選煤機弧形篩動力特性研究

張 強

（山西汾西礦業(yè)集團雙柳煤礦洗煤廠， 山西 柳林 033300）

引言

弧形篩是選煤機零部件中承受動載荷最大、運行時間最長的。在選煤過程中，弧形帶一直承受著大量散裝物料的重力載荷，同時為防止篩縫堵塞，篩面弧形座和篩面在振動電機作用下承受很大的交變激振力的作用。在此力學(xué)環(huán)境下，選煤機弧形篩極易出現(xiàn)疲勞破壞現(xiàn)象，嚴重影響了選煤機的正常運轉(zhuǎn)[1]。

選煤機弧形篩由振動電機、弧形座、物料篩箱和隔振彈簧等零部件組成，其工作原理為篩箱可以正常脫水脫介時，煤炭和水的混合介質(zhì)通過篩面進行分離。當篩箱的篩面發(fā)生堵塞時，通過激振電機的小功率激振，使弧形篩產(chǎn)生諧振，從而使堵塞物在大強度振動作用下掉落。選煤機弧形篩原理圖如圖1所示。

圖1 弧形篩原理圖

1 選煤機弧形篩模態(tài)分析

模態(tài)分析以振動理論相關(guān)知識作為基礎(chǔ)，獲取系統(tǒng)的固有頻率、振型及阻尼比。通過對選煤機篩板弧形座的模態(tài)分析，可以得到弧形座各階固有頻率及其振型，并從中選出最為合理的固有頻率和振型[2]。

動力學(xué)分析是有限元分析中一項重要且較成熟的分析模塊。本文中采用ANSYS有限元軟件進行弧形篩模態(tài)分析。

1.1 弧形篩三維模型的建立

本文采用Pro/E建立弧形篩篩箱及弧形座的三維實體模型，并將其材料賦為Q235，其模型及材料參數(shù)如圖2、圖3及表1。

圖2 篩箱

圖3 弧形座

表1 Q235材料屬性

1.2 弧形篩模態(tài)仿真

1.2.1 網(wǎng)格劃分

將實體單元賦予材料后進行必要的簡化，用SOLID186實體單元進行網(wǎng)格劃分，采用自動劃分方式，得到有限元模型如圖4所示。

網(wǎng)格劃分結(jié)果為138 506個四面體單元。

1.2.2 約束及載荷加載

根據(jù)選煤機弧形篩安裝實際工況對弧形篩進行約束，并施加重力載荷，其約束及載荷簡圖如圖5所示。

1.2.3 求解及結(jié)果分析

圖4 弧形座有限元模型

圖5 弧形座約束簡圖

對上述模型進行求解，得到弧形座前十階固有頻率及其振型如表2及圖6所示。

表2 前十階固有頻率及其振型

根據(jù)上述模態(tài)分析可知，弧形篩三階模態(tài)振型為篩板弧形座整體的彎曲振動，且其振動方向為選煤機工作時所需方向。因此，可通過此結(jié)果調(diào)整激振電機，將其振動頻率調(diào)整至26.133Hz或其附近，弧形篩將產(chǎn)生諧振，從而產(chǎn)生較大振幅。

2 選煤機弧形篩多體動力學(xué)分析

通過多體動力學(xué)仿真可以得到弧形篩振動情況及其受力情況，從而選出合適的激振電機激振頻率。

2.1 多體動力學(xué)模型建立

將前述簡化后的弧形篩三維模型導(dǎo)入到多體動力學(xué)軟件ADAMS，并通過仿真軟件賦予三維模型各部分材料屬性及約束關(guān)系，其中，激振電機與軸之間為旋轉(zhuǎn)約束，弧形座與固定支架間為固定約束。添加完各項約束關(guān)系后，選煤機弧形篩多體動力學(xué)模型如圖7所示。

圖6 弧形座前十階模態(tài)振型

圖7 弧形篩多體動力學(xué)模型

前述分析中，若將激振頻率選定在弧形座三階固有頻率附近，可得到期望的振型。因此，將激振電機的振動頻率取f=26 Hz，則電機偏心塊的轉(zhuǎn)速為n=26 r/s，其轉(zhuǎn)化為角速度為9 360 rad/s。

將上述參數(shù)通過STEP函數(shù)輸入到ADAMS中，繪制其轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示。

圖中，從0～1 s為激振電機啟動過程，轉(zhuǎn)速從0加速至26 r/s（9 360 rad/s）。激振電機正常工作時，電機轉(zhuǎn)速保持不變。激振電機9 s開始停機，1 s內(nèi)轉(zhuǎn)速降至0。

圖8 電機偏心塊轉(zhuǎn)速曲線

2.2 仿真結(jié)果及分析

仿真時間設(shè)置為10 s，通過上述模型進行仿真，分別得到弧形座及篩箱質(zhì)心的位移曲線如下頁圖9—12所示。

由圖9—12可以得出，弧形座和篩箱在激振電機穩(wěn)定工作狀態(tài)時等幅振動，弧形座x、y方向上的位移均為5mm；篩箱質(zhì)心處x、y方向上的位移均為0.4mm。弧形座的振動幅度大致為篩箱振幅的12.5倍，在有效利用弧形座振幅的同時，可最大限度地減小篩箱本身的振動幅度，避免篩箱的疲勞損壞。

圖9 弧形座x方向位移

圖10 弧形座y方向位移

3 結(jié)論

1）通過弧形篩模態(tài)分析，得出了選煤機弧形篩的前十階模態(tài)及其振型，為激振電機選型及電機頻率選擇提供理論依據(jù)；

2）由弧形篩動力特性分析，初步得出所建立模型下電機轉(zhuǎn)速選擇方法及其振動結(jié)論。同時為以后弧形篩動力選擇提供方法。

圖11 質(zhì)心處x方向位移

圖12 質(zhì)心處y方向位移