李 楠
(山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司, 山西 長(zhǎng)治 046100)
選煤弧形篩是對(duì)泥煤進(jìn)行預(yù)先處理及回收泥煤的設(shè)備,在使用過(guò)程中,通過(guò)電機(jī)振動(dòng)的作用,篩板弧形座與篩面組成的諧振機(jī)構(gòu)能夠避免篩縫的堵塞,提高弧形篩的脫介、脫水性能[1]。長(zhǎng)期承受交變載荷及泥煤沖擊的作用下,篩板弧形座的結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生疲勞破壞,對(duì)泥煤篩選的效率造成影響。采用數(shù)值仿真的形式在弧形座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行分析,有助于對(duì)弧形底座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2],對(duì)弧形篩疲勞研究提供了基礎(chǔ),提高了選煤弧形篩的可靠性。
弧形篩在泥煤的篩選中被廣泛應(yīng)用,VSB302060選煤弧形篩的結(jié)構(gòu)組成主要包括篩箱、篩板弧形座、振動(dòng)電機(jī)及隔振彈簧。篩箱是選煤弧形篩的承載部件,煤泥混合物在篩箱內(nèi)受到振動(dòng)作用[3],通過(guò)篩板沿著底板流動(dòng),通過(guò)出煤板上的卸口排出。篩板弧形座是主要的參振部件,通過(guò)減震器與篩箱連接,另一端通過(guò)振動(dòng)桿與振動(dòng)電機(jī)相連接,通過(guò)振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的激振力,篩板產(chǎn)生振動(dòng)進(jìn)行選煤[4]。振動(dòng)電機(jī)通過(guò)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生離心力來(lái)提供激振力,能夠依據(jù)選煤作業(yè)的需要進(jìn)行激振力的調(diào)整。
選煤弧形篩在工作過(guò)程中,泥煤混合物顆粒在進(jìn)入篩板后,沿著弧形篩的弧度進(jìn)行輸送,其中的不同顆粒在重力作用下形成分層[5],靠近篩板的部分由于摩擦作用使得流動(dòng)速度降低出現(xiàn)速度差,在離心力的作用下,細(xì)小的顆粒通過(guò)篩縫流出,而顆粒較大的煤矸等顆粒落在篩板上層,完成煤泥的洗選過(guò)程[6]。篩板弧形座和篩箱之間結(jié)構(gòu)可以讓篩板產(chǎn)生較大的諧振作用,減小篩面的堵塞率,提高選煤作業(yè)的可靠性。
以篩板弧形篩的靜力學(xué)分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行疲勞壽命分析,首先采用Creo 三維建模軟件進(jìn)行篩板弧形座模型的建立,對(duì)弧形座的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理,將建好的三維模型以igs 格式導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 中。
篩板弧形座的材料為Q235A,其彈性模量為212 GPa,泊松比為0.288,屈服強(qiáng)度為235 MPa,對(duì)篩板弧形座進(jìn)行材質(zhì)參數(shù)的設(shè)定[7]。由于篩板弧形座的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,在ANSYS 中采用自由網(wǎng)格的形式選用SOLID186 實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理,得到篩板弧形座的網(wǎng)格劃分模型如圖1 所示,共計(jì)得到147 800個(gè)單元、236 410 個(gè)節(jié)點(diǎn)。
圖1 篩板弧形座網(wǎng)格劃分模型
篩板弧形座與篩箱之間通過(guò)減震器進(jìn)行連接,篩板弧形座上與減震器連接的位置采用彈性約束,建立螺栓孔的內(nèi)部中心節(jié)點(diǎn)[8],將螺栓孔內(nèi)表面的節(jié)點(diǎn)耦合到中心點(diǎn)處,沿著螺栓孔的軸線方向建立一個(gè)外節(jié)點(diǎn),兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間采用彈簧- 阻尼單元的形式建立彈性約束,從而實(shí)現(xiàn)篩板弧形座的彈性約束。在外節(jié)點(diǎn)的位置施加固定約束,從而完成分析模型的邊界條件設(shè)定。
篩板弧形座在工作過(guò)程中,主要受到重力作用及振動(dòng)電機(jī)的作用力,通過(guò)施加重力加速度的形式施加重力作用[9],振動(dòng)電機(jī)的作用通過(guò)彈簧單元的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,由此進(jìn)行篩板弧形座的靜力學(xué)分析。
對(duì)篩板弧形座完成邊界條件對(duì)設(shè)定及載荷加載,對(duì)其進(jìn)行求解后處理,得到篩板弧形座的應(yīng)力分布如圖2 所示。從圖2 中可以看出,篩板弧形座受到的應(yīng)力主要集中在與減震器相連接的螺栓孔位置處,最大的應(yīng)力值為20.1 MPa,振動(dòng)桿與篩板弧形座連接位置處受到的應(yīng)力作用也較大,但整體的應(yīng)力值相對(duì)材料的屈服極限235 MPa 較小,篩板弧形座的靜力學(xué)強(qiáng)度滿足使用要求。
圖2 篩板弧形座應(yīng)力(MPa)分布云圖
篩板弧形座的疲勞研究是針對(duì)弧形座的結(jié)構(gòu)在承載時(shí)的強(qiáng)度情況及應(yīng)力與壽命之間的關(guān)系,疲勞壽命指在弧形座破壞之前能夠承受的循環(huán)載荷的作用次數(shù)或時(shí)間[10],弧形座的工作條件、零件狀態(tài)及材料性質(zhì)是影響疲勞壽命的主要因素。
材料的S-N 曲線描述所施加的應(yīng)力S 和弧形座疲勞壽命N 之間的關(guān)系,篩板弧形座的材料為Q235A,依據(jù)相關(guān)研究Q235A 材料的S-N 曲線如圖3所示。
圖3 Q235A 材料的S-N 曲線
DesignLife 是進(jìn)行疲勞分析的專(zhuān)業(yè)軟件,擁有豐富的材料庫(kù)及強(qiáng)大的參數(shù)定義功能,以有限元分析為基礎(chǔ),采用圖形化的操作進(jìn)行疲勞壽命的分析計(jì)算。在DesignLife 軟件中拖入篩板弧形座的循環(huán)載荷、有限元分析結(jié)果、材料的疲勞性能,由此即可進(jìn)行疲勞壽命的分析。
在S-N 分析模塊中,對(duì)材料屬性和載荷屬性的設(shè)置是重要的步驟,通過(guò)屬性設(shè)置將篩板弧形座靜力學(xué)分析的結(jié)果和載荷時(shí)間的歷程相匹配,生成一時(shí)間為變量的應(yīng)力張量,兩者之間通過(guò)式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換:
式中,σ(ijt)為以時(shí)間為變量的應(yīng)力張量;P(kt)為輸入的載荷譜;ScaleFactork為縮放因子;Offsetk為載荷偏移量;σij,k為靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果中的應(yīng)力;Dividerk為名義化因子;k 為不同的載荷步。
綜合有限元分析的結(jié)果、載荷作用時(shí)間為8 s 及材料的S-N 曲線,采用Miner 法則進(jìn)行篩板弧形座的疲勞壽命計(jì)算,得到弧形座的疲勞壽命云圖如圖4 所示。
圖4 篩板弧形座的疲勞壽命云圖
從圖4 中可以看出,篩板弧形座在與減震器連接的螺栓孔位置最容易產(chǎn)生疲勞破壞,其疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)為9.439×106次,在工作頻率為26 Hz 的工況下,篩板弧形座的疲勞壽命為9.439×106×8×26=1.963×109次。依據(jù)振動(dòng)篩使用的疲勞極限需達(dá)到109次的標(biāo)準(zhǔn),則篩板弧形座的壽命滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí),將篩板弧形座的疲勞壽命分析結(jié)果與靜力學(xué)分析結(jié)果相比,篩板弧形座上容易出現(xiàn)疲勞破壞的位置與靜力學(xué)分析應(yīng)力集中的位置基本保持一致,即應(yīng)力集中容易造成篩板弧形座的疲勞破壞。在篩板弧形座的中間位置處,靜力學(xué)分析受到的應(yīng)力作用較小,同樣疲勞壽命也較短,這說(shuō)明在滿足靜力學(xué)要求的弧形座結(jié)構(gòu)中,也存在這產(chǎn)生疲勞破壞的可能,可據(jù)此對(duì)篩板弧形座的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,提高中間位置的疲勞壽命。
選煤弧形篩是進(jìn)行煤炭洗選的重要設(shè)備,對(duì)煤炭洗選的脫水、脫介具有良好的性能,通過(guò)諧振作用能夠有效降低篩面的堵塞率。在工作過(guò)程中,篩板弧形座受到交變載荷的作用容易產(chǎn)生疲勞損壞,影響選煤過(guò)程的進(jìn)行。針對(duì)篩板弧形座進(jìn)行疲勞壽命分析,建立有限元分析模型,分析其靜力學(xué)應(yīng)力分布,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞壽命的分析。
分析結(jié)果表明:篩板弧形座的整體應(yīng)力分布較小,滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需求,疲勞壽命的次數(shù)滿足振動(dòng)篩使用的疲勞極限。在靜力學(xué)分析中應(yīng)力集中的連接螺栓孔位置處是最容易產(chǎn)生疲勞破壞的位置,同時(shí),在篩板弧形座的中間位置疲勞壽命也較短。