基于多体动力学的复合振动筛的仿真分析

常园园

（同煤集团大地选煤公司塔山选煤厂，山西 大同037000）

引言

振动筛是进行煤矿生产开采的重要筛分设备，对混合的物料可以进行有效的筛分筛选，特别是在煤炭的开采分选及脱水作业中被广泛应用。我国是煤炭生产和使用的大国，对于煤炭的筛分效率及性能具有较高的要求，现阶段使用较为广泛的多为直线振动筛及圆形振动筛。在对于振动筛的研究方面，针对振动筛的平动及摆动相结合形式的复合振动筛成为当前研究的重点，是提高振动筛效率的有效途径[1]。目前对于符合振动筛的各项参数研究还较少，采用多体动力学的方式，针对平动及摆动相结合的复合振动筛进行研究，实现符合振动筛的结构设计，为振动筛的生产提供指导。

1 复合振动筛的模型建立

采用多体动力学的方式对复合振动筛进行分析，针对振动的关键参数进行复合振动筛的建模，验证平动及摆动复合作用的有效性。ADAMS是广泛应用的进行多体动力学仿真设计的工具，采用ADAMS软件进行复合振动筛的建模[2]。

筛箱的大小对于筛分的效率具有重要的影响，筛箱的长度越长，则物料经过筛分的时间越长，筛分率越高，增加筛箱的尺寸可以在一定程度上提高筛分的效率。依据煤炭筛选使用的筛箱，选择复合振动筛的筛箱尺寸（长×宽×高）为1 100 mm×448 mm×80 mm，在筛箱的长度方向上，筛箱进行等长的间隔，并设置集料装置进行物料的收集[3]。

振幅的大小决定了筛箱工作面的运动范围及位置，是进行煤炭颗粒筛选的动力，振幅越大，则产生的筛分运动越强，筛分的效率也较高，但是振幅不能无限增加，并且，随着振幅的增加，筛分的效率也呈现边际递减的效应，对复合振动筛的振幅设计为0～2.5 mm进行仿真分析。振动的频率影响煤炭颗粒的运动频次，振动频率的大小影响颗粒在筛箱工作面上的时间及能否穿透筛箱，常用的振动筛频率多为20 Hz[4]，选择复合振动筛的运动频率为0～25 Hz。

要想实现复合振动筛的平动及摆动运动，还需要对振动筛的摆动频率及摆动角度进行设置。摆动的频率较小时，煤炭颗粒间的运动缓慢，不能有效地穿透筛箱，频率较大时，容易造成一定的粉尘污染，不利于筛分工作的进行[5]，综合选择摆动频率约为平动频率的一半值为0～12 Hz。筛箱的摆动角度越大，获得的分层效果越好，筛分的效率越高，但摆动角度过大时，会造成煤炭颗粒在筛箱工作面的时间减少，不能有效地穿透筛箱[6]，设定复合振动筛的摆动角度为1.2°。

依据设定的筛分参数，采用Pro/E进行复合振动筛的建模，激振器的装置采用偏心块及驱动轴的构件组成，对于激振器采用ADAMS中的驱动力进行驱动，将振动筛的部件进行组装，得到复合振动筛的仿真模型如图1所示。

图1 复合振动筛的仿真模型

2 复合振动筛的仿真分析

建立了复合振动筛的仿真模型，采用ADAMS软件设定复合振动筛的的基座与地面之间的固定约束，偏心块及旋转轴之间采用旋转约束，设定筛箱的激振作用为正弦函数分布，摆动频率为10 Hz，添加运动副的旋转驱动，选定系统分析的时间为5 s，仿真分析1 000步，由此采用ADAMS进行复合振动筛的仿真分析。

2.1 复合振动筛平动效果分析

在ADAMS中，先进行平动的效果分析，设定转速为600 r/min，经过仿真计算，得到筛箱的位移图如图2所示。从图2中可以看出，筛箱的振动作用在水平方向上产生位移，筛箱在开始阶段的振幅较大，然后进入平稳阶段，并且在水平方向做简谐运动，运动较为平稳，可以满足煤炭颗粒的筛分要求。

图2 筛箱平动作用位移图

2.2 复合振动筛摆动效果分析

在ADAMS中，进行摆动的效果分析，设定激振力为600 N，频率为8 Hz，并呈正弦变化，经过仿真计算，得到筛箱的位移图如图3所示。从图3中可以看出，筛箱的位移呈正弦变化的形式，且振动筛围绕质心做摆动运动，效果良好，可以满足煤炭颗粒的筛分要求。

图3 筛箱摆动作用位移图

2.3 复合振动筛复合振动效果分析

复合振动筛在平动及摆动同时作用下进行煤炭颗粒的筛分，对复合振动的效果进行分析，设定平动的频率为10 Hz，摆动的激振力为600 N，频率为8 Hz，进行复合振动的仿真计算，得到振动筛的位移变化如图4所示。从图4中可以看出，在复合振动下，筛箱的运动不同于单独运动时的位移，筛箱的运动的强度有所减低，但振动状态更加多样，可以改变单独作用时产生的堵孔现象，有利于煤炭颗粒的运动变化，进行充分的撞击进行筛分，提高筛分的效率。

图4 筛箱复合作用位移图

3 结论

振动筛是进行煤炭筛分的重要设备，提高振动筛的效率是振动筛研究发展的主要方向。在直线振动筛及圆形振动筛中，振动作用采用单独的运动形式，对于筛分效率的提升有限。针对这一问题，采用平动加摆动的复合振动形式进行复合振动筛的设计。采用ADAMS多体动力学的方式进行复合振动筛的设计，首先依据现有使用的振动筛的结构及参数，选定复合振动筛的关键参数，建立复合振动筛的模型，在ADAMS中，分别针对复合振动筛在平动、摆动及复合振动下筛箱的位移进行仿真分析，结果表明，在复合振动的作用下，筛箱的位移呈现出与平动及摆动作用下不同的振动效果，筛箱的振动幅度有所减小，但振动的形态更加多样，可以改变单独作用时产生的堵孔现象，有利于煤炭颗粒的运动变化，进行充分的撞击进行筛分，提高筛分的效率。多体动力学进行复合振动筛的设计是可行的，可以丰富筛箱的运动形式，提高煤炭筛分的效率。文中针对振动筛的形式进行了设计并验证了复合振动筛的可行性，在复合振动筛的实现上，还要进行具体的结构设计，并进行振动效果的实验分析，这有赖于进一步的研究。