李棟， 劉躍， 王帥， 孟國營

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能裝備學(xué)院， 江蘇 常州 213164；2.清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 100084；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

振動(dòng)篩是煤炭洗選加工過程中的重要設(shè)備，其主要功能是實(shí)現(xiàn)煤炭的分級(jí)、脫泥、脫介等處理[1]?，F(xiàn)代化的選煤廠高度自動(dòng)化，并采用流水線作業(yè)。若振動(dòng)篩在連續(xù)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停產(chǎn)。因此，振動(dòng)篩等選煤設(shè)備的安全可靠運(yùn)行對(duì)于保障選煤系統(tǒng)的正常高效運(yùn)行具有重要意義。

目前煤礦現(xiàn)場對(duì)礦用設(shè)備的維護(hù)仍以人工定期維護(hù)為主，由于工作環(huán)境惡劣，同時(shí)受檢修人員操作水平制約，振動(dòng)篩的部分結(jié)構(gòu)故障難以及時(shí)有效地診斷并維修，造成一定安全隱患。針對(duì)振動(dòng)篩的故障診斷問題，研究人員進(jìn)行了一系列研究。劉初升等[2]利用系統(tǒng)自由振動(dòng)響應(yīng)的方法來識(shí)別振動(dòng)篩彈簧故障。朱清慧[3]采用自回歸模型、主元分析和支持向量機(jī)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩側(cè)幫裂紋小樣本故障診斷。張則榮等[4]以應(yīng)變模態(tài)變化率構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于診斷振動(dòng)篩大梁裂紋故障，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)大梁剩余壽命預(yù)測。目前振動(dòng)篩故障診斷研究多集中于故障識(shí)別方法的提出及試驗(yàn)等，但在煤礦應(yīng)用方面，特別是結(jié)合煤礦現(xiàn)場復(fù)雜情況的診斷應(yīng)用研究較少。本文針對(duì)煤礦實(shí)際生產(chǎn)中振動(dòng)篩的典型故障，結(jié)合有限元仿真技術(shù)與振動(dòng)測試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)篩工作狀態(tài)的有效評(píng)估，分析振動(dòng)篩潛在故障并給出維護(hù)建議。

1 振動(dòng)篩主要結(jié)構(gòu)及常見故障

1.1 振動(dòng)篩主要結(jié)構(gòu)

振動(dòng)篩主要由篩箱、激振器、支撐裝置、傳動(dòng)裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。振動(dòng)篩篩箱主要由側(cè)板、底梁、篩面、加強(qiáng)梁等組成,支撐裝置由彈簧、支撐底座、支撐頭上下座組成,激振器與篩箱側(cè)板連接或固定在激振梁上。

1.2 振動(dòng)篩常見故障

隨著振動(dòng)篩不斷向大型化、大處理量和高效率的方向發(fā)展，其參振質(zhì)量及激振力也在不斷增大，同時(shí)篩分物料對(duì)篩箱有較強(qiáng)的沖擊力。振動(dòng)篩長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行在惡劣的工作條件下，若現(xiàn)場維護(hù)不及時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)多種故障。振動(dòng)篩的常見故障包括大梁斷裂、側(cè)板開裂、軸承損壞、篩板松動(dòng)、激振器故障等。

圖1 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of vibrating screen

對(duì)山西某礦選煤廠進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該廠內(nèi)的一臺(tái)直線振動(dòng)篩曾發(fā)生大梁斷裂故障，由于當(dāng)時(shí)廠內(nèi)缺少備用配件，檢修人員對(duì)故障大梁進(jìn)行焊接處理并繼續(xù)使用，但不久后焊接過的大梁再次發(fā)生斷裂。斷裂大梁如圖2所示。本文以該發(fā)生大梁斷裂的振動(dòng)篩為例，通過分析其工作狀態(tài)，找出大梁連續(xù)發(fā)生斷裂的原因。

圖2 振動(dòng)篩斷裂大梁Fig.2 Broken beam of vibrating screen

2 振動(dòng)篩三維建模及有限元模態(tài)分析

振動(dòng)篩是典型的利用振動(dòng)進(jìn)行工作的機(jī)械設(shè)備，由于自身強(qiáng)振動(dòng)的特點(diǎn)，導(dǎo)致裂紋等結(jié)構(gòu)故障時(shí)有發(fā)生，所以需要了解振動(dòng)篩工作時(shí)的振動(dòng)情況。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的常用方法，是通過計(jì)算或試驗(yàn)的方法獲取結(jié)構(gòu)固有參數(shù)的過程。本文采用模態(tài)分析方法分析振動(dòng)篩工作狀態(tài)，以了解其振動(dòng)特性。

2.1 振動(dòng)篩三維建模

對(duì)于振動(dòng)篩這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用有限元仿真方法進(jìn)行模態(tài)分析是最方便的手段。在進(jìn)行模態(tài)分析前，首先需要建立振動(dòng)篩三維模型。為了保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，同時(shí)提高后續(xù)分析的計(jì)算效率，需要對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行一定程度的簡化。本文主要進(jìn)行以下簡化：省略篩箱側(cè)板上分布較多的螺栓孔、零件的倒角等，這些會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格劃分過細(xì)，影響計(jì)算；省略側(cè)板內(nèi)外側(cè)的壓條和部分加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，這些對(duì)整體質(zhì)量和剛度的分析影響較??；將激振器內(nèi)部的復(fù)雜零部件簡化為含偏心塊的質(zhì)量結(jié)構(gòu)，通過偏心塊提供必要的激振力。現(xiàn)場出現(xiàn)故障的振動(dòng)篩簡化后的三維模型如圖3所示。

圖3 振動(dòng)篩簡化三維模型Fig.3 Simplified 3D model of vibrating screen

2.2 振動(dòng)篩有限元模態(tài)分析

將振動(dòng)篩簡化三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，建立有限元模型[5]，如圖4所示。

圖4 振動(dòng)篩有限元模型Fig.4 Finite element model of vibrating screen

進(jìn)行有限元分析前，需要對(duì)振動(dòng)篩各部分材料屬性進(jìn)行定義，具體見表1。

表1 振動(dòng)篩各部分材料屬性Table 1 Material properties of various parts of vibrating screen

在有限元分析軟件中完成振動(dòng)篩模態(tài)分析，前10階模態(tài)分析結(jié)果如圖5所示。

2.3 有限元仿真結(jié)果分析

對(duì)于各階振型情況，查看各階頻率下的最大變形位置[6]。直線振動(dòng)篩前10階固有頻率及最大變形發(fā)生處統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

圖5 振動(dòng)篩模態(tài)振型Fig.5 Modal shape of vibrating screen

表2 振動(dòng)篩模態(tài)計(jì)算結(jié)果Table 2 Modal calculation results of vibrating screen

從表2可看出，不同的模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)振動(dòng)篩不同的變形情況[7]。隨著模態(tài)階次的增加，振型的變化逐漸由移動(dòng)轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)本身的扭曲變形。

3 測試分析

3.1 現(xiàn)場測試

為滿足選煤廠現(xiàn)場設(shè)備防爆要求，選用YHJ(C)礦用本質(zhì)安全型便攜式測振記錄儀(簡稱測振儀)[8]進(jìn)行測試。

測振儀的振動(dòng)傳感器通過磁力吸座吸附在振動(dòng)篩的篩體上，在激振器和篩箱側(cè)板各布置2個(gè)測點(diǎn)，如圖6所示。

(a) 激振器測點(diǎn)

(b) 側(cè)板測點(diǎn)

在振動(dòng)篩空載狀態(tài)下，對(duì)振動(dòng)篩開機(jī)-穩(wěn)定運(yùn)行-停機(jī)的整個(gè)過程進(jìn)行測試，得到4個(gè)通道的振動(dòng)信號(hào)[9-10]。振動(dòng)信號(hào)經(jīng)Matlab軟件處理后輸出時(shí)域波形，如圖7所示，其中g(shù)為重力加速度。

(a) 測點(diǎn)1

(b) 測點(diǎn)2

(c) 測點(diǎn)3

(d) 測點(diǎn)4

3.2 結(jié)果對(duì)比

對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析[11]，其功率譜密度如圖8所示。

(a) 測點(diǎn)1

(b) 測點(diǎn)2

(c) 測點(diǎn)3

(d) 測點(diǎn)4

根據(jù)圖8可以判斷該振動(dòng)篩的工作頻率約為15.8 Hz[12]。

對(duì)比有限元模態(tài)分析結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果可看出：振動(dòng)篩工作頻率(15.8 Hz)介于其模態(tài)第8階頻率值(14.742 Hz)和第9階頻率值(21.573 Hz)之間，且與第8階頻率更接近。因此，判斷振動(dòng)篩在空載狀態(tài)下工作時(shí)存在近共振問題[13]。具體分析第8階模態(tài)振型發(fā)現(xiàn)，該階頻率下振動(dòng)篩近入料端加強(qiáng)梁變形幅度最大，這與現(xiàn)場實(shí)際情況一致，可以判斷空載時(shí)頻繁運(yùn)行振動(dòng)篩是造成該位置梁斷裂的主要原因。因此，在日常維護(hù)過程中，應(yīng)當(dāng)盡量避免振動(dòng)篩在空載或物料較少的狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行；同時(shí)，在振動(dòng)篩投入使用前，應(yīng)預(yù)先了解振動(dòng)篩的工作狀態(tài)及可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，在該位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的加強(qiáng)處理或更換強(qiáng)度更高的配件；在日常的設(shè)備檢修過程中，將該薄弱環(huán)節(jié)作為重點(diǎn)檢查與維護(hù)的部位。通過上述措施，盡可能避免結(jié)構(gòu)故障，保證振動(dòng)篩可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語

介紹了礦用振動(dòng)篩的主要結(jié)構(gòu)及常見故障，并對(duì)應(yīng)用現(xiàn)場出現(xiàn)結(jié)構(gòu)故障的振動(dòng)篩進(jìn)行了分析研究。建立了該型號(hào)振動(dòng)篩的三維模型及有限元模型，并進(jìn)行了模態(tài)分析。采用便攜式測振儀對(duì)該振動(dòng)篩進(jìn)行了現(xiàn)場測試，掌握了其工作狀態(tài)。將現(xiàn)場測試結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行比較，得出振動(dòng)篩出現(xiàn)故障的原因，并給出了在振動(dòng)篩維護(hù)過程中的建議與注意事項(xiàng)。計(jì)算機(jī)仿真與現(xiàn)場測試相結(jié)合的分析方法為煤礦現(xiàn)場設(shè)備故障的判斷提供了一種思路，有利于保障礦用設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。