選煤用振動篩橫梁結構強度分析與優化研究

王晉寧

（大同煤礦集團機電裝備約翰芬雷洗選技術設備有限公司， 山西 大同 037305）

引言

隨著煤炭行業的發展，選煤工作任務越來越重，與此同時對選煤設備的運行可靠性要求越來越高[1]。振動篩作為煤炭選煤過程中的關鍵設備，其能否可靠工作直接關系著煤炭篩選的質量和效率，現已引起了煤炭行業的高度重視[2]。伴隨著振動篩生產效率的不斷提高，對傳統振動篩的結構組件的強度提出了更高的挑戰[3]。橫梁作為振動篩的組成部件，是其實現煤炭篩選功能的關鍵，必須保證其工作的穩定，使振動篩可靠完成煤炭的篩選工作[4]。由于振動篩橫梁服役條件極為復雜，傳統設計工作較為繁瑣，因此擬借助計算機仿真技術對振動篩橫梁進行強度分析[5-6]，找出其工作過程中的薄弱環節，并進行優化設計，以此提高振動篩橫梁的可靠性，提高其工作效率。

1 振動篩組成及工作原理

振動篩主要包括篩箱、連續振動裝置、動力傳動裝置、支撐框架結構、復位彈簧、電控系統等，是典型的機電一體化設備。振動篩的工作原理如圖1 所示，其振動動力來源于兩臺同步運動的電機，配套無齒輪嚙合傳動模式。振動篩激振器固定于篩箱框架之上，配置兩個偏心輪，其尺寸質量一致，同步運轉，方向相反，以此產生煤炭篩選所需的激振力。兩個偏心輪運動過程中，旋轉運動產生的離心力在振動方向上的分力方向一致，大小疊加，而在豎直方向上的分力相互抵消，保證振動篩的平穩運轉。振動篩篩機在激振力作用下實現往復的直線運動，方向與水平面呈現45°，將篩機內部的大塊煤炭呈45°的方向拋出，較小粒度的煤炭透過篩網孔隙，煤炭篩選的粒度大小由篩網面的孔徑控制。振動篩連續運轉過程中偏心輪并非對稱結構，運動的偏心輪將會產生一定的相位角。因激振器驅動篩機做周期性振動運動，使振動篩整體圍繞其重心產生一個擺動慣性力，加之振動加速度，使兩個偏心輪之間產生的追逐力，產生相互追逐運動。

圖1 振動篩工作原理圖

2 振動篩橫梁有限元仿真分析

近年來有限元仿真分析技術發展迅速，在各行各業的新產品設計過程中得到了極為廣泛的應用。相較于傳統的產品設計，運用有限元仿真計算能夠降低物理實驗的工作量及成本投入，提高產品的設計周期和效率，對于提高產品的市場競爭力具有重要的意義。目前使用較多的一款有限元仿真分析軟件是ANSYS，內部配置了結構分析、動力學分析、熱分析等多個模塊，并且能夠與大部分建模軟件進行數據共享和交換，具有很好的實用性。

2.1 有限元模型的建立

為了提高有限元仿真分析建模的效率，橫梁的三維模型采用solidworks 軟件完成，查閱振動篩相關圖紙，得到了在用橫梁的結構尺寸，其橫梁的截面形狀如下頁圖2-1）所示，中間使用的是20 號無縫鋼管，頂面焊接槽鋼以提高其剛度，兩端各焊接一個法蘭，以便將其固定于振動篩中。依據橫梁的工程圖紙完成了橫梁三維模型的建立，為了降低模型轉入ANSYS 仿真軟件中的報錯率，建模過程中忽略了對仿真結果影響較小的倒角、螺紋孔等結構。建立完成之后的橫梁三維模型如圖2-2）所示，將其另存為.igs格式文件導入ANSYS 仿真軟件進行前處理，根據橫梁組成部分的材料完成橫梁材料屬性的設置，并且進行網格的劃分，為了提高網格劃分的效率和質量，采用了自由化分網格的方法。

圖2 橫梁截面及三維模型

2.2 施加載荷及約束

振動篩機正常工作過程中橫梁主要負責支撐篩面及煤炭物料的重量，由于振動篩工作過程中存在振動，使橫梁承受靜載荷的同時還要承受交變載荷，導致橫梁的受力情況極為復雜。計算得到振動篩滿載使的最大靜載荷為0.6 t，考慮動載荷存在的情況，將按最大靜載荷的1.5 倍進行靜強度仿真計算，將此載荷施加在橫梁的中心位置。橫梁工作過程中兩端固定在振動篩上，因此仿真過程中對橫梁兩端的法蘭進行固定約束。

2.3 仿真結果與分析

啟動ANSYS 自帶求解器完成振動篩橫梁靜力學分析之后的結果如圖3、圖4 所示。圖3 給出了振動篩橫梁的應變分布云圖，可以看出振動篩橫梁工作過程中的最大變形位置出現在橫梁的中間，最大變形值為0.49 mm，原因是振動篩橫梁工作過程中呈簡支梁結構，煤炭載荷集中施加在了橫梁的中間，在其作用下橫梁中間出現了較大的變形。圖4 給出了振動篩橫梁的應力分布云圖，可以看出振動篩橫梁工作過程中的最大應力位置出現在槽鋼與鋼管焊接的位置，最大應力值為148 MPa，是橫梁工作過程中應力集中的位置。為了提高了振動篩橫梁的工作可靠性，需要降低橫梁的應力集中程度，才能避免振動篩橫梁工作過程中出現破壞。

圖3 橫梁應變（m）分布云圖

圖4 橫梁應力（Pa）分布云圖

3 橫梁結構優化設計

3.1 結構優化

提高振動篩橫梁強度的方法主要包括以下幾種：第一是改變振動篩橫梁的材料，采用強度更高的合金結構鋼，提高橫梁的整體強度，以降低橫梁工作過程中的應力集中情況；第二是改進振動篩橫梁的熱處理工藝，提高橫梁整體的強韌性匹配；第三是增大振動篩橫梁的截面尺寸，能夠有效提高橫梁的整體強度；第四是優化振動篩橫梁的截面形狀，同時提高橫梁的強度和剛度，充分發揮材料的力學性能。

結合振動篩橫梁的實際工作情況以及改進工作的難易程度，考慮橫梁改進過程中的成本問題，此處選擇第四種優化方法對振動篩橫梁進行優化設計，基于振動篩橫梁現有的圓形槽鋼組成截面，將其改進優化為工字鋼結構，以便提高振動篩橫梁的抗彎截面系數，保證橫梁具有足夠的強度。

3.2 優化結果

振動篩橫梁的三維模型建立之后，重新導入ANSYS 仿真分析軟件，啟動ANSYS 自帶求解器完成振動篩橫梁靜力學分析，分析結果如圖5、圖6 所示。圖5 給出了改進后振動篩橫梁的應變分布云圖，可以看出振動篩橫梁工作過程中的最大變形位置出現在橫梁的中間，最大變形值為0.53 mm，相較于橫梁改進之前，振動篩橫梁的最大變形增加量較小。圖6 給出了改進后振動篩橫梁的應力分布云圖，可以看出振動篩橫梁工作過程中的最大應力位置出現在橫梁與法蘭焊接的位置，最大應力值為98 MPa，依然是橫梁工作過程中應力集中的位置。相較于橫梁改進之前，最大應力值降低了近33.78%，取得了較好的改進效果。

4 應用效果

圖5 改進后橫梁應變（m）分布云圖

圖6 改進后橫梁應力（Pa）分布云圖

為了提高振動篩橫梁的結構強度及使用壽命，按照優化之后的橫梁截面尺寸完成了振動篩橫梁的加工制造工作，并將其應用于振動篩當中，通過為期半年的跟蹤觀察。結果表明，改進之后的振動篩橫梁工作過程穩定可靠，能夠滿足振動篩選煤功能的要求。檢測振動篩機滿載工況下的最大變形量為0.042 mm，與仿真優化結果基本一致。整個觀察周期內，未出現橫梁開焊、破壞等故障，與其應力集中情況得到改進有著直接的關系，據相關人士估計，相較于改進之前的橫梁，預計橫梁壽命提升近25%，節省設備投入近54 萬/a，取得了預期的改進效果。

5 結論

1）橫梁工作過程中的應力集中位置在其中間位置，應力值為148 MPa，通過改進優化橫梁的截面結構和尺寸，成功將應力集中位置的應力值降低至了98 MPa。

2）改進之后的橫梁工作穩定可靠，預計橫梁壽命提升近25%，節省設備投入近60 萬/a，具有很好地應用前景。