崔 丹

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046100）

振動篩是一種廣泛應(yīng)用在選煤廠內(nèi)的煤炭分選設(shè)備，由于選煤廠工作環(huán)境惡劣且振動篩在實際工作過程中承受了極大的激振力和交變沖擊載荷的作用，導(dǎo)致振動篩在工作中頻繁出現(xiàn)斷裂、開裂的情況，特別是在工作過程中極易發(fā)生共振[1]，給振動篩的結(jié)構(gòu)可靠性和篩分效果造成了嚴重的影響。本文以郭莊煤業(yè)選煤廠的QZK1533 型振動篩為研究對象，利用MATLAB 仿真分析軟件對振動篩工作時的靜力學(xué)特性進行研究，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。根據(jù)在郭莊煤業(yè)選煤廠的應(yīng)用表明，優(yōu)化后極大地提升了振動篩工作時的穩(wěn)定性和效率。

1 振動篩的振動理論

郭莊煤業(yè)選煤廠QZK1533 型振動篩的振動力學(xué)模型可簡化為彈性體結(jié)構(gòu)[3]。結(jié)合牛頓第二定律，可得出振動篩工作時質(zhì)體的運動方程為[2]：

式中：

k-彈簧的剛度；

y-質(zhì)體振動時的位移，mm；

c-彈簧的阻尼系數(shù)；

-質(zhì)體振動時的速度，mm/s；

r-振動篩肋板長度，mm；

ω-系統(tǒng)的固有頻率，Hz；

m-振動質(zhì)體重量，kg；

t-時間，s；

M-振動篩的參振質(zhì)量，kg；

-質(zhì)體振動時的加速度，m/s2。

2 振動篩三維仿真分析模型的建立及靜力學(xué)分析

利用SolidWorks 三維建模軟件建立該振動篩的三維結(jié)構(gòu)模型，然后利用ANSYS 仿真分析軟件對其進行網(wǎng)格劃分，在進行網(wǎng)格劃分時采用自由網(wǎng)格劃分的方法，在各個部件的連接位置進行細化處理。

利用MATLAB 仿真分析軟件對該振動篩進行靜力學(xué)分析[4]。該振動篩在工作中受力的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖如圖1、圖2 所示。

圖1 振動篩工作時的應(yīng)力云圖

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)振動篩在工作時其應(yīng)力主要集中在加強管梁和篩箱的側(cè)壁位置，其最大應(yīng)力約為68.17MPa，工作時極易導(dǎo)致該處受力發(fā)生塑性變形及破壞。

圖2 振動篩工作時的應(yīng)變云圖

由仿真分析結(jié)果可知，振動篩工作時的最大變形量主要集中在側(cè)壁最下端的位置，其最大變形量約為1.08mm。該處位于側(cè)板和加強管梁的連接位置，當(dāng)振動篩在工作時極易發(fā)生疲勞破壞和開裂的現(xiàn)象。

對振動篩工作時的振動特性進行仿真分析可知，該振動篩工作時當(dāng)在17Hz 時其振幅顯著大于其頻率值，因此說明在該工作點時極易發(fā)生共振現(xiàn)象，嚴重影響振動篩工作時的穩(wěn)定性和使用壽命。

以上分析結(jié)果和郭莊煤業(yè)選煤廠振動篩的主要失效模式一致，表明了該分析結(jié)果的準確性，為后續(xù)的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

3 振動篩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

根據(jù)仿真分析結(jié)果，首先對其進行側(cè)板加厚，用于提升其工作時的橫向強度，同時加強其系統(tǒng)的固有頻率；另一方面增加篩箱側(cè)板的厚度，提升其工作時固有頻率，將連接過渡處的圓角由5mm 提升至15mm。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，本文選擇將篩箱側(cè)板的厚度增加至5mm，然后在相同的激勵條件下對其進行仿真分析，其應(yīng)力分布云圖如圖3 所示，應(yīng)變分布云圖如圖4 所示。

圖3 優(yōu)化后振動篩工作時的應(yīng)力云圖

由仿真分析結(jié)果可知，優(yōu)化后，當(dāng)振動篩在工作時其應(yīng)力主要集中在后側(cè)加強梁的位置，其最大應(yīng)力約為5.23MPa，應(yīng)力降低了約92.3%，極大地優(yōu)化了其工作時的穩(wěn)定性和可靠性。

圖4 優(yōu)化后振動篩工作時的應(yīng)變云圖

優(yōu)化后，其最大變形量約為0.97mm，比優(yōu)化前降低了約10.1%，顯著提升了振動篩在工作時的結(jié)構(gòu)強度。

同時根據(jù)優(yōu)化后對振動篩工作時振動特性的分析，其引起振動篩共振的頻率由17Hz 提升到了19.66Hz，遠高于振動篩正常工作時的振動頻率，有效地防止了振動篩在工作中發(fā)生共振的概率。

4 優(yōu)化后振動篩在郭莊煤業(yè)選煤廠的應(yīng)用

根據(jù)以上分析，技術(shù)攻關(guān)小組對郭莊煤業(yè)選煤廠所使用的QZK1533 型振動篩結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)的優(yōu)化。自2018 年10 月投入使用以來，其工作時發(fā)生振動的次數(shù)由最初的3 次/d 降低到了約1 次/75d，其工作時側(cè)壁發(fā)生塑性變形的次數(shù)降低到了零次，停機檢修的次數(shù)由1 次/2d，提高到了約1次/56d。其在郭莊煤業(yè)選煤廠的安裝使用情況如圖5 所示。通過對該振動篩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，極大地提升了其工作時的穩(wěn)定性和可靠性。目前其優(yōu)化方案已應(yīng)用在郭莊煤業(yè)選煤廠全部8 臺振動篩上，取得了良好的效果。

圖5 優(yōu)化后的振動篩在郭莊煤業(yè)分選廠的應(yīng)用

5 結(jié)論

為了解決郭莊煤業(yè)選煤廠振動篩工作時振動沖擊大、故障率高、效率低下的難題，本文通過對振動篩振動理論的分析，利用MATLAB 仿真分析軟件對其工作時的靜力學(xué)特性進行研究，針對性地提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議，根據(jù)在郭莊煤業(yè)選煤廠的應(yīng)用表明：

（1）振動篩在工作時其應(yīng)力主要集中在加強管梁和篩箱的側(cè)壁位置，振動篩工作時當(dāng)在17Hz時其振幅顯著大于其頻率值，因此說明在該工作點時極易發(fā)生共振現(xiàn)象。

（2）通過增加篩箱側(cè)板的厚度，提升其工作時固有頻率，將連接過渡處的圓角由5mm 提升至15mm，可將其工作時的最大應(yīng)力降低92.3%，將其最大變形量降低10.1%。

（3）通過在郭莊煤業(yè)選煤廠的應(yīng)用表明，利用MATLAB 仿真分析軟件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案切實可行，極大地提升了振動篩工作時的穩(wěn)定性和可靠性。