王 宏，陳志強

(1.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

目前，細粒級煤炭干法篩分是世界性難題，潮濕細顆粒物料互相粘結(jié)成團、松散困難并且粘堵篩孔，這一直是國內(nèi)外篩分技術的難點[1]，弛張篩的出現(xiàn)和發(fā)展為解決這一問題提供了有效途徑。弛張篩是一種新型篩分設備，具有處理量大，篩分效率高等特點，特別是在高黏度、細粒度物料的篩分上優(yōu)勢明顯[2]。

弛張篩主要有兩種結(jié)構形式，分別為以自由振動器作為驅(qū)動系統(tǒng)的弛張篩和以限制行程的偏心驅(qū)動系統(tǒng)的弛張篩[3]，前者的代表產(chǎn)品為美國的伯特利弛張篩、奧地利的賓得弛張篩和奧瑞(天津)工業(yè)技術有限公司生產(chǎn)的AFS馳張篩，后者代表產(chǎn)品則為德國海英·勒曼公司研制的第三代Liwell型弛張篩[4]。我國早期弛張篩是由鞍山礦山機械公司借鑒德國利威爾技術開發(fā)的CZS型雙曲柄弛張篩，但由于國內(nèi)生產(chǎn)的弛張篩的雙曲柄機構的可靠性和篩面材料質(zhì)量問題等因素，至今未能得到推廣。以自由振動器作為驅(qū)動系統(tǒng)的弛張篩經(jīng)過近年來的不斷研究，潮濕細粒粘性物料的篩分技術和弛張篩篩分技術有了很大的發(fā)展，弛張篩向著大型化、高效化和高可靠性的方向發(fā)展。近年來，弛張篩在許多洗煤廠已有所應用，它的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)振動篩在篩分領域的格局。但是目前國外弛張篩占據(jù)國內(nèi)大部分市場份額[5]，而我國對于弛張篩的研究起步較晚，在大型化和可靠性等方面相對落后，和進口弛張篩差距較大，難以滿足選煤廠的需求。目前國內(nèi)對各類振動篩動態(tài)特性研究很多，但是對弛張篩的動態(tài)特性分析很少。采用有限元分析方法和動應力測試的方法，通過對弛張篩關鍵問題的研究，使弛張篩的整體結(jié)構合理，提高弛張篩使用壽命和可靠性，設計出具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權的弛張篩十分有意義。

1 弛張篩的結(jié)構和工作原理

弛張篩結(jié)構如圖1所示。弛張篩采用基本振動和附加振動的雙重振動原理，基本振動是由偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動，附加振動是基本振動帶動產(chǎn)生的反向振動[6]。兩個參振質(zhì)量以相同的頻率相對振動，由于篩面兩端分別安裝在固定框和浮動框架上，聚氨酯篩面連續(xù)不斷的擴張、收縮，從而獲得較高的加速度。兩個參振質(zhì)量相對線性運動是可調(diào)的，可以根據(jù)篩分物料不同調(diào)整所有必要的參數(shù)[7]。

圖1 弛張篩結(jié)構圖

2 弛張篩模態(tài)分析

模態(tài)是機械結(jié)構的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以通過有限元的方法取得，則稱為計算模態(tài)分析[8]。模態(tài)參數(shù)是力學系統(tǒng)運動微分方程的特征值和特征向量。通過模態(tài)分析掌握了結(jié)構的各階模態(tài)的主要特性，就能夠預測出結(jié)構在某一頻率范圍內(nèi)受到外部或內(nèi)部激勵作用下的實際振動響應。因此，模態(tài)分析是結(jié)構動態(tài)設計的重要方法。

2.1 有限元模型的建立

以FBVB3080型弛張篩為例，進行數(shù)值模擬，在三維軟件中建立篩機的模型，然后導入有限元軟件中對篩箱進行分析。對3D模型簡化處理，側(cè)板與橫梁、加強梁、驅(qū)動梁及入料擋板之間的結(jié)合面采用線性接觸連接模擬；振動器質(zhì)量采用質(zhì)量點模擬；篩機支座彈簧采用彈簧單元模擬。采用四面體及六面體單元對3D模型進行網(wǎng)格劃分，劃分單元數(shù)為665634，網(wǎng)格質(zhì)量數(shù)為7.37，有限元模型如圖1所示。

圖1 弛張篩數(shù)值模型

2.2 篩機模態(tài)分析結(jié)果

模型建立后，對篩機模態(tài)分析，設置最大提取模態(tài)階數(shù)為10，模態(tài)分析結(jié)果如圖2—11所示。

圖2 第一階振型

圖3 第二階振型

圖4 第三階振型

圖5 第四階振型

圖6 第五階振型

圖7 第六階振型

圖8 第七階振型

圖9 第八階振型

圖10 第九階振型

圖11 第十階振型

各種振型下的篩機形態(tài)分析見表1。

表1 篩機各階形態(tài)表

計算結(jié)果顯示，前3階的模態(tài)為剛體平動，第4—7階模態(tài)為擺動和翹動，只有第8階條件下第二質(zhì)體才與第一質(zhì)體發(fā)生了相對運動，這正是目標頻率范圍，而其他模態(tài)下兩個質(zhì)體是同向運動，不符合弛張篩的運動狀態(tài)。

在此基礎上又對第8階15.138Hz附近的頻率進行了大量的模擬分析，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在14Hz的條件下，固定篩框振幅為3.53mm，浮動篩框振幅為16.57mm，符合弛張篩的振動狀態(tài)的要求，從而得出了14Hz是最佳的工作頻率，如圖12所示。

圖12 14Hz下的振動模態(tài)

3 弛張篩諧響應分析

弛張篩在工作過程中，篩箱在箱式激振器產(chǎn)生的交變激振力的作用下，側(cè)板、驅(qū)動梁等部件會產(chǎn)生動應力，動應力的數(shù)值及分布規(guī)律對篩機的可靠性有著至關重要的影響。因此，為提高設備可靠性，需要對篩機進行諧響應分析。

3.1 載荷處理

弛張篩采用安裝在驅(qū)動梁上的箱式激振器激振，激振器產(chǎn)生的激振力使篩機沿與水平面成一定角度方向上往復振動。為了簡化計算，將激振器的質(zhì)量高為質(zhì)量點，同時將激振器各組偏心塊產(chǎn)生的最大激振力施加在驅(qū)動梁上產(chǎn)激振器安裝板上。

3.2 諧響應結(jié)果分析

在最佳工作頻率14Hz的條件下，對篩箱和驅(qū)動梁進行受力分析，如圖13、圖14所示。

圖13 篩箱受力分析

圖14 驅(qū)動梁受力分析

由圖13可知，側(cè)板與驅(qū)動梁聯(lián)接處的應力較大，屬于應力集中所致，最大達到10.413MPa，其余部位均小于5.3214MPa。側(cè)板與驅(qū)動梁選用高強度低合金鋼板，屈服極限遠遠超過最大應力，所以篩框強度設計滿足要求。由圖14可知，驅(qū)動梁中間處以及法蘭處應力值最大，達到8.105MPa，也遠小于許用應力值，說明篩箱梁結(jié)構設計合理，能夠滿足篩機在交變載荷下長期工作。

4 弛張篩動應力測試

根據(jù)諧響應分析的計算結(jié)果，采用動靜態(tài)應力應變測試分析系統(tǒng)[9]，通過信號采集和軟件分析來獲取振動篩篩框上的響應情況。在篩機應力值較大的部位布點，測試在空載狀態(tài)下各點的應力值[10]。測試選擇側(cè)板前、后支撐上部2個點，出料端第1根橫梁中部，驅(qū)動梁中部，加強梁中部，后擋板中部等6個點的測試結(jié)果進行分析，測試結(jié)果計算機上讀取并整理數(shù)據(jù)見表2。

表2 測試主應力和效應力值

由表2可知，二者頻率基本一致，模擬值略大于實測模態(tài)結(jié)構。各部位的實測等效應力值遠小于許用應力值；實測等效應力值與模態(tài)分析計算的結(jié)果相比，有一定的誤差，但誤差值滿足弛張篩動應力測試的要求。

5 結(jié) 論

1)利用有限元軟件，建立弛張篩的有限元模型，對其分別進行模態(tài)分析和應力分析，找到篩機合適的工作頻率，得到篩機上各部位應力應變的分布規(guī)律。

2)有限元分析和動應力測試同時表明篩框動應力小于許用應力，體現(xiàn)了結(jié)構的合理性，為弛張篩優(yōu)化設計提供了參考。

3)動力應力測試儀器與有限元分析對比結(jié)果基本接近，驗證了這兩種方法的可靠性。