新景煤礦振動(dòng)篩篩煤的動(dòng)態(tài)影響研究

2024-01-11 11:03:34聶首維

現(xiàn)代礦業(yè) 2023年11期

聶首維

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司）

選煤是潔凈煤利用的前提，也是潔凈煤技術(shù)中最經(jīng)濟(jì)有效的方法［1］。篩分是選煤中不可缺少的操作，振動(dòng)篩可能承受由激振器引發(fā)的強(qiáng)烈激振載荷、篩體結(jié)構(gòu)的慣性載荷和篩分煤體的沖擊載荷組成的耦合載荷，這些載荷往往誘發(fā)梁斷裂或側(cè)板裂紋等結(jié)構(gòu)損傷，使其難以滿足生產(chǎn)要求［2］。

大型振動(dòng)篩合理的機(jī)械設(shè)計(jì)是保證振動(dòng)篩安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，通常振動(dòng)篩是基于線性單自由度或非耦合的2 種自由度振動(dòng)模型設(shè)計(jì)的［3］。傳統(tǒng)振動(dòng)模型的機(jī)械設(shè)計(jì)主要針對(duì)空載運(yùn)行，設(shè)計(jì)的篩分能力未考慮在振動(dòng)質(zhì)量?jī)?nèi)，給煤—輸送—分層—通過篩面的動(dòng)態(tài)相互作用未計(jì)入微分方程右邊的載荷項(xiàng)，故傳統(tǒng)的振動(dòng)模型并不是絕對(duì)準(zhǔn)確的［4］。

在振動(dòng)篩的工藝設(shè)計(jì)方面，可以用虛擬試驗(yàn)代替物理試驗(yàn)，以降低試驗(yàn)成本，提高試驗(yàn)效率［5-6］，篩分過程的影響可以通過篩體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)來反映，因此本文將對(duì)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)應(yīng)變等動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行捕捉和評(píng)價(jià)。

1 振動(dòng)篩篩煤裝置

該研究在CWKS1218 型振動(dòng)篩上進(jìn)行振動(dòng)和應(yīng)變測(cè)試（圖1），該振動(dòng)篩是一種偏心塊自同步直線振動(dòng)篩，具有單組超靜定網(wǎng)梁，振動(dòng)方向角為45°，激振器的最大激振力和角速度分別為66 340 N 和32.5π rad/s（即16.25 Hz），減振系統(tǒng)在豎直方向的剛度系數(shù)為600.0 kN/m，整個(gè)篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)質(zhì)量為1 565.0 kg，篩面由方格網(wǎng)狀孔組成，孔徑尺寸為20.0 mm×20.0 mm，篩分能力為15.0～30.0 t/h，篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)在空載運(yùn)行時(shí)的理論豎向加速度幅值為31.12 m/s2（根據(jù)sdof振動(dòng)理論獲得）。

如圖1所示，使用了4個(gè)ICP 加速度傳感器，記為L(zhǎng)a1/Ra1 和La2/Ra2，其中L 和R 分別指振動(dòng)篩沿煤流方向的左、右側(cè)板，編號(hào)代表測(cè)點(diǎn)，這些傳感器的測(cè)量范圍均為0～490 m/s2，分辨率為0.002 m/s2，頻率響應(yīng)范圍為0.5～8.0 kHz。將它們固定在與支承梁相連的側(cè)板的水平邊緣上，以測(cè)試篩分結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值。由于篩體結(jié)構(gòu)的彈性變形固有頻率是為了避開激振頻率，即CWKS1218 型振動(dòng)篩的16.25 Hz，因此篩體結(jié)構(gòu)完全為剛體，其振動(dòng)加速度處處相同。將6個(gè)應(yīng)變片（記為L(zhǎng)s1～Ls3和Rs1～Rs3）分為3組，即Ls1/Rs1組、Ls2/Rs2組和Ls3/Rs3組，分別黏貼在承載梁左右兩端安裝的側(cè)板上，每組中2次測(cè)試值的平均值用于后續(xù)的應(yīng)變分析，且這些應(yīng)變片的切屑方向均與振動(dòng)方向相同。該研究通過數(shù)據(jù)采集儀（INV3060A）和應(yīng)變處理儀（INV1861A）分別以5 120 Hz的采樣頻率采集加速度和應(yīng)變信號(hào)（2種信號(hào)同時(shí)采集），然后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，并通過數(shù)據(jù)測(cè)試軟件（DASP-V10工程版）進(jìn)行分析。

試驗(yàn)篩分煤樣取自新景煤礦，分別測(cè)試篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)在空載運(yùn)行和篩分過程中的振動(dòng)和應(yīng)變。由于篩分能力影響篩面上的煤量，故只考慮煤質(zhì)特性的篩分能力，在1 次篩分過程中，篩分能力為15.75 t/h；在其他煤種篩分過程中，篩分能力為17.79 t/h。

為了更直觀地預(yù)測(cè)煤體材料確實(shí)會(huì)引起附加結(jié)構(gòu)應(yīng)力，采用DEM 方法模擬篩分過程，同時(shí)采用有限元方法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）對(duì)煤體運(yùn)動(dòng)引起的篩分結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析。該分析方法基于2 種軟件的通信接口，可將篩分煤體產(chǎn)生的載荷通過DEM 提取并作為破碎輸入到篩面進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。隨著煤從入料端向篩面出料端移動(dòng)，煤量覆蓋范圍擴(kuò)大，對(duì)篩面造成變沖擊。篩分過程及受力演示見圖2。

由圖2（d）、（e）、（f）可見，篩面應(yīng)力逐漸增大，篩體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力也隨之產(chǎn)生并不斷增大；定性上，當(dāng)煤料開始落入篩面上時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要位于篩面上，應(yīng)力云圖中的下側(cè)板方向；煤料沿篩分面運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加，因此在圖2（d）的側(cè)板中出現(xiàn)了一些代表較大結(jié)構(gòu)應(yīng)力的區(qū)域；在圖2（f）中，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨煤料不斷上升，覆蓋了整個(gè)篩分表面。

2 振動(dòng)篩篩煤的動(dòng)態(tài)影響

2.1 振動(dòng)增強(qiáng)

Ra1 和La1 在空載和篩煤工況下的加速度信號(hào)對(duì)比見圖3。

由圖3 可見，空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)震動(dòng)下運(yùn)行平穩(wěn)，2 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的信號(hào)幾乎完全一致；但是空載運(yùn)行和篩分過程中，在穩(wěn)態(tài)篩分過程中，煤炭覆蓋在篩面上并有振動(dòng)增加；隨著煤塊通過篩面或遠(yuǎn)離篩面，即篩分過程的逐漸終止，篩面上的煤塊數(shù)量減少，篩體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)增強(qiáng)減弱，回到空載狀態(tài)。

在空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和篩分穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的信號(hào)中，提取了時(shí)間間隔為0.4 s 的部分信號(hào)進(jìn)行分析。如圖3所示，空載運(yùn)行時(shí)，通過對(duì)圖3的信號(hào)進(jìn)行濾波，加速度幅值為32.35 m/s2，與理論值接近；比較來自Ra1 和La1 的2 個(gè)加速度信號(hào)，可明顯發(fā)現(xiàn)加速度信號(hào)的變化過程幾乎是相同的，不同之處在于存在高頻但幅度較低的噪聲信號(hào)。實(shí)際上，在空載情況下，當(dāng)對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行濾波以消除噪聲時(shí)，兩者都屬于一種諧波信號(hào)，雖然2 個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)稱放置在承載梁的兩端，但制造誤差可能導(dǎo)致篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)?？梢缘贸觯瑏碜訰a1 和La1 的2 個(gè)加速度信號(hào)可能具有不同的幅值，這種差異在空載工況下非常小，但在篩分過程中非常明顯，且篩分條件不具有規(guī)律性，而具有隨機(jī)性，這是由于篩分過程中煤粒在篩面上的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)造成的。

通過測(cè)量試驗(yàn)過程中每組測(cè)試位置的2 次捕獲值的平均值，來討論支承梁兩端連接的側(cè)板上位置的動(dòng)力學(xué)情況。篩分能力為15.75 t/h 的空負(fù)荷工況和煤篩分工況下Ls3/Rs3處應(yīng)變信號(hào)對(duì)比見圖4。

由圖4 可見，空載運(yùn)行時(shí)，最大應(yīng)變值為13.52 με；當(dāng)篩煤量為15.75 t/h 時(shí)，最大應(yīng)變值為15.52 με，提高了14.79%；篩分煤體增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)應(yīng)變，進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的可能性。

針對(duì)空載運(yùn)行和篩分過程，將整體信號(hào)劃分為若干個(gè)分段，計(jì)算出每個(gè)分段的振幅，然后與該分段的初始時(shí)刻相對(duì)應(yīng)，最后繪制時(shí)幅曲線圖，定性分析應(yīng)變值隨時(shí)間的變化關(guān)系（圖5、圖6）。

由圖5、圖6 可見，各測(cè)點(diǎn)均存在應(yīng)變波動(dòng)，Ls3/Rs3（靠近進(jìn)料端）處的應(yīng)變值始終最大，而Ls2/Rs2（緊鄰激勵(lì)位置）處的應(yīng)變值近似最小，與慣性力相比，彎曲振動(dòng)引起的彎矩可以忽略不計(jì)。如圖4 所示，當(dāng)考慮篩分過程的影響時(shí)，篩分結(jié)構(gòu)的平動(dòng)加速度增大，使得承重梁的振動(dòng)加快，因此相應(yīng)位置的應(yīng)變值也增大。一般來說，制造精度不能保證振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)，附加的擺振會(huì)導(dǎo)致在出料端或入料端下方的位置產(chǎn)生比激振端更強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)，所以前者的應(yīng)變值略高于后者。

2.2 隨機(jī)振動(dòng)

從結(jié)構(gòu)振動(dòng)的角度來看，如果篩分過程能夠通過隨機(jī)振動(dòng)的平穩(wěn)性檢驗(yàn)得到驗(yàn)證，則可以認(rèn)為篩分過程是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過程，這將對(duì)振動(dòng)分析有很大幫助。根據(jù)平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)理論，如果實(shí)測(cè)隨機(jī)振動(dòng)在時(shí)域輸出信號(hào)中的平均值波動(dòng)很小，信號(hào)的峰值變化形式相對(duì)統(tǒng)一，頻率成分相對(duì)一致以及在不同時(shí)刻從一個(gè)樣本記錄中測(cè)得的均方根值是相等的，則可以定性地將實(shí)測(cè)隨機(jī)振動(dòng)識(shí)別為平穩(wěn)的。由于目前采集卡的采樣頻率很高，采集的數(shù)據(jù)量很大，采用上述過程無法保證準(zhǔn)確的定性判斷。因此，在振動(dòng)篩的篩分過程中，引入圓檢測(cè)法（Rdm）對(duì)振動(dòng)篩時(shí)域振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)。

在篩分過程中發(fā)現(xiàn)了振動(dòng)結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)，根據(jù)平穩(wěn)性檢驗(yàn)方法，取篩分過程中測(cè)點(diǎn)Ra1 處豎直方向的振動(dòng)加速度信號(hào)作為樣本，對(duì)于t=10 s 和fs=5 120 Hz 的實(shí)際情況，將樣本劃分為n=32 個(gè)子樣本，然后利用公式計(jì)算各樣本的標(biāo)準(zhǔn)差和它們與所有標(biāo)準(zhǔn)差的中值之間的圓周關(guān)系ψ=14.816 m/s2，見圖7。圖7中實(shí)線表示每個(gè)子樣本的均方，點(diǎn)線表示所有子樣本標(biāo)準(zhǔn)差的中值。點(diǎn)劃線上方為第1 至第3 列的實(shí)線，點(diǎn)劃線下方為第4列的實(shí)線，則圓周時(shí)間為第1至第3 列和第4 至第2 列，由類比法推導(dǎo)出剩下的r=15；結(jié)果表明，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，振動(dòng)篩在篩分過程中的振動(dòng)可以看作是一種穩(wěn)定的隨機(jī)振動(dòng)。

3 結(jié) 論

（1）與空載作業(yè)相比，篩分過程中篩體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)增大?？紤]篩分過程后，篩分結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)的增大使結(jié)構(gòu)應(yīng)變值增大了14.79%，此外額外的擺動(dòng)振動(dòng)導(dǎo)致了在排料端和加料端下方的位置比激振位置有更大的應(yīng)變，如此大的結(jié)構(gòu)應(yīng)變提高了結(jié)構(gòu)破壞的可能性。