易產生疲勞破壞。此外，與靜力學分析中應力集中的位置比較相似，因此應力集中對于篩板弧形座的疲勞壽命有較大的影響，同時篩板弧形座的中間部位靜載條件下的應力雖然較低，但是疲勞循環次數值也相對較小，說明滿足靜力學分析要求的情況下，不能確保疲勞壽命也是最優的結構。

圖4 篩板弧形座的疲勞壽命云圖

同時在危險點探測模塊當中，提取最危險的10個節點的節點編號和循環次數，如表1所示。篩板弧形座的節點當中最低循環次數為9.439×106次，這也代表整個篩板弧形座的疲勞壽命。計算分析時加載的載荷時間歷程的時間是8 s，而篩板弧形座的工作頻率為26 Hz，因此，篩板弧形座在實際工作過程中的疲勞壽命需要進行轉換。通過計算可以得到篩板弧形座的實際疲勞壽命為9.439×106×8×26=1.963×109次。而在進行振動篩疲勞強度的可靠性設計時，振動篩使用的疲勞極限的標準至少應該達到109次，因此篩板弧形座達到了無限壽命設計的標準，滿足篩分機械的使用壽命要求。

表1 篩板弧形座的節點循環次數

4 結束語

（1）通過篩板弧形座靜力學分析，得到了篩板弧形座的應力云圖，應力較大的部位集中在各部件的連接處和螺紋孔的位置，最大的應力小于篩板弧形座材料Q235的強度極限，滿足強度要求。

（2）通過篩板弧形座疲勞壽命分析，篩板弧形座的疲勞壽命的薄弱環節在與減震器連接的4個螺栓孔的位置，最低的疲勞循環應力次數達到了無限壽命設計的標準，滿足篩分機械的使用壽命要求。