大型弛張篩動(dòng)態(tài)特性分析

王 宏，陳志強(qiáng)

(1.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

目前，細(xì)粒級(jí)煤炭干法篩分是世界性難題，潮濕細(xì)顆粒物料互相粘結(jié)成團(tuán)、松散困難并且粘堵篩孔，這一直是國內(nèi)外篩分技術(shù)的難點(diǎn)[1]，弛張篩的出現(xiàn)和發(fā)展為解決這一問題提供了有效途徑。弛張篩是一種新型篩分設(shè)備，具有處理量大，篩分效率高等特點(diǎn)，特別是在高黏度、細(xì)粒度物料的篩分上優(yōu)勢(shì)明顯[2]。

弛張篩主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別為以自由振動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的弛張篩和以限制行程的偏心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的弛張篩[3]，前者的代表產(chǎn)品為美國的伯特利弛張篩、奧地利的賓得弛張篩和奧瑞(天津)工業(yè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的AFS馳張篩，后者代表產(chǎn)品則為德國海英·勒曼公司研制的第三代Liwell型弛張篩[4]。我國早期弛張篩是由鞍山礦山機(jī)械公司借鑒德國利威爾技術(shù)開發(fā)的CZS型雙曲柄弛張篩，但由于國內(nèi)生產(chǎn)的弛張篩的雙曲柄機(jī)構(gòu)的可靠性和篩面材料質(zhì)量問題等因素，至今未能得到推廣。以自由振動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的弛張篩經(jīng)過近年來的不斷研究，潮濕細(xì)粒粘性物料的篩分技術(shù)和弛張篩篩分技術(shù)有了很大的發(fā)展，弛張篩向著大型化、高效化和高可靠性的方向發(fā)展。近年來，弛張篩在許多洗煤廠已有所應(yīng)用，它的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)振動(dòng)篩在篩分領(lǐng)域的格局。但是目前國外弛張篩占據(jù)國內(nèi)大部分市場份額[5]，而我國對(duì)于弛張篩的研究起步較晚，在大型化和可靠性等方面相對(duì)落后，和進(jìn)口弛張篩差距較大，難以滿足選煤廠的需求。目前國內(nèi)對(duì)各類振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)特性研究很多，但是對(duì)弛張篩的動(dòng)態(tài)特性分析很少。采用有限元分析方法和動(dòng)應(yīng)力測試的方法，通過對(duì)弛張篩關(guān)鍵問題的研究，使弛張篩的整體結(jié)構(gòu)合理，提高弛張篩使用壽命和可靠性，設(shè)計(jì)出具有國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的弛張篩十分有意義。

1 弛張篩的結(jié)構(gòu)和工作原理

弛張篩結(jié)構(gòu)如圖1所示。弛張篩采用基本振動(dòng)和附加振動(dòng)的雙重振動(dòng)原理，基本振動(dòng)是由偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)，附加振動(dòng)是基本振動(dòng)帶動(dòng)產(chǎn)生的反向振動(dòng)[6]。兩個(gè)參振質(zhì)量以相同的頻率相對(duì)振動(dòng)，由于篩面兩端分別安裝在固定框和浮動(dòng)框架上，聚氨酯篩面連續(xù)不斷的擴(kuò)張、收縮，從而獲得較高的加速度。兩個(gè)參振質(zhì)量相對(duì)線性運(yùn)動(dòng)是可調(diào)的，可以根據(jù)篩分物料不同調(diào)整所有必要的參數(shù)[7]。

圖1 弛張篩結(jié)構(gòu)圖

2 弛張篩模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以通過有限元的方法取得，則稱為計(jì)算模態(tài)分析[8]。模態(tài)參數(shù)是力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的特征值和特征向量。通過模態(tài)分析掌握了結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)的主要特性，就能夠預(yù)測出結(jié)構(gòu)在某一頻率范圍內(nèi)受到外部或內(nèi)部激勵(lì)作用下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的重要方法。

2.1 有限元模型的建立

以FBVB3080型弛張篩為例，進(jìn)行數(shù)值模擬，在三維軟件中建立篩機(jī)的模型，然后導(dǎo)入有限元軟件中對(duì)篩箱進(jìn)行分析。對(duì)3D模型簡化處理，側(cè)板與橫梁、加強(qiáng)梁、驅(qū)動(dòng)梁及入料擋板之間的結(jié)合面采用線性接觸連接模擬；振動(dòng)器質(zhì)量采用質(zhì)量點(diǎn)模擬；篩機(jī)支座彈簧采用彈簧單元模擬。采用四面體及六面體單元對(duì)3D模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分單元數(shù)為665634，網(wǎng)格質(zhì)量數(shù)為7.37，有限元模型如圖1所示。

圖1 弛張篩數(shù)值模型

2.2 篩機(jī)模態(tài)分析結(jié)果

模型建立后，對(duì)篩機(jī)模態(tài)分析，設(shè)置最大提取模態(tài)階數(shù)為10，模態(tài)分析結(jié)果如圖2—11所示。

圖2 第一階振型

圖3 第二階振型

圖4 第三階振型

圖5 第四階振型

圖6 第五階振型

圖7 第六階振型

圖8 第七階振型

圖9 第八階振型

圖10 第九階振型

圖11 第十階振型

各種振型下的篩機(jī)形態(tài)分析見表1。

表1 篩機(jī)各階形態(tài)表

計(jì)算結(jié)果顯示，前3階的模態(tài)為剛體平動(dòng)，第4—7階模態(tài)為擺動(dòng)和翹動(dòng)，只有第8階條件下第二質(zhì)體才與第一質(zhì)體發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這正是目標(biāo)頻率范圍，而其他模態(tài)下兩個(gè)質(zhì)體是同向運(yùn)動(dòng)，不符合弛張篩的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

在此基礎(chǔ)上又對(duì)第8階15.138Hz附近的頻率進(jìn)行了大量的模擬分析，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在14Hz的條件下，固定篩框振幅為3.53mm，浮動(dòng)篩框振幅為16.57mm，符合弛張篩的振動(dòng)狀態(tài)的要求，從而得出了14Hz是最佳的工作頻率，如圖12所示。

圖12 14Hz下的振動(dòng)模態(tài)

3 弛張篩諧響應(yīng)分析

弛張篩在工作過程中，篩箱在箱式激振器產(chǎn)生的交變激振力的作用下，側(cè)板、驅(qū)動(dòng)梁等部件會(huì)產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力，動(dòng)應(yīng)力的數(shù)值及分布規(guī)律對(duì)篩機(jī)的可靠性有著至關(guān)重要的影響。因此，為提高設(shè)備可靠性，需要對(duì)篩機(jī)進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

3.1 載荷處理

弛張篩采用安裝在驅(qū)動(dòng)梁上的箱式激振器激振，激振器產(chǎn)生的激振力使篩機(jī)沿與水平面成一定角度方向上往復(fù)振動(dòng)。為了簡化計(jì)算，將激振器的質(zhì)量高為質(zhì)量點(diǎn)，同時(shí)將激振器各組偏心塊產(chǎn)生的最大激振力施加在驅(qū)動(dòng)梁上產(chǎn)激振器安裝板上。

3.2 諧響應(yīng)結(jié)果分析

在最佳工作頻率14Hz的條件下，對(duì)篩箱和驅(qū)動(dòng)梁進(jìn)行受力分析，如圖13、圖14所示。

圖13 篩箱受力分析

圖14 驅(qū)動(dòng)梁受力分析

由圖13可知，側(cè)板與驅(qū)動(dòng)梁聯(lián)接處的應(yīng)力較大，屬于應(yīng)力集中所致，最大達(dá)到10.413MPa，其余部位均小于5.3214MPa。側(cè)板與驅(qū)動(dòng)梁選用高強(qiáng)度低合金鋼板，屈服極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最大應(yīng)力，所以篩框強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求。由圖14可知，驅(qū)動(dòng)梁中間處以及法蘭處應(yīng)力值最大，達(dá)到8.105MPa，也遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，說明篩箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足篩機(jī)在交變載荷下長期工作。

4 弛張篩動(dòng)應(yīng)力測試

根據(jù)諧響應(yīng)分析的計(jì)算結(jié)果，采用動(dòng)靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng)[9]，通過信號(hào)采集和軟件分析來獲取振動(dòng)篩篩框上的響應(yīng)情況。在篩機(jī)應(yīng)力值較大的部位布點(diǎn)，測試在空載狀態(tài)下各點(diǎn)的應(yīng)力值[10]。測試選擇側(cè)板前、后支撐上部2個(gè)點(diǎn)，出料端第1根橫梁中部，驅(qū)動(dòng)梁中部，加強(qiáng)梁中部，后擋板中部等6個(gè)點(diǎn)的測試結(jié)果進(jìn)行分析，測試結(jié)果計(jì)算機(jī)上讀取并整理數(shù)據(jù)見表2。

表2 測試主應(yīng)力和效應(yīng)力值

由表2可知，二者頻率基本一致，模擬值略大于實(shí)測模態(tài)結(jié)構(gòu)。各部位的實(shí)測等效應(yīng)力值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值；實(shí)測等效應(yīng)力值與模態(tài)分析計(jì)算的結(jié)果相比，有一定的誤差，但誤差值滿足弛張篩動(dòng)應(yīng)力測試的要求。

5 結(jié) 論

1)利用有限元軟件，建立弛張篩的有限元模型，對(duì)其分別進(jìn)行模態(tài)分析和應(yīng)力分析，找到篩機(jī)合適的工作頻率，得到篩機(jī)上各部位應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律。

2)有限元分析和動(dòng)應(yīng)力測試同時(shí)表明篩框動(dòng)應(yīng)力小于許用應(yīng)力，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的合理性，為弛張篩優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

3)動(dòng)力應(yīng)力測試儀器與有限元分析對(duì)比結(jié)果基本接近，驗(yàn)證了這兩種方法的可靠性。