关于选煤弧形筛中的筛板弧形座结构性能研究

姚 军

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

0 引 言

随着技术的不断发展，风能、水能已逐渐成为国家发展的重要能源，但目前国家对能源的需求仍以煤炭资源为主，提升高所开采煤矿的质量已成为促进国家快速发展的重要工作[1]。而选煤弧形筛则是提高煤矿质量的重要设备，在保障煤矿质量及利用率方面起动了决定性作用。筛板弧形座作为选煤弧形筛中的关键部件，由于其经常处于长时间作业状态，加上所承受的物料经常处于超负荷状态，导致筛板弧形座的局部区域出现了疲劳破坏现象，直接导致了设备工作效率及企业经济效益的降低[2]。因此，采用了虚拟仿真技术，通过建立筛板弧形座的仿真模型，开展了其结构的应力变化及疲劳寿命分析，并对其结构改进的效果进行了分析，这为提高筛板弧形座的结构强度、降低设备故障概率具有重要作用。

1 选煤弧形筛工作原理分析

以VSB3020 型选煤弧形筛为例，其结构主要包括筛板弧形座、筛箱、减振弹簧、振动电机等部件组成，通过振动电机的振动，带动筛板弧形座和筛面等部件的相互谐振，实现对煤矿中煤泥水的分离回收[3]。其中，筛板弧形座是弧形筛的重要部件，主要通过上下两端与振动器连接，中间振动杆与弹簧连接，同时，在其中间分布着5 个楔子柱，实现对筛板与弧形座的固定连接。而筛板则主要负责对煤泥水进行过滤，过滤后的煤泥水流至底板上，并从煤板上卸口排出[4]。整套设备的工作原理为：设备启动后，带有颗粒的煤粒进入筛板，通过不同孔径的小孔进行不同粒径的煤石分层，远离筛板的煤粒流动速度快，靠近筛板的煤粒速度慢，不同流动速度的煤粒在离心力作用下分别从筛缝中流出；同时，当弧形筛出现堵塞时，在振动电机作用下，带动筛板弧形座产生谐振，以此实现堵塞的煤粒快速掉落，有效防止了弧形筛发生严重堵塞现象[5]。VSB3020 型选煤弧形筛的结构示意图如图1 所示。

2 筛板弧形座结构模型建立

2.1 三维模型建立

根据选煤弧形筛的结构特点，以VSB3020 型筛板弧形座实际的结构尺寸，采用Solidworks 软件，对其进行了三维模型建立。在建模过程中，由于上下两端的螺栓孔主要与振动器进行连接，为筛板弧形座结构中的关键特征，故对此4 个螺栓孔进行了特征保留，而结构中的其他较小圆孔、圆弧及倒角则进行了特征简化，由此，建立了筛板弧形座的三维模型图，如图2 所示。

图1 选煤弧形筛结构示意图

图2 筛板弧形座三维模型图

2.2 仿真模型建立

结合建立的三维筛板弧形座结构模型图，将其导入至ABAQUS 软件中，对其进行了强度分析模型建立。由于筛板弧形座实际材料为Q235 材料[6]，故在软件中对其进行了Q235 材料设置，其材料主要物理参数如表1 所示。同时，根据筛板弧形座的结构特点，对其进行了四面体实体单元设置，网格大小设置为10mm，网格单元为15458 个，仿真时间设置为2s，其网格划分图如图3 所示。另外，由于筛板弧形座主要承受着来自振动电机的振动力和自身重力作用，故对其施加了重力加速度9.8g/s2。并对上下两端的4 个螺栓孔进行了弹性约束，以使仿真模型与实际工作状态基本吻合。由此，完成筛板弧形座的仿真模型建立。

表1 筛板弧形座材料性能参数

图3 筛板弧形座网格划分图

3 筛板弧形座结构性能分析

3.1 应力变化分析

结合建立的筛板弧形座仿真模型，对其结构性能开展了仿真分析研究。得到了其应力变化图，如图4所示。由图可知，筛板弧形座整体结构的应力集中现象并不明显，绝大部分区域的应力值均相对较小（即图中蓝色区域），而最大应力主要集中在上下两端的4 个螺栓孔处以及与中部振动杆连接处（即图中亮色区域），最大应力值220.5MPa，已相当接近筛板弧形座结构的屈服强度。筛板弧形座在长期及恶劣环境下工作，极容易在此应力集中部位率先发生结构断裂或疲劳失效现象，成为整个结构中的薄弱部位。故应对其结构进行结构加强改进，以此保证筛板弧形座的结构安全。

3.2 筛板弧形座疲劳寿命分析

通过仿真分析，也得到了筛板弧形座在25Hz 工作频率下的疲劳寿命结果，其疲劳寿命云图如图5 所示。图中，不同颜色及数值代表筛板弧形座疲劳寿命的循环次数，数值越小，代表结构的寿命越短，越容易发生疲劳失效问题。由图可知，筛板弧形座整体结构的最小疲劳寿命循环次数为9.439×106次，主要集中在结构上下两端的4 个螺栓孔处，而由于本次仿真时间为2s，工作频率为25Hz，故螺栓孔处的最终最循环次数为2×25×9.439×106=4.72×108次，未达到振动筛要求循环次数至少达到109次标准，由此，该螺栓处在同样工作条件下，会更容易率先发生疲劳失效现象，此结论也与前文的应力分析结论基本一致。另外，筛板弧形座中的振动杆连接处及其他部分虽循环次数相对较高，但在其长期使用过程中，也容易发生疲劳破坏，也应该随时关注其结构的使用情况。

4 筛板弧形座的改进应用分析

结合前文对筛板弧形座结构应力及疲劳寿命的分析研究，得出其上下两端的4 个螺栓孔及中部振动杆为整个结构的薄弱部位，在使用中更容易发生结构破坏或疲劳失效现象，故需对其结构进行改进设计，具体如下：

1）在筛板弧形座结构特点基础上，将山下两端的4 个螺栓孔处结构进行加厚，厚度整体增加2mm，并并对螺栓孔周边的直角进行圆弧过渡，以加强其结构的整体强度；

2）对筛板弧形座中的振动杆处进行焊接加强，将其焊缝高度增加至6～7mm，同时，在振动杆内侧连接处焊接2mm 加强块，保证振动杆连接处的应力集中；

3） 将筛板弧形座的结构材料为结构强度更高的Q345 材料，必要的时候可对结构中的关键部位进行调质或淬火处理，以此提高其结构强度；

4）加大对筛板弧形座结构的定期巡检，针对其结构出现变形过大或开裂等问题时，及时采取措施进行维修。

在完成筛板弧形座的结构改进后，为进一步验证其结构性能，将其再次安装在VSB3020 型弧形筛设备中进行了将近5 个月的应用验证。筛板弧形座实际运行中，整体结构基本未出现变形，且4 个螺栓处基本也未出现结构明显的变形或开裂现象，弧形筛因筛板弧形座出现故障而导致的设备停机现象也同比降低了80%，在此5 个月时间内间接给企业减少了约8万元的费用支出。由此可说明，改进后的筛板弧形座具有更高的结构强度和使用寿命，能更好的满足弧形筛的使用需求，验证了此结构具有较高的可行性。

5 结 论

目前，对结构变形规律的掌握，除了利用试验方法进行分析研究外，采用虚拟仿真技术的方法，已成为当下较小成为分析设备结构性能的重要工具。因此，以选煤弧形筛工作原理分析为基础，通过建立筛板弧形座结构仿真模型，开展了其结构的结构特性研究，找到了其结构中的4 个螺栓孔、中部振动杆处为整个结构的薄弱部位，极容易发生结构疲劳失效问题，由此对筛板弧形座进行了改进设计和应用验证，结果表明，改进后的筛板弧形座具有更好的结构性能，对降低弧形筛设备的故障率及减少企业的经济费用支出起到重要作用，也为后期开展筛板弧形座的进一步优化改进提供了重要参考。