熱礦直線振動篩側板溫度均勻化的研究

范 靜

（霍州煤電集團辛置煤礦， 山西 霍州 031412）

引言

熱礦直線振動篩需要在高溫下進行工作，通常需要承受的溫度在700 ℃左右，在這樣的高溫環境下，側板的溫度也會相對較高，實踐經驗表明，側板的最高溫度大約為300 ℃[1]。側板如果長時間處于這么高的工作溫度條件下，不僅會顯著降低其使用性能，同時也會嚴重縮短其使用壽命，不利于企業經濟效益的提升[2]。因此，企業迫切需要對該問題開展研究和分析，進而采取有效措施來降低側板的溫度及其溫度分布的均勻性。加大通風量、進行噴霧處理都是降低側板溫度的措施，但是效果卻不盡如人意[3]。本文作者結合具體情況，提出通過石棉板這一高效的隔熱材料來降低側板溫度的方案，同時通過設置不均勻的厚度來確保側板溫度和熱應力分布的均勻性。

1 熱礦直線振動篩的工作原理

熱礦直線振動篩的主要構成部分包括電機、激振器、篩箱、二次隔振底架等，激振器的運行軌跡為直線。在該機器中，不管是側板還是篩箱，目前使用的材料均為耐熱不銹鋼，橫梁與側板直接相連[4]。篩板需要與高溫被工作對象進行接觸，導致整個機器的溫度非常高，側板的溫度通常高達300 ℃。在本機構中，有兩臺型號一模一樣的激振器，激振器的軸線通過振動篩的重心，并且其連線的與水平方向成45°。兩臺激振器距離篩板的大小相同，每臺激振器分別由一臺單獨的電動機進行驅動，且兩臺電機需要保持同步，運行時電機具有完全相同的轉動速度，但是轉動方向相反。這樣就保證了不管在何時，兩個偏心塊引起的離心力能夠完全抵消，但是在兩個激振器連線垂直方向上的分力能夠疊加，在激發振動篩正常工作的同時，不至于引起整個機器的強烈震動[5]。

2 熱礦直線振動篩模型的建立

2.1 三維模型的建立

本文利用三維造型軟件對熱礦直線振動篩進行三維建模，為后續有限元分析奠定堅實的基礎。熱礦直線振動篩主要參數指標有：篩箱的長度、寬度和高度分別為7.5 m、3.1 m 和2.745 m，根據軟件可以自動計算篩箱的質量為13.7 t，安裝傾角為5°。

根據三維造型軟件可以自動計算得到熱礦直線振動篩的精確重心位置。由于激振器的安裝位置對整個機器的性能有直接影響，因此必須精確定位模型的重心位置。本文涉及的熱礦直線振動篩其運動的軌跡為直線，通過上振式進行工作，根據相關要求，需要在振動篩重心的上部位置安裝激振器，同時還需要保障激振器產生的激振力通過重心位置。

2.2 模型導入和網格劃分

將前面利用三維造型軟件建立的熱礦振動篩三維模型導入有限元分析軟件中，然后進行網格的劃分，本文選用Solid90 三維單元進行網格劃分，因為該種類型的單元在計算時存在顯著的優勢，有利于提升計算的精度和速度[6]。網格大小對計算過程和計算結果均存在顯著的影響。網格越大則總體網格數量越少，可以縮短模型計算的時間，但是得到的計算結果精度會受到限制。相反的，如果網格劃分越小，則總體網格數量越多，能夠得到更加精確的計算結果，但需要耗費更長的計算時間。本文綜合考慮計算時間和結果精度要求，將網格數量控制在100 00 左右。下頁圖1 所示為熱礦直線振動篩數值仿真模型。

2.3 材料屬性的設置

圖1 熱礦直線振動篩數值仿真模型

本文在做仿真分析時，需要設置的材料屬性主要包括密度、比熱容、導熱系數等。將該設備的材料密度設置為7 800 kg/m3，比熱容設置為460 J/（kg·K），側板（所用材料為12CrMo）和篩板導熱系數存在差異，且導熱系數隨溫度的變化發生變化，具體數據見表1。由表中數據可知，隨溫度升高，側板的導熱系數逐漸降低，而篩板和石棉板的導熱系數卻逐漸升高，這主要由材料屬性決定。其他初始條件和邊界條件按照真實的工作環境進行設置，保證模擬得到的結果能夠真實地反映具體情況。

表1 側板、篩板和石棉板導熱系數隨溫度的變化情況

3 熱礦直線振動篩側板溫度場仿真分析

本文建立的模型側板厚度是2 cm，根據建立的數值模擬仿真模型進行計算分析，得到熱礦直線振動篩側板溫度場和熱應力的分布情況。如圖2 所示為仿真得到的側板溫度場分布情況。從圖中可以看出，整個側板的溫度分布非常不均勻，最小的溫度只有160.75 ℃，而最大溫度達到了329.937 ℃，最大溫度和最小溫度之間的差值達到了169.187 ℃。從圖中還可以發現，側板的中間區域和上部區域溫度普遍較高，且高溫區域面積相對較大。側板的溫度總體上呈現出兩側低中間高的分布態勢。另外，就整個熱礦直線振動篩而言，最高溫度達到了727 ℃左右。

圖2 熱礦直線振動篩側板溫度（℃）場分布情況

如圖3 所示為熱礦直線振動篩側板熱應力分布情況。從圖中可以看出，側板的熱應力最大值和最小值分別為228 MPa 和4.56 MPa。熱應力的分布態勢總體上與溫度場分布態勢類似，中間存在較大區域的熱應力較高。與溫度場結果對比分析可知，與側板中間位置溫度相比較而言，與側板連接的小橫梁溫度相對較高，根據熱脹冷縮原理可知其熱膨脹量也要更大，導致在側板中間部分出現壓應力，因此側板中間位置的熱應力比較高。在高度方向，側板中上位置溫度較高，下部位置溫度較低，溫度差異也會導致熱膨脹量存在差異，最終導致側板下部位置出現了壓應力，即圖中的下部位置熱應力較高。

圖3 熱礦直線振動篩側板熱應力（Pa）分布情況

4 熱礦直線振動篩側板溫度均勻化措施

側板溫度分布的不均勻導致不同區域的熱膨脹量存在差異，最終導致側板出現熱應力，影響側板的性能及使用壽命，因此有必要采取措施對其進行優化改進。本文針對側板不同區域的厚度進行優化，并在不同位置設置石棉板，目的在于使側板的溫度均勻化，降低側板的熱應力，提升其性能和延長使用壽命。具體措施為將側板的主體厚度設置為1 cm，在局部熱應力比較集中的位置將厚度設置為3 cm，在整個側板表面鋪設一層石棉板，石棉板的厚度為1 cm，石棉板的導熱系數見表1。由表中數據可知，石棉板的導熱系數非常低，可以有效隔絕外部熱量導入側板，從而有效降低側板的溫度。在側板局部位置厚度增加的目的在于平衡掉熱應力對側板力學性能的影響，提升側板服役的穩定性。

如圖4 所示為優化后的熱礦直線振動篩側板溫度場分布情況。由圖可知，側板的最大溫度和最小溫度分別為135.304 ℃和64.128 ℃。最大溫度值與優化前相比降低了近195 ℃，最小溫度值降低了96 ℃，可見本文設計的方案能夠顯著降低側板的溫度。另外，從圖中還可以看出，具有較高溫度的區域面積相對較小。

如下頁圖5 所示為優化后的熱礦直線振動篩側板熱應力分布情況。由圖可知，側板的最大應力和最小熱應力分別為183 MPa 和0.872 MPa，熱應力的分布仍然遵循兩端小中間大的態勢，但是與優化前相比較而言，熱應力的分布相對較為均勻，最大熱應力和最小熱應力均顯著降低。

圖4 優化后的熱礦直線振動篩側板溫度（℃）場分布情況

圖5 優化后的熱礦直線振動篩側板熱應力（Pa）分布情況

5 結論

通過對熱礦直線振動篩側板進行了優化提升，使其在使用過程中的溫度分布更加均勻，熱應力也得到了顯著的改善。經過優化改進后，側板的使用壽命得到了顯著提升，使用壽命至少延長了1 倍以上，為企業創造了較好的經濟效益，值得進一步推廣使用。