洗煤用振動篩橫梁結構優化分析設計

許志鵬

(華陽集團二礦選煤廠，山西 陽泉 045000)

0 引 言

振動篩是洗煤廠重要的生產設備，廣泛應用于煤礦物料分級、脫介、脫泥等過程。煤炭開采行業對振動篩的需求持續增大，與此同時，對振動篩自身的性能和質量也有更高的要求。根據工作原理，振動篩橫梁結構是重要的承力性構件，該結構在煤礦開采過程中內部結構很容易受到周期性振動載荷的影響而引發循環塑性損傷，甚至發生疲勞斷裂及各類故障，不利于洗煤過程的連續高效運行。為此，針對ZK3648型振動篩容易出現故障的部位，筆者深入分析振動篩橫梁結構靜力學特性，采取有效優化改進措施，增強橫梁結構等關鍵構件性能壽命，確保振動篩設備穩定可靠運行。

1 振動篩結構特征及原理

ZK3648型振動篩主要由篩箱、振動裝置、篩面、彈簧裝置及傳動裝置等部分組成。其中，篩箱既要承受煤礦物料的重量，又要承受振動篩運動過程中振動載荷和加速度等的作用，故必須具備很好的強度和剛度；振動裝置按照自同步塊偏心結構設計，是振動篩的核心部件，其性能直接決定著整個機械的振動效果；篩面結構直接與煤礦物料接觸，并進行物料分級，物料的摩擦會磨損篩面結構，所以該結構必須定期更換；該型號振動篩主要使用吸振效果良好、使用壽命較長的橡膠彈簧；ZK3648型振動篩直接通過萬向軸節連接電動機，為加強度傳動裝置的保護，必須增設防護罩。

振動篩擺動頻率主要借助激振器激發，同時將質量相同的配重模塊裝配在振動篩兩側，在振動篩運行過程中主要圍繞平衡軸產生偏心力，使煤炭物料循環往復運動，在這一過程中達到不同粒級物料分類精選及脫泥、脫介的目的[1]。振動篩運動簡圖詳見圖1，其中ω表示2個簡化偏心模塊旋轉角速度，m表示2個簡化偏心模塊質量。

2 振動篩橫梁結構仿真分析

2.1 三維模型及有限元模型構建

通過UG三維建模軟件及與實際尺寸1:1的比例構建ZK3648型振動篩三維幾何模型(見圖2)。考慮到洗煤用振動篩結構復雜，若完全按照真實結構構建仿真模型，必將使分析過程復雜化，為保證仿真計算結果的精確度，忽略振動篩附加部件及對振動篩受力影響不大的零部件，并簡化篩板結構，將其視為直接作用于橫梁槽鋼結構上質量塊，并將激振器視為整體，從而進行振動篩橫梁部位結構的精細建模。

圖1 振動篩工作原理簡圖

將采用UG三維建模軟件所構建的三維幾何模型導出為STP格式，并隨即導入ANSYS有限元分析軟件中，采用SOLIDE186類型網格單元劃分模型網格，并根據軟件推薦值確定網格邊長和網格劃分方式[2]。最終所得到的ZK3648型振動篩有限元單元數量為176893，節點數量為223452。

洗煤用振動篩正常運行的情況下支撐底板處于靜止狀態，所以模型中必須固定支撐底板全部約束，為簡化分析，將振動篩加強板和側板均設置為剛體，以避免其發生變形。振動篩全部零部件間的摩擦系數統一按0.03考慮，并使所增設的兩個偏心塊處于旋轉運動狀態。

2.2 靜態分析

通過對ZK3648型振動篩進行靜態分析發現，橫梁結構達到靜態平衡狀態時，振動篩所有部件中橫梁結構位移變形量最大，達到12.45 mm，最大位移主要出現在橫梁結構槽鋼中間部位；橫梁結構構件最大應力值為120.30 MPa，該值也主要出現在橫梁槽鋼中間位置，具體見表1。靜力學分析結果所得到的最大應力值未超出材料允許范圍，并具備一定的靜強度，但取值仍然較高。振動篩在循環往復的周期性運動過程中其橫梁結構必將承受周期性的大幅值應力載荷，引發槽鋼結構應力損傷、裂紋的可能性較大[3]。

表1 ZK3648型振動篩靜力學分析結果

2.3 動態分析

應用ANSYS有限元軟件中的BLOCK LANCZOS模塊進行振動篩動態運行模態分析，所得到的振動篩前十個固有頻率依次為2.389 8 Hz、2.402 7 Hz、3.318 4 Hz、5.034 3 Hz、6.447 6 Hz、6.398 7 Hz、13.904 3 Hz、20.004 7 Hz、21.289 1 Hz、23.165 5 Hz，振動篩工作頻率設計值16.65 Hz。振動篩一階模態、二階模態及三階模態分別沿z、x軸擺動和y軸四周扭轉振動，激振頻率選擇振動篩工作頻率，進行振動篩結構位移及動態響應應力等的計算，具體見圖3。

圖2 振動篩三維幾何模型 圖3 振動篩動態運行模態分析模型

結果顯示，最大振動位移量6.554 mm出現在橫梁處，最小振動位移量5.387 mm出現在前支撐組，且振動篩篩箱部件間位移差異并不大。振動篩整體結構動態剛度較大，但橫梁表現出較大的位移量，必須優化。

3 振動篩橫梁結構優化

3.1 橫梁結構優化方案

文中所研究的振動篩橫梁結構較為復雜，其中連接法蘭、槽鋼、無縫鋼管等是核心構件，不同構件主要通過焊接方式加工，橫梁結構最終借助高強螺栓固定于側板處，并在運行過程中承受較大的周期性載荷作用，發生斷裂的可能性較大。根據統計，振動篩故障中因橫梁斷裂而引發的故障占比在50%以上，為此，必須加強振動篩橫梁結構優化設計，控制其運行應力，增強結構剛度和強度，延長使用壽命。

根據以上對振動篩橫梁結構的仿真模擬和理論分析，剛度缺陷是造成其橫梁結構容易斷裂的根本原因，故應從增設縱梁以提升橫梁結構剛度的角度進行改進優化。對改進后的橫梁結構再次建模，除橫梁結構調整外，其余過程均與原模型一致，對重新構建的三維幾何模型進行ANSYS有限元分析。具體見圖4。

圖4 振動篩橫梁優化設計示意圖

3.2 優化后橫梁結構穩定性分析

根據對優化后振動篩橫梁結構進行靜力學分析發現，橫梁結構優化后位移變形量最大僅為0.48 mm，應力值最大為100.41 MPa，位移變形量最大值和應力最大值均出現在橫梁槽鋼的中間位置；且與優化前相比，位移變形量最大值和應力最大值均顯著降低。分析結果表明，橫梁結構通過增設縱梁的方式提升剛度后，在周期循環運動中結構穩定性及使用壽命將大大增加和延長。

通過BLOCK LANCZOS進行改進后振動篩橫梁結構模態分析發現，振動篩結構位移量最大值5.247 mm發生在橫梁處，位移量最小值4.975 mm出現在前支座組。與優化前相比，篩箱各部件位移量均減小，振動篩整體結構動態剛度有所提升，各構件動應力明顯增大，性能穩定性和可靠性增強，振動篩橫梁結構動應力分布也更加均勻。

4 結 語

綜上所述，振動篩性能的穩定性和可靠性關系到整個洗煤過程的運行效率，通過ANSYS有限元軟件對ZK3648型振動篩進行的靜力學及動態分析結果表明，橫梁結構應力最大，也最容易發生運行故障，使用壽命也受到較大影響。通過增設縱梁的方式改進優化橫梁結構后，振動篩橫梁結構剛度明顯增大，且橫梁處最大應力值顯著降低，應力分布情況得以改善，使用壽命提升。