基于Workbench的BVB4361香蕉筛动态特性研究

2018-03-04吕高常

选煤技术 2018年6期

吕高常

(1.天地(唐山)矿业科技有限公司，河北唐山063399；2.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北唐山063012；3.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北唐山063012)

近年来，由于我国对保护环境和节约能源的高度重视，原煤入选比例逐年提高，煤炭洗选加工行业得到快速发展。振动筛在煤炭洗选加工作业中具有脱泥、脱介、脱水、分级等作用，是煤炭洗选加工作业的重要设备，在选煤厂应用比较广泛[1-2]。随着我国大型选煤厂的建设和老选煤厂的升级改造，振动筛尤其是大型振动筛将在选煤厂得到大量使用。

振动筛是由侧板和横梁、加强梁、驱动梁等组成的三维空间结构，在交变载荷作用下，其结构不可避免的产生整体或局部弹性形变，进而产生动应力。如果动应力数值较大或分布不均，筛机容易产生筛箱侧板开裂、横梁断裂等故障[3-4]。为此，采用Workbench有限元分析软件，对BVB4361香蕉筛(属于大型振动筛)动态特性进行研究，并分析筛机模态参数分布规律及其在简谐激振力作用下的应力响应、位移响应，进而为大型振动筛的结构优化提供具体思路。

1 BVB4361香蕉筛

1.1 结构组成

BVB4361香蕉筛是天地(唐山)矿业科技有限公司在SXJ系列香蕉筛基础上优化设计而成的新型设备，主要用在洗选能力5.00 Mt/a以上的大型选煤厂。BVB4361香蕉筛主要由筛箱、激振器、传动装置、支撑装置等组成，效果图如图1所示。

图1 BVB4361香蕉筛效果图

1.2 结构特点

BVB4361香蕉筛具有以下结构特点：

(1)与SXJ系列香蕉筛相比，BVB4361香蕉筛侧板位置经过优化，侧板周边及其他部位布置有加强角钢和异形加强板，进而形成力封闭式结构，使侧板纵横两向的刚度得到增强，工作过程中的弹性形变减少，从而有效避免侧板开裂问题。

(2)筛下横梁采用矩形无缝钢管焊接而成，表面喷涂有弹性体材料，使其表面的耐腐蚀性提高，横梁使用寿命延长。

(3)筛机采用强迫同步型箱式激振器驱动，该激振器采用大螺旋角精密齿轮传动，具有质量轻、激振力强、噪声小的特点，且运行平稳，使用寿命长。

(4)激振器安装梁(驱动梁)选用质量轻、抗弯抗扭强度和刚度大的箱形梁，钢板选用具有抵抗厚度方向变形能力的合金结构钢[5]。驱动梁经焊接、完全去除应力处理后，在高精度加工中心一次完成各装配面，能够有效保证加工精度。

(5)筛机选用立式皮带轮减速传动装置，其具有结构紧凑、可靠性高、拆装方便等优点。

(6)筛机可配置入料量在线监测系统，能够实现根据入料量变化在线调节筛机的振动强度，从而达到提高筛分效率，降低设备能耗，延长设备使用寿命的目的。

2 模态分析

2.1 有限元网格模型的建立

BVB4361香蕉筛属于大型振动设备，必须对其结构进行模态分析，以确定筛机模态参数是否合理，进而避免结构共振的问题出现[6]。为此，在Solidworks中建立 BVB4361香蕉筛的三维模型，并将其导入Workbench中；将各零部件组成一个多体部件体，以实现各零部件仿真计算的拓扑共享[7-8]。利用Workbench的自动网格划分功能对其进行网格划分，形成326 968个单元，节点数为647 393个。最终生成的BVB4361香蕉筛网格模型如图2所示。

图2 BVB4361香蕉筛的有限元网格模型

由于划分网格的质量直接决定计算结果的精确度，故Workbench中评价划分网格质量的指标单元质量(element quality)是衡量准则为网格的边长比，该数值越接近1，说明划分网格的质量越好。在结构分析中，当单元质量平均值大于0.30时，即可满足一般的工程需要，此次网格划分的单元质量平均值为0.41。

2.2 边界条件的设置

首先，将BVB4361香蕉筛的四个支座位置设置成弹簧连接[9-10]；再在Workbench求解器中修改提取模态数量为20，求解方法选择program controlled，其余为默认设置；然后进行求解，得到筛机前20阶模态参数。其中，40 Hz以内的前13阶模态频率和振型见表1。

由表1可知：前6阶振型分别表现为筛机沿三个轴的平动和绕三个轴的转动，不存在扭曲变形，不会对筛机运转产生额外的应力，故称为筛机的刚体模态，它是任何固体结构固有的模态参数；前6阶低频阶段全部为刚体模态，说明边界条件及约束处理是合理的。7—13阶振型表现为筛机整体或局部扭动，导致筛机产生弹性形变，进而产生应力，这部分模态属于弹性模态；第7、第8两阶频率分别为13.21、15.81 Hz，与筛机工作频率15.50 Hz比较接近，且这两阶振型(图3、图4)表现为筛机出料端、入料端的左右扭动，进而产生动应力。因此，需要进一步分析筛机在这两个频率下具体的动应力数值及分布，以确定这两阶模态参数是否对筛机正常工作产生不良影响。

表1 前13阶模态参数

图3 第七阶振型(13.21Hz)

图4 第八阶振型(15.81 Hz)

2.3 动应力分析

BVB4361香蕉筛在实际工作过程中的振动是各种模态振型按照一定比例叠加的结果，因此，筛机工作时会产生一定程度的形变，从而产生动应力。为了提高筛机工作的可靠性，必须对动应力进行分析，确定动应力数值及其分布是否合理。

在模态分析的基础上采用Workbench对BVB4361香蕉筛进行谐响应分析，先将激振力加载在驱动梁上的激振器安装位置，采用程序默认的方法求解，进而获得筛机在正弦载荷作用下的稳态响应。频率分别为13.21、15.81 Hz时筛机的动应力响应如图5、图6所示。

图5 频率13.21 Hz时筛机的动应力响应

图6 频率15.81 Hz时筛机的动应力响应

由图5可知：在频率为13.21 Hz时，动应力最大值为21.99 MPa，该数值出现在侧板内侧筛板支撑角钢的角上，这是由应力集中引起的，可以不做考虑；排除应力集中后，动应力较大的部位在出料端加强梁中间，其数值在9.78～12.21 MPa之间，其余部位的动应力值均小于4.89 MPa，说明筛机的整体动应力分布均匀，且数值均小于许用应力值34.50 MPa。对图6进行分析，可以得出与图5相同的结论。综合分析，工作频率附近的两阶弹性模态对筛机正常工作影响很小，可以不做考虑。

3 谐响应分析

3.1 位移响应分析

在工作频率15.50 Hz下，BVB4361香蕉筛沿X轴(筛机长度)、Y轴(筛机高度)、Z轴(筛机宽度)三个方向的位移响应及合成位移响应如图7—10所示。

图7 筛机沿X轴的位移响应

图8 筛机沿Y轴的位移响应

图9 筛机沿Z轴的位移响应

图10 筛机的合成位移响应

由图7—10可知：筛机沿X、Y轴的位移响应在数值上几乎一致，这验证了筛机振动方向角为45°，与设计振动方向角一致。筛机沿Z轴的位移响应数值很小，几乎为零，说明筛机工作时横向摆动很小。筛机的合成位移最小值为4.49 mm，其出现在入料端；最大值为4.97 mm，出现在出料端；筛机前后两端的位移差值较小，筛机运行平稳。

3.2 动应力响应分析

在工作频率15.50 Hz下，BVB4361香蕉筛的动应力响应如图11所示。由图11可知：筛机的最大等效应力数值为18.21 MPa，其出现在出料端加强梁法兰的边角上(图12)，这是由应力集中引起的；排除应力集中后，动应力较大的部位在出料端加强梁中间部位，数值在10.12～12.14 MPa之间，其余部位应力值均小于6.07 MPa，说明筛机的整体动应力分布均匀，且数值均小于许用应力值34.50 MPa，整体强度达到了振动筛设计规范要求。