礦用直線振動篩結構故障分析

李棟， 劉躍， 王帥， 孟國營

(1.常州信息職業(yè)技術學院 智能裝備學院， 江蘇 常州 213164；2.清華大學 機械工程學院， 北京 100084；3.中國礦業(yè)大學(北京) 機電與信息工程學院， 北京 100083)

0 引言

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

目前煤礦現(xiàn)場對礦用設備的維護仍以人工定期維護為主，由于工作環(huán)境惡劣，同時受檢修人員操作水平制約，振動篩的部分結構故障難以及時有效地診斷并維修，造成一定安全隱患。針對振動篩的故障診斷問題，研究人員進行了一系列研究。劉初升等[2]利用系統(tǒng)自由振動響應的方法來識別振動篩彈簧故障。朱清慧[3]采用自回歸模型、主元分析和支持向量機相結合的方法，實現(xiàn)振動篩側(cè)幫裂紋小樣本故障診斷。張則榮等[4]以應變模態(tài)變化率構建評價指標，用于診斷振動篩大梁裂紋故障，并以此為基礎實現(xiàn)大梁剩余壽命預測。目前振動篩故障診斷研究多集中于故障識別方法的提出及試驗等，但在煤礦應用方面，特別是結合煤礦現(xiàn)場復雜情況的診斷應用研究較少。本文針對煤礦實際生產(chǎn)中振動篩的典型故障，結合有限元仿真技術與振動測試技術，實現(xiàn)對振動篩工作狀態(tài)的有效評估，分析振動篩潛在故障并給出維護建議。

1 振動篩主要結構及常見故障

1.1 振動篩主要結構

振動篩主要由篩箱、激振器、支撐裝置、傳動裝置等組成，其結構如圖1所示。振動篩篩箱主要由側(cè)板、底梁、篩面、加強梁等組成,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 振動篩常見故障

隨著振動篩不斷向大型化、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，同時篩分物料對篩箱有較強的沖擊力。振動篩長時間連續(xù)運行在惡劣的工作條件下，若現(xiàn)場維護不及時，將會出現(xiàn)多種故障。振動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、激振器故障等。

圖1 振動篩結構Fig.1 Structure of vibrating screen

對山西某礦選煤廠進行實地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該廠內(nèi)的一臺直線振動篩曾發(fā)生大梁斷裂故障，由于當時廠內(nèi)缺少備用配件，檢修人員對故障大梁進行焊接處理并繼續(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 振動篩斷裂大梁Fig.2 Broken beam of vibrating screen

2 振動篩三維建模及有限元模態(tài)分析

振動篩是典型的利用振動進行工作的機械設備，由于自身強振動的特點，導致裂紋等結構故障時有發(fā)生，所以需要了解振動篩工作時的振動情況。模態(tài)分析是研究結構振動特性的常用方法，是通過計算或試驗的方法獲取結構固有參數(shù)的過程。本文采用模態(tài)分析方法分析振動篩工作狀態(tài)，以了解其振動特性。

2.1 振動篩三維建模

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

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

2.2 振動篩有限元模態(tài)分析

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

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

進行有限元分析前，需要對振動篩各部分材料屬性進行定義，具體見表1。

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

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

2.3 有限元仿真結果分析

對于各階振型情況，查看各階頻率下的最大變形位置[6]。直線振動篩前10階固有頻率及最大變形發(fā)生處統(tǒng)計結果見表2。

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

表2 振動篩模態(tài)計算結果Table 2 Modal calculation results of vibrating screen

從表2可看出，不同的模態(tài)頻率對應振動篩不同的變形情況[7]。隨著模態(tài)階次的增加，振型的變化逐漸由移動轉(zhuǎn)為結構本身的扭曲變形。

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]進行測試。

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

(a) 激振器測點

(b) 側(cè)板測點

在振動篩空載狀態(tài)下，對振動篩開機-穩(wěn)定運行-停機的整個過程進行測試，得到4個通道的振動信號[9-10]。振動信號經(jīng)Matlab軟件處理后輸出時域波形，如圖7所示，其中g為重力加速度。

(a) 測點1

(b) 測點2

(c) 測點3

(d) 測點4

3.2 結果對比

對采集到的振動信號進行功率譜分析[11]，其功率譜密度如圖8所示。

(a) 測點1

(b) 測點2

(c) 測點3

(d) 測點4

根據(jù)圖8可以判斷該振動篩的工作頻率約為15.8 Hz[12]。

對比有限元模態(tài)分析結果與現(xiàn)場測試結果可看出：振動篩工作頻率(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，判斷振動篩在空載狀態(tài)下工作時存在近共振問題[13]。具體分析第8階模態(tài)振型發(fā)現(xiàn)，該階頻率下振動篩近入料端加強梁變形幅度最大，這與現(xiàn)場實際情況一致，可以判斷空載時頻繁運行振動篩是造成該位置梁斷裂的主要原因。因此，在日常維護過程中，應當盡量避免振動篩在空載或物料較少的狀態(tài)下長時間運行；同時，在振動篩投入使用前，應預先了解振動篩的工作狀態(tài)及可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，在該位置進行結構方面的加強處理或更換強度更高的配件；在日常的設備檢修過程中，將該薄弱環(huán)節(jié)作為重點檢查與維護的部位。通過上述措施，盡可能避免結構故障，保證振動篩可靠運行。

4 結語

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