1、煤炭洗选中振动筛结构断裂的分析和优化蒋杰（大同芬雷洗选装备有限公司，山西大同037300）摘要：阐述了振动筛的基本结构，基于有限元软件对振动筛进行模型仿真建立并进行动力学、静力学分析，最终基于研究数据提出具体的优化措施，以期可以通过振动筛结构的优化，满足煤矿洗选方面的工作要求。关键词：煤炭洗选；振动筛；断裂；有限元中图分类号：TD452文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0118-020引言目前在煤矿生产中，直线振动筛得到了较为广泛的应用，促进了煤矿洗选方面的工作质量和效率。不过随着直线振动筛长时间高强度的工作，会出现不同程度的使用故障，一般为结构断裂引起的设备骤停。结
2、合结构断裂的端口看，并无明显的塑化变形痕迹。以此推断，结构断裂最初的裂纹较小，在持续扩张中难以被发现，只有在一定程度后结构裂纹快速扩张，在工作人员反应不及时下出现结构断裂，一般裂纹为张开型。为了提高振动筛的运转效率，有必要通过有限元分析软件对振动筛进行建模分析，在了解断裂频繁部位、特点和原因后，完成该设备的优化。1振动筛原理及结构分析以 ZK3048 直线振动筛为例，其在结构组成上主要由筛箱筛网、振动电机、传动装置、支撑组件和防尘盖等组成。在振动筛选的原理方面，振动激振器中有两个质量相同的偏心块，一块做同步和反向的转动，从而形成激振力，在任何时间里，两个质量相同的偏心块会在旋转作用产生离心力后
3、，形成合力。合力的方向和振动方向的力叠加，这样振动筛选机就可以做重复的直线运动。矿物物料会在振动作用下，呈 45角被抛出，并结合筛网对通过率进行控制，从而完成对矿物物料的分级、脱泥和脱介1。2模型建立和网格划分2.1模型确定模型建立使用 PRO/E 完成，在结合实际确定相关参数后，导入有限元分析软件完成模型建立。为了确保模型建立的有效性，需要对一些原则进行确定：第一，为便于计算，需要仅建立关键部件；第二，提高计算的效率，可以将小的零部件和一些结构进行简化处理，要本着对本次仿真无影响的前提进行简化；第三，要对载荷和边界条件进行明确，同时定义内零部件和外零部件的交界。结合以上原则，具体的简化方案有
4、以下特点：第一，需要将筛板简化，具体将其视为质量块并叠加在位置对应的横梁槽钢上；第二，需要将激振器简化，无视其内部的结构组成和零部件，同意将其看为质量点2。2.2边界条件明确和网格划分在边界条件明确中，具体有以下几点：第一，将加强板和筛选机的侧板进行钢化处理；第二，支撑底板可以完成对所有方向自由度的约束；第三，对筛选机和振动激振器的接触作钢化处理；第四，各零部件使用 MPC 算法进行连接。在网格划分中，具体有以下几点工作要求：第一，要将单位材料设置为各项同性块体并将单元类型视为块单元；第二，各块单元使用八节点六面体实体单元；第三，网格类型有楔形体、块体和锥体的混合；第四，网格大小设置为 3 7
5、54 325 mm，同时使用 ALGOR软件进行网格生成，最终筛选机的网格共划分为122 224 个表面单元。3仿真结果分析具体仿真结果可以参考图 1。结合图 1 显示，该模型为线性材料模型的静态应力分布，其中振动筛的四个支撑头中部有着明显的应力集中现象，通常在支撑梁、支撑侧板和槽钢螺栓处都有着一定的应力集中现象。针对应力数值而言，最大应力值为 36.8 MPa，远远小于该材料的许用应力 400 MPa。在静态下构件的裂纹尺寸小于临界裂纹尺寸 1 180 cm，所以可以断定裂纹不会在静态下在构件中扩展，所以静态下的振动筛有着较高的应用效果。4自振频率分析具体的前 9 阶振型频率可以参考表 1。
6、结合该振收稿日期：2022-05-17作者简介：蒋杰（1988），女，山西朔州人，毕业于辽宁工程技术大学测绘工程专业，本科，工程师，从事洗选行业工作。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.047图 1振动筛仿真应力云图36.795 8733.116 3329.436 7925.757 2622.077 7218.398 1914.718 6511.039 127.359 583.680 050.005 14应力/MP
7、a静态应力分布XYZ优化改造2023 年第 6 期动筛的工作频率 16.20 Hz，处于表格第 6 阶和第 7 阶中，也就是在刚体转动模态和扭转弯曲模态之间，而且有着远离其他振动频率的特点，在此特点下就会在振动筛的实际工作中不会因为共振问题而出现断裂问题，所以振动频率也不是振动筛结构断裂的主要问题。5振动筛时域分析5.1瞬态响应分析图 2 为瞬态响应第 8 个时间步长的应力分布图。在振动筛中的两个激振器之间，其网格节点 58 763和 47 923 上分别施加一个简谐激振力，并将时间步长定为 0.007 545 25 s。通过以上数据产生了 8 个时间步长数，分别是 18，其中 4、8 时间步
8、长在受到激振力的通过下，原点改变方向且有着最高的加速度，同时应力也为集中，具体为 10 786 110 Pa。5.2谐响应分析图 3 为谐响应的应力分布图，分析类型为频率响应。在激振器网格节点 58 763 和 47 923 上分别施加16.20 Hz 的简谐激振力。5.3计算结果分析结合图 2 可以看出，瞬态响应中存在的最大应力为 10 786 MPa，远远大于振动筛结构材料的最大许用拉力 393 MPa。结合图 3 可以看出，谐响应力最大为12 MPa，远远小于振动筛结构材料的最大许用拉力393 MPa。两种响应存在不同的应力，主要跟振幅变化有关，振幅变化越大则应力集中程度越大。为此，结合
9、图 2、图 3 可以了解到出现结构断裂问题主要发生在瞬态响应阶段，谐响应阶段只会存在疲劳断裂。在谐响应分析中，振动筛处于瞬态响应阶段时间极短，在振动筛的运转中主要受谐响应应力的作用。6振动筛横梁优化结合以上分析，可以看出应力集中和疲劳损伤是影响振动筛断裂的关键因素，由此提出对应的解决措施：在应力集中因素的影响下，可以通过提高材料许用强度来降低应力多大的影响；在疲劳损伤中，可以通过日常的维护检修工作来降低疲劳损伤的影响。以上分析都是基于理想情况下进行的，实际煤炭洗选中振动筛会受到很多因素的干扰，例如地基不平、物料不均和螺丝松动等问题，所以需要结合实际的生产对振动筛进行优化和维护。7结语在针对振动
10、筛的结构断裂问题进行研究后，通过对振动筛进行有限元建模分析，可以发现在静态应力分布中，不会存在应力集中大于材料最大许用应力的情况，同时在时域分析的谐响应中也有类似情况。其次，在自振频率中，振动筛的工作频率为 16.20 Hz 远离其他振动阶次，所以也不会出现结构断裂问题。最后针对瞬态响应而言，因为振幅变化约为稳态振幅的69 倍，所以应力集中情况较为明显，超出材料的最大许用应力，容易出现构件断裂。结合以上分析，需要通过加强材料强度降低应力集中的影响，也可以通过日常维护降低疲劳损伤对构件的影响，从而促进振动筛的运转效率，满足煤矿企业的洗选需要。参考文献1孙玉涛.ZK3648 型振动筛结构断裂分析及
11、优化设计D.唐山：华北理工大学，2019.2张书辉.振动筛的损坏原因分析及其结构改进J.机械设计，2001（12）：40-42.（编辑：李俊慧）项目振动阶次123456789频率/Hz 1.400 1.450 2.423 3.538 4.356 4.778 20.887 27.235 35.873表 1前 9 阶振型频率图 2瞬态响应的应力分布图 3谐响应的应力分布10 786 1109 707 5068 628 9037 550 3006 471 6975 393 0944 314 4903 235 8872 157 2841 078 68177.726 06应力/Pa瞬态应力分布XYZ12
12、.004 91010.804 4409.603 9818.403 5227.203 0636.002 6044.802 1453.601 6862.401 2271.200 7680.000 309应力/MPa谐响应应力分布XYZ时间：0.061 881 2 s时间步长：8Analysis and Optimization of Structural Fracture of Vibrating Screen in Coal WashingJiang Jie（Datong Fenlei Washing Equipment Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037300）Abstrac
13、t:The basic structure of the vibrating screen is described,the model simulation of the vibrating screen based on finite elementsoftware is established and dynamics and statics analysis is carried out,and finally specific optimisation measures are proposed based onthe research data,in order to meet the work requirements of coal washing through the optimisation of the vibrating screen structure.Key words:coal washing;vibrating screen;fracture;finite element蒋杰：煤炭洗选中振动筛结构断裂的分析和优化119