直線式振動篩橫梁結構分析及優化改進

劉 暢

（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

隨著社會的發展進步，對于企業的環保要求也越來越高，原煤開采出來后需要先經過洗選再投入使用。在選煤過程中，具有高篩分效率、低造價等優點的大型直線振動篩被企業廣泛應用，因此，振動篩的結構穩定和維修管理水平將直接影響到企業的經濟效益[1]。但是振動篩在工作過程中長期處于振動狀態，其主要結構之一的橫梁容易產生裂紋并逐漸擴展導致斷裂，而傳統的維修方法就是焊接鋼板進行加固，但并不能有效保證其正常工作周期，不僅會影響到正常生產，且設備維修成本還會持續增加[2-3]。因此，分析振動篩橫梁斷裂的根本原因，并對其結構進行優化設計，延長其使用壽命，對于企業的發展具有重要意義。

1 振動篩橫梁的結構

直線振動篩的主要由驅動裝置、篩體、篩板、激振器和減震裝置（彈簧）等部件裝配而成，如圖1所示。

圖1 振動篩總體結構圖

由圖1可知，振動篩橫梁是組成篩體的主要部件，其與側板、支撐底座之間采用高強度螺栓連接在一起，若橫梁斷裂失效，則整個篩體將會失去工作能力。橫梁一般采用中空鋼管加工而成，在設備運行的過程中，橫梁不僅要承受來自于篩分物料及篩板自重的均布載荷，還有激振器產生的簡諧激振力以及彈簧不固定支撐力，其受力狀態較為復雜如圖2所示。

圖2 振動篩橫梁受力圖

2 橫梁斷裂原因分析

2.1 外在原因

1）兩臺激振器運行不同步。由圖1可知，振動篩一般有兩個激振器，且之間由一根軸連接起來。當其中一臺激振器的頻率超前或滯后時，篩機的振動頻率將會紊亂，振幅線不再是正常的直線，而是彎曲狀，導致篩框扭曲變形，橫梁側擺直至斷裂。因此，在設備運行前，需檢查連接軸兩端是否存在偏差，并進行調整或者更換連接軸，保證兩端的振動角度相差不超過2°。

2）入料沖擊。入料口落差較大或者較大物料入篩時，篩機將承受較大的沖擊，直接損壞橫梁結構。另外，強烈的沖擊還會影響篩機的振動頻率，產生偏振，影響設備的整體穩定性。為降低影響，可以在不堵料的前提下適當降低入料口高度并在篩分槽中部增加緩沖墊。

3）篩板松動。篩板位于橫梁之上，當篩板出現松動時，將直接沖擊到橫梁。同時，松動的篩板還會影響激振器的固有頻率，增大篩機振幅，使得橫梁受到損壞。因此，因定期對篩板進行緊固和維修。

2.2 內在原因

直線振動篩橫梁的主體普遍為Φ273 mm×9 mm熱軋無縫鋼管，隨后在鋼管上方焊接槽鋼，其橫截面如圖3所示。

圖3 橫梁橫截面圖

由圖3可以看出，鋼管上焊接的槽鋼可以使橫梁的彎曲中性層高于鋼管水平中線，在一定程度上增大了橫梁下方的抗彎能力。但橫梁的這種結構也存在焊接上去的槽鋼抗壓能力較低于下方的鋼管，且在設備運行的過程中，應力容易在槽鋼的螺栓孔處產生集中現象。因此，在長期的簡諧激振力的作用下，槽鋼螺栓孔附近會首先出現裂紋，并沿著焊接口逐漸向下擴展至鋼管上，出現裂紋的鋼管在長期的疲勞作用下最終斷裂。根據以往的現場調研可知，橫梁結構主要是在兩端法蘭處及中間部位發生斷裂。

3 橫梁制造工藝改進

傳統振動篩橫梁的制造加工方法是，先將加工后的鋼管、法蘭和槽鋼通過鉚焊組合成一體，隨后通過低溫回火的方法消除焊接殘余應力，然后加工法蘭并在橫梁上鉆法蘭孔，最后進行噴漆處理[4]。

這種加工方法存在一定的缺陷，就是在焊接過程中會導致鋼管和法蘭產生不可控的變形，無法保證橫梁的長度及法蘭的厚度在允許誤差范圍內，為后續的精加工帶來困難[5]。對此，可以從以下幾個方面進行改進：

1）焊接方式的改進。采用間斷焊接的方式連接鋼管與槽鋼，可以使設備運行時應力產生的能量得以釋放，也可以進一步消除焊接引起的殘余應力。

2）加工方式的改進。采用篩梁專用焊接平臺來控制橫梁長度及法蘭厚度的精確，通過可移動軌道將橫梁固定于合適的位置上，再將可移動軌座上的法蘭盤與固定軌座同心對準，最后固定可移動軌道，在平臺上對橫梁進行精確加工。

3）提高表面防腐。振動篩的工作環境一般較為惡劣，且物料在篩選過程中會沖刷橫梁，使得橫梁表面底漆脫落，引起結構嚴重腐蝕的現象。因此，可在橫梁噴涂底漆之前先噴涂一層聚脲，使其表面質量等級達到Sa2.5級以上，保證底漆不會輕易脫落，提高橫梁的耐磨抗腐蝕能力。

4 橫梁結構的優化設計

4.1 增加橫梁內壁厚度

由于橫梁的鋼管為中空結構，根據材料力學可知，鋼管的抗彎能力與管壁厚度呈正相關[6]。分別選取鋼管壁厚度為9 mm、10 mm和12 mm的橫梁進行抗彎實驗，得出的主要參數如表1所示。

表1 不同壁厚橫梁抗彎能力

由表1可知，隨著鋼管內壁厚度的增加，橫梁的抗彎模量隨之增加，其抗彎能力也隨之增強。且隨著管壁厚度的增加，鋼管的重量隨之增加，使得橫梁整體重心下降，提高了振動機工作時的穩定性。

4.2 改進橫梁形狀

矩形梁的抗彎能力一般強于圓形梁，按照等模量原則，采用與原安裝高度相近的矩形梁1代替，按照等截面原則，采用與原安裝壁厚相同的矩形梁2代替，其橫截面分別如圖4、圖5所示，可以看出，從面積上來說，改造后的兩種矩形梁相對于圓形梁的重心都有所下降，有利于設備的穩定運行。

圖4 矩形橫梁1結構圖（單位：mm）

圖5 矩形橫梁2結構圖（單位：mm）

分別對圓形橫梁和改進后的兩種矩形橫梁進行抗彎能力實驗，其實驗結果如表2所示。

從表2可以看出，改造后的兩種矩形梁的抗彎模量和抗彎能力都有明顯的提高，且按照等面積原則改造的矩形梁2的抗彎能力最好，這是由于矩形梁2的高寬相對較大，可以承受并緩沖更多的能量，且其重心較低，更有利于設備的穩定。

表2 不同結構橫梁抗彎能力

5 工業應用

企業未對直線振動篩橫梁進行改進之前，由于橫梁出現裂紋，導致設備正常運轉受影響，設備一年需經過6次中修，10次小修，維修成本近8萬元，若橫梁發生斷裂，其訂貨和更換時間較長，嚴重影響了生產效率。對橫梁進行技術改造后，經過一年多的使用觀察，設備的維修次數降至2次中修，4次小修，維修成本大大降低，振動篩整體穩定性提高，生產周期得到延長，故障次數也大幅下降，保證并提高了企業的經濟效益。

6 結語

直線振動篩橫梁出現故障是多種因素共同作用下的結果，通過定期檢修激振器連接軸和篩板緊固狀態，并減緩入料沖擊等方法可以降低外在因素的影響，通過優化改進橫梁的制造工藝及結構設計來提高其本身的強度，可有效地提高振動篩的工作性能和結構可靠性。現場應用表明，振動篩橫梁經過改進后，故障率明顯減低，不僅節約了設備維護方面的成本，而且篩選能力也得到了提高，說明提出的橫梁改進方法具有較高的應用推廣價值。