選煤用高頻振動篩的諧響應分析

駱宏亮

（晉能控股煤業(yè)集團大地選煤公司永定莊選煤廠，山西 大同 037003）

引言

我國具有大量的礦產(chǎn)及煤炭資源，在開采礦產(chǎn)、煤炭的過程中，篩分處理是進行分選、脫水及脫泥的重要步驟之一，篩分技術(shù)的高低對于得到的礦產(chǎn)及煤炭的品質(zhì)高低具有重要的影響。振動篩的種類繁多，高頻振動篩采用較高的激振頻率進行低幅振動，驅(qū)動功率小，具有結(jié)構(gòu)簡單、篩分效率高的優(yōu)點，在煤炭等篩分中的使用越來越多[1]。高頻振動篩在使用過程中，由于振動頻率較高，對于振動系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有較高要求。

采用有限元仿真方式對高頻振動篩的諧響應進行分析，從而優(yōu)化振動篩面的結(jié)構(gòu)，提高振動篩的穩(wěn)定性[2]。

1 高頻振動篩有限元模型的建立

有限元法是將連續(xù)變化的求解域進行離散處理的過程，在單元滿足收斂的條件下，則可將近似解收斂于真實解。ANSYS是常用的有限元分析軟件，采用位移法進行求解，在工程中應用較多[3]。所研究的高頻振動篩為雙質(zhì)體振動篩，其主要的振動結(jié)構(gòu)可以分為槽體組、彈片組及中間架組，振動部分安裝支座即為振動篩的整體結(jié)構(gòu)。槽體組包括響應的篩板及支撐件，彈片組包括彈片及彈片支撐件，中間架組包括電機支架、底板及中間架側(cè)板及橫梁[4]。采用SolidWorks對高頻振動篩的主要零部件進行建模并裝配，得到高頻振動篩的整體模型如圖1所示。

圖1 高頻振動篩的實體模型

在進行有限元分析的過程中，網(wǎng)格劃分的精度對于計算結(jié)果的精度具有重要的影響。對所建立的高頻振動篩，由于結(jié)構(gòu)面多為不規(guī)則的多邊形，采用四邊形映射的方式，以最短線的長度為基準控制網(wǎng)格的精度，對模型進行網(wǎng)格劃分[5]。

2 高頻振動篩的諧響應分析

高頻振動篩是典型的振動系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行諧響應分析，要對振動篩進行模態(tài)分析。模態(tài)分析是進行結(jié)構(gòu)動力學分析的基礎(chǔ)，通過模態(tài)分析可以得到振動篩機械結(jié)構(gòu)的固有頻率及相對應的位移[6]。將高頻振動篩看作為多自由度的振動系統(tǒng)，其模態(tài)分析結(jié)果僅與自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，是進行諧響應分析的一個關(guān)鍵步驟。利用高頻振動篩的有限元模型進行模態(tài)分析，可以得到系統(tǒng)的各階固有頻率及振型。通過模態(tài)分析可知，高頻振動篩前五階頻率不足10 Hz，正常工作下的激振頻率是12.5 Hz，位于第五及第六階振動頻率之間。在正常工作的模式下，振動篩不會發(fā)生振動[7]。

諧響應分析針對振動篩在周期載荷作用時產(chǎn)生的位移響應進行分析，還可以針對線性振動系統(tǒng)在簡諧振動下的穩(wěn)態(tài)響應進行分析。對振動篩進行諧響應分析，可以得出在一定頻率作用下振動篩的位移響應，并可對節(jié)點位置的位移變化趨勢進行分析[8]。在ANSYS分析軟件中，對振動篩在0～50 Hz作用下的位移響應進行仿真分析，設(shè)定電機的激振力為12 kN，激振力作用在水平及豎直方向上，對振動篩選取不同的節(jié)點位置進行位移響應曲線的分析，圖2所示為選取的節(jié)點位置。

圖2 振動篩節(jié)點位置的選取

針對節(jié)點1的位移變化進行分析，圖3所示為上層篩板的中間位置節(jié)點1處的水平位移及垂直位移變化曲線。從圖3可以看出，在頻率為4 Hz及8 Hz時垂直和水平方向的位移值較大，位移幅值可達6 mm；在頻率為8 Hz時水平位移達到6 mm；當頻率達到40 Hz以上時，水平方向會產(chǎn)生較大的位移。在系統(tǒng)的激振頻率為12.5 Hz時，節(jié)點處的水平和垂直位移值均較小，此時振動篩產(chǎn)生的位移較小，不會發(fā)生共振，工作穩(wěn)定。

圖3 節(jié)點1的位移變化曲線

對振動篩在周期載荷作用下的應力進行分析，圖4所示為激振頻率為6 Hz時振動篩的應力分布。從圖4可以看出，最大應力值位于篩板的前側(cè)與所支撐篩板段的位置處，在篩板尾端的應力值也較大，存在著應力集中現(xiàn)象。振動篩在進行工作的過程中，在篩面的前端及尾端位置處與彈片的連接處存在應力集中現(xiàn)象，不利于振動篩的長期使用及穩(wěn)定性，應針對篩面的強度進行一定的強化，優(yōu)化振動篩的結(jié)構(gòu)，防止振動篩的振幅過大，對振動篩的結(jié)構(gòu)造成破壞，影響煤礦的篩分分選。

圖4 振動篩的應力分布

3 結(jié)論

振動篩是進行煤炭分選的重要設(shè)備，并且在其他行業(yè)中也具有廣泛的應用。選煤用高頻振動篩的工作頻率高、振幅小，在其工作過程中，不僅結(jié)構(gòu)要滿足承載的需求，篩分的效率及質(zhì)量同樣要滿足需求。采用有限元分析的方式，建立高頻振動篩的有限元模型，對其進行模態(tài)分析，得到各階的振動頻率及振型，并在此基礎(chǔ)上進行諧響應分析，得到不同激振頻率下的振動篩位移響應曲線以及應力分布云圖。進一步分析得到如下結(jié)論：

1）通過分析位移響應曲線可知，高頻振動篩在正常工作頻率下不會發(fā)生共振，在激振頻率為4 Hz及8 Hz時，振動篩的振幅最大。

2）對振動篩的應力進行分析可知，在篩面的前端及尾端位置處與彈片的連接處存在應力集中現(xiàn)象，應對篩面的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高篩面的結(jié)構(gòu)強度，從而保證振動篩工作的穩(wěn)定性，提高煤炭等分選的品質(zhì)。