姚 軍

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

0 引 言

隨著技術的不斷發(fā)展，風能、水能已逐漸成為國家發(fā)展的重要能源，但目前國家對能源的需求仍以煤炭資源為主，提升高所開采煤礦的質(zhì)量已成為促進國家快速發(fā)展的重要工作[1]。而選煤弧形篩則是提高煤礦質(zhì)量的重要設備，在保障煤礦質(zhì)量及利用率方面起動了決定性作用。篩板弧形座作為選煤弧形篩中的關鍵部件，由于其經(jīng)常處于長時間作業(yè)狀態(tài)，加上所承受的物料經(jīng)常處于超負荷狀態(tài)，導致篩板弧形座的局部區(qū)域出現(xiàn)了疲勞破壞現(xiàn)象，直接導致了設備工作效率及企業(yè)經(jīng)濟效益的降低[2]。因此，采用了虛擬仿真技術，通過建立篩板弧形座的仿真模型，開展了其結構的應力變化及疲勞壽命分析，并對其結構改進的效果進行了分析，這為提高篩板弧形座的結構強度、降低設備故障概率具有重要作用。

1 選煤弧形篩工作原理分析

以VSB3020 型選煤弧形篩為例，其結構主要包括篩板弧形座、篩箱、減振彈簧、振動電機等部件組成，通過振動電機的振動，帶動篩板弧形座和篩面等部件的相互諧振，實現(xiàn)對煤礦中煤泥水的分離回收[3]。其中，篩板弧形座是弧形篩的重要部件，主要通過上下兩端與振動器連接，中間振動桿與彈簧連接，同時，在其中間分布著5 個楔子柱，實現(xiàn)對篩板與弧形座的固定連接。而篩板則主要負責對煤泥水進行過濾，過濾后的煤泥水流至底板上，并從煤板上卸口排出[4]。整套設備的工作原理為：設備啟動后，帶有顆粒的煤粒進入篩板，通過不同孔徑的小孔進行不同粒徑的煤石分層，遠離篩板的煤粒流動速度快，靠近篩板的煤粒速度慢，不同流動速度的煤粒在離心力作用下分別從篩縫中流出；同時，當弧形篩出現(xiàn)堵塞時，在振動電機作用下，帶動篩板弧形座產(chǎn)生諧振，以此實現(xiàn)堵塞的煤?？焖俚袈洌行Х乐沽嘶⌒魏Y發(fā)生嚴重堵塞現(xiàn)象[5]。VSB3020 型選煤弧形篩的結構示意圖如圖1 所示。

2 篩板弧形座結構模型建立

2.1 三維模型建立

根據(jù)選煤弧形篩的結構特點，以VSB3020 型篩板弧形座實際的結構尺寸，采用Solidworks 軟件，對其進行了三維模型建立。在建模過程中，由于上下兩端的螺栓孔主要與振動器進行連接，為篩板弧形座結構中的關鍵特征，故對此4 個螺栓孔進行了特征保留，而結構中的其他較小圓孔、圓弧及倒角則進行了特征簡化，由此，建立了篩板弧形座的三維模型圖，如圖2 所示。

圖1 選煤弧形篩結構示意圖

圖2 篩板弧形座三維模型圖

2.2 仿真模型建立

結合建立的三維篩板弧形座結構模型圖，將其導入至ABAQUS 軟件中，對其進行了強度分析模型建立。由于篩板弧形座實際材料為Q235 材料[6]，故在軟件中對其進行了Q235 材料設置，其材料主要物理參數(shù)如表1 所示。同時，根據(jù)篩板弧形座的結構特點，對其進行了四面體實體單元設置，網(wǎng)格大小設置為10mm，網(wǎng)格單元為15458 個，仿真時間設置為2s，其網(wǎng)格劃分圖如圖3 所示。另外，由于篩板弧形座主要承受著來自振動電機的振動力和自身重力作用，故對其施加了重力加速度9.8g/s2。并對上下兩端的4 個螺栓孔進行了彈性約束，以使仿真模型與實際工作狀態(tài)基本吻合。由此，完成篩板弧形座的仿真模型建立。

表1 篩板弧形座材料性能參數(shù)

圖3 篩板弧形座網(wǎng)格劃分圖

3 篩板弧形座結構性能分析

3.1 應力變化分析

結合建立的篩板弧形座仿真模型，對其結構性能開展了仿真分析研究。得到了其應力變化圖，如圖4所示。由圖可知，篩板弧形座整體結構的應力集中現(xiàn)象并不明顯，絕大部分區(qū)域的應力值均相對較?。磮D中藍色區(qū)域），而最大應力主要集中在上下兩端的4 個螺栓孔處以及與中部振動桿連接處（即圖中亮色區(qū)域），最大應力值220.5MPa，已相當接近篩板弧形座結構的屈服強度。篩板弧形座在長期及惡劣環(huán)境下工作，極容易在此應力集中部位率先發(fā)生結構斷裂或疲勞失效現(xiàn)象，成為整個結構中的薄弱部位。故應對其結構進行結構加強改進，以此保證篩板弧形座的結構安全。

3.2 篩板弧形座疲勞壽命分析

通過仿真分析，也得到了篩板弧形座在25Hz 工作頻率下的疲勞壽命結果，其疲勞壽命云圖如圖5 所示。圖中，不同顏色及數(shù)值代表篩板弧形座疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)，數(shù)值越小，代表結構的壽命越短，越容易發(fā)生疲勞失效問題。由圖可知，篩板弧形座整體結構的最小疲勞壽命循環(huán)次數(shù)為9.439×106次，主要集中在結構上下兩端的4 個螺栓孔處，而由于本次仿真時間為2s，工作頻率為25Hz，故螺栓孔處的最終最循環(huán)次數(shù)為2×25×9.439×106=4.72×108次，未達到振動篩要求循環(huán)次數(shù)至少達到109次標準，由此，該螺栓處在同樣工作條件下，會更容易率先發(fā)生疲勞失效現(xiàn)象，此結論也與前文的應力分析結論基本一致。另外，篩板弧形座中的振動桿連接處及其他部分雖循環(huán)次數(shù)相對較高，但在其長期使用過程中，也容易發(fā)生疲勞破壞，也應該隨時關注其結構的使用情況。

4 篩板弧形座的改進應用分析

結合前文對篩板弧形座結構應力及疲勞壽命的分析研究，得出其上下兩端的4 個螺栓孔及中部振動桿為整個結構的薄弱部位，在使用中更容易發(fā)生結構破壞或疲勞失效現(xiàn)象，故需對其結構進行改進設計，具體如下：

1）在篩板弧形座結構特點基礎上，將山下兩端的4 個螺栓孔處結構進行加厚，厚度整體增加2mm，并并對螺栓孔周邊的直角進行圓弧過渡，以加強其結構的整體強度；

2）對篩板弧形座中的振動桿處進行焊接加強，將其焊縫高度增加至6～7mm，同時，在振動桿內(nèi)側連接處焊接2mm 加強塊，保證振動桿連接處的應力集中；

3） 將篩板弧形座的結構材料為結構強度更高的Q345 材料，必要的時候可對結構中的關鍵部位進行調(diào)質(zhì)或淬火處理，以此提高其結構強度；

4）加大對篩板弧形座結構的定期巡檢，針對其結構出現(xiàn)變形過大或開裂等問題時，及時采取措施進行維修。

在完成篩板弧形座的結構改進后，為進一步驗證其結構性能，將其再次安裝在VSB3020 型弧形篩設備中進行了將近5 個月的應用驗證。篩板弧形座實際運行中，整體結構基本未出現(xiàn)變形，且4 個螺栓處基本也未出現(xiàn)結構明顯的變形或開裂現(xiàn)象，弧形篩因篩板弧形座出現(xiàn)故障而導致的設備停機現(xiàn)象也同比降低了80%，在此5 個月時間內(nèi)間接給企業(yè)減少了約8萬元的費用支出。由此可說明，改進后的篩板弧形座具有更高的結構強度和使用壽命，能更好的滿足弧形篩的使用需求，驗證了此結構具有較高的可行性。

5 結 論

目前，對結構變形規(guī)律的掌握，除了利用試驗方法進行分析研究外，采用虛擬仿真技術的方法，已成為當下較小成為分析設備結構性能的重要工具。因此，以選煤弧形篩工作原理分析為基礎，通過建立篩板弧形座結構仿真模型，開展了其結構的結構特性研究，找到了其結構中的4 個螺栓孔、中部振動桿處為整個結構的薄弱部位，極容易發(fā)生結構疲勞失效問題，由此對篩板弧形座進行了改進設計和應用驗證，結果表明，改進后的篩板弧形座具有更好的結構性能，對降低弧形篩設備的故障率及減少企業(yè)的經(jīng)濟費用支出起到重要作用，也為后期開展篩板弧形座的進一步優(yōu)化改進提供了重要參考。