熱礦直線振動(dòng)篩側(cè)板溫度均勻化的研究

范 靜

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦， 山西 霍州 031412）

引言

熱礦直線振動(dòng)篩需要在高溫下進(jìn)行工作，通常需要承受的溫度在700 ℃左右，在這樣的高溫環(huán)境下，側(cè)板的溫度也會(huì)相對較高，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，側(cè)板的最高溫度大約為300 ℃[1]。側(cè)板如果長時(shí)間處于這么高的工作溫度條件下，不僅會(huì)顯著降低其使用性能，同時(shí)也會(huì)嚴(yán)重縮短其使用壽命，不利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升[2]。因此，企業(yè)迫切需要對該問題開展研究和分析，進(jìn)而采取有效措施來降低側(cè)板的溫度及其溫度分布的均勻性。加大通風(fēng)量、進(jìn)行噴霧處理都是降低側(cè)板溫度的措施，但是效果卻不盡如人意[3]。本文作者結(jié)合具體情況，提出通過石棉板這一高效的隔熱材料來降低側(cè)板溫度的方案，同時(shí)通過設(shè)置不均勻的厚度來確保側(cè)板溫度和熱應(yīng)力分布的均勻性。

1 熱礦直線振動(dòng)篩的工作原理

熱礦直線振動(dòng)篩的主要構(gòu)成部分包括電機(jī)、激振器、篩箱、二次隔振底架等，激振器的運(yùn)行軌跡為直線。在該機(jī)器中，不管是側(cè)板還是篩箱，目前使用的材料均為耐熱不銹鋼，橫梁與側(cè)板直接相連[4]。篩板需要與高溫被工作對象進(jìn)行接觸，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器的溫度非常高，側(cè)板的溫度通常高達(dá)300 ℃。在本機(jī)構(gòu)中，有兩臺(tái)型號(hào)一模一樣的激振器，激振器的軸線通過振動(dòng)篩的重心，并且其連線的與水平方向成45°。兩臺(tái)激振器距離篩板的大小相同，每臺(tái)激振器分別由一臺(tái)單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，且兩臺(tái)電機(jī)需要保持同步，運(yùn)行時(shí)電機(jī)具有完全相同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，但是轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。這樣就保證了不管在何時(shí)，兩個(gè)偏心塊引起的離心力能夠完全抵消，但是在兩個(gè)激振器連線垂直方向上的分力能夠疊加，在激發(fā)振動(dòng)篩正常工作的同時(shí)，不至于引起整個(gè)機(jī)器的強(qiáng)烈震動(dòng)[5]。

2 熱礦直線振動(dòng)篩模型的建立

2.1 三維模型的建立

本文利用三維造型軟件對熱礦直線振動(dòng)篩進(jìn)行三維建模，為后續(xù)有限元分析奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。熱礦直線振動(dòng)篩主要參數(shù)指標(biāo)有：篩箱的長度、寬度和高度分別為7.5 m、3.1 m 和2.745 m，根據(jù)軟件可以自動(dòng)計(jì)算篩箱的質(zhì)量為13.7 t，安裝傾角為5°。

根據(jù)三維造型軟件可以自動(dòng)計(jì)算得到熱礦直線振動(dòng)篩的精確重心位置。由于激振器的安裝位置對整個(gè)機(jī)器的性能有直接影響，因此必須精確定位模型的重心位置。本文涉及的熱礦直線振動(dòng)篩其運(yùn)動(dòng)的軌跡為直線，通過上振式進(jìn)行工作，根據(jù)相關(guān)要求，需要在振動(dòng)篩重心的上部位置安裝激振器，同時(shí)還需要保障激振器產(chǎn)生的激振力通過重心位置。

2.2 模型導(dǎo)入和網(wǎng)格劃分

將前面利用三維造型軟件建立的熱礦振動(dòng)篩三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，然后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，本文選用Solid90 三維單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因?yàn)樵摲N類型的單元在計(jì)算時(shí)存在顯著的優(yōu)勢，有利于提升計(jì)算的精度和速度[6]。網(wǎng)格大小對計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果均存在顯著的影響。網(wǎng)格越大則總體網(wǎng)格數(shù)量越少，可以縮短模型計(jì)算的時(shí)間，但是得到的計(jì)算結(jié)果精度會(huì)受到限制。相反的，如果網(wǎng)格劃分越小，則總體網(wǎng)格數(shù)量越多，能夠得到更加精確的計(jì)算結(jié)果，但需要耗費(fèi)更長的計(jì)算時(shí)間。本文綜合考慮計(jì)算時(shí)間和結(jié)果精度要求，將網(wǎng)格數(shù)量控制在100 00 左右。下頁圖1 所示為熱礦直線振動(dòng)篩數(shù)值仿真模型。

2.3 材料屬性的設(shè)置

圖1 熱礦直線振動(dòng)篩數(shù)值仿真模型

本文在做仿真分析時(shí)，需要設(shè)置的材料屬性主要包括密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等。將該設(shè)備的材料密度設(shè)置為7 800 kg/m3，比熱容設(shè)置為460 J/（kg·K），側(cè)板（所用材料為12CrMo）和篩板導(dǎo)熱系數(shù)存在差異，且導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化發(fā)生變化，具體數(shù)據(jù)見表1。由表中數(shù)據(jù)可知，隨溫度升高，側(cè)板的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，而篩板和石棉板的導(dǎo)熱系數(shù)卻逐漸升高，這主要由材料屬性決定。其他初始條件和邊界條件按照真實(shí)的工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，保證模擬得到的結(jié)果能夠真實(shí)地反映具體情況。

表1 側(cè)板、篩板和石棉板導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化情況

3 熱礦直線振動(dòng)篩側(cè)板溫度場仿真分析

本文建立的模型側(cè)板厚度是2 cm，根據(jù)建立的數(shù)值模擬仿真模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到熱礦直線振動(dòng)篩側(cè)板溫度場和熱應(yīng)力的分布情況。如圖2 所示為仿真得到的側(cè)板溫度場分布情況。從圖中可以看出，整個(gè)側(cè)板的溫度分布非常不均勻，最小的溫度只有160.75 ℃，而最大溫度達(dá)到了329.937 ℃，最大溫度和最小溫度之間的差值達(dá)到了169.187 ℃。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，側(cè)板的中間區(qū)域和上部區(qū)域溫度普遍較高，且高溫區(qū)域面積相對較大。側(cè)板的溫度總體上呈現(xiàn)出兩側(cè)低中間高的分布態(tài)勢。另外，就整個(gè)熱礦直線振動(dòng)篩而言，最高溫度達(dá)到了727 ℃左右。

圖2 熱礦直線振動(dòng)篩側(cè)板溫度（℃）場分布情況

如圖3 所示為熱礦直線振動(dòng)篩側(cè)板熱應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，側(cè)板的熱應(yīng)力最大值和最小值分別為228 MPa 和4.56 MPa。熱應(yīng)力的分布態(tài)勢總體上與溫度場分布態(tài)勢類似，中間存在較大區(qū)域的熱應(yīng)力較高。與溫度場結(jié)果對比分析可知，與側(cè)板中間位置溫度相比較而言，與側(cè)板連接的小橫梁溫度相對較高，根據(jù)熱脹冷縮原理可知其熱膨脹量也要更大，導(dǎo)致在側(cè)板中間部分出現(xiàn)壓應(yīng)力，因此側(cè)板中間位置的熱應(yīng)力比較高。在高度方向，側(cè)板中上位置溫度較高，下部位置溫度較低，溫度差異也會(huì)導(dǎo)致熱膨脹量存在差異，最終導(dǎo)致側(cè)板下部位置出現(xiàn)了壓應(yīng)力，即圖中的下部位置熱應(yīng)力較高。

圖3 熱礦直線振動(dòng)篩側(cè)板熱應(yīng)力（Pa）分布情況

4 熱礦直線振動(dòng)篩側(cè)板溫度均勻化措施

側(cè)板溫度分布的不均勻?qū)е虏煌瑓^(qū)域的熱膨脹量存在差異，最終導(dǎo)致側(cè)板出現(xiàn)熱應(yīng)力，影響側(cè)板的性能及使用壽命，因此有必要采取措施對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。本文針對側(cè)板不同區(qū)域的厚度進(jìn)行優(yōu)化，并在不同位置設(shè)置石棉板，目的在于使側(cè)板的溫度均勻化，降低側(cè)板的熱應(yīng)力，提升其性能和延長使用壽命。具體措施為將側(cè)板的主體厚度設(shè)置為1 cm，在局部熱應(yīng)力比較集中的位置將厚度設(shè)置為3 cm，在整個(gè)側(cè)板表面鋪設(shè)一層石棉板，石棉板的厚度為1 cm，石棉板的導(dǎo)熱系數(shù)見表1。由表中數(shù)據(jù)可知，石棉板的導(dǎo)熱系數(shù)非常低，可以有效隔絕外部熱量導(dǎo)入側(cè)板，從而有效降低側(cè)板的溫度。在側(cè)板局部位置厚度增加的目的在于平衡掉熱應(yīng)力對側(cè)板力學(xué)性能的影響，提升側(cè)板服役的穩(wěn)定性。

如圖4 所示為優(yōu)化后的熱礦直線振動(dòng)篩側(cè)板溫度場分布情況。由圖可知，側(cè)板的最大溫度和最小溫度分別為135.304 ℃和64.128 ℃。最大溫度值與優(yōu)化前相比降低了近195 ℃，最小溫度值降低了96 ℃，可見本文設(shè)計(jì)的方案能夠顯著降低側(cè)板的溫度。另外，從圖中還可以看出，具有較高溫度的區(qū)域面積相對較小。

如下頁圖5 所示為優(yōu)化后的熱礦直線振動(dòng)篩側(cè)板熱應(yīng)力分布情況。由圖可知，側(cè)板的最大應(yīng)力和最小熱應(yīng)力分別為183 MPa 和0.872 MPa，熱應(yīng)力的分布仍然遵循兩端小中間大的態(tài)勢，但是與優(yōu)化前相比較而言，熱應(yīng)力的分布相對較為均勻，最大熱應(yīng)力和最小熱應(yīng)力均顯著降低。

圖4 優(yōu)化后的熱礦直線振動(dòng)篩側(cè)板溫度（℃）場分布情況

圖5 優(yōu)化后的熱礦直線振動(dòng)篩側(cè)板熱應(yīng)力（Pa）分布情況

5 結(jié)論

通過對熱礦直線振動(dòng)篩側(cè)板進(jìn)行了優(yōu)化提升，使其在使用過程中的溫度分布更加均勻，熱應(yīng)力也得到了顯著的改善。經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)后，側(cè)板的使用壽命得到了顯著提升，使用壽命至少延長了1 倍以上，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益，值得進(jìn)一步推廣使用。