选煤用振动筛横梁断裂问题分析与改进

朱文斌

(晋能集团 阳泉公司 上社煤矿，山西 盂县 045100)

0 引言

煤炭作为我国主要的能源之一，在我国现代化建设中具有不可替代的作用。振动筛作为选煤过程中的关键设备，随着煤炭行业的发展，其市场占有额越来越大，与此同时，对振动筛的可靠性要求也越来越高[1-3]。振动筛服役过程中环境条件恶劣、受力情况复杂，经常出现各种断裂损坏的情况，较轻的断裂损坏故障会使振动筛运行维护工作量增大，耗费大量的人力和物力，严重的断裂损坏故障将会导致选煤企业的生产停滞，给企业带来不可估量的经济损失[4,5]。相关统计表明：振动筛断裂损坏故障出现概率最高的是振动筛横梁，必须引起高度重视。横梁作为振动筛重要的组成部件，工作条件复杂多变，采用传统的理论分析方法很难确定故障原因和解决对策[6]，因此本文拟借助有限元仿真分析软件开展振动筛横梁断裂问题的分析，并提出具体的改进方案。

1 振动筛结构组成及问题

某选煤厂在用的振动筛结构组成包括筛箱、振动装置、传动装置、支撑组件和筛面结构等。其中筛箱是实现选煤功能的主要部件，不仅用于安装激振器、传递振动力，还用于承载煤炭，强度要求较高；振动装置作为振动筛的核心部件，采用了同步偏心轮结构，具有加工制造简单、维护保养方便、工作稳定可靠等优点；传动装置采用了电机直联方式，通过万向节直接将电机转动传输至振动装置；筛面结构是直接接触煤炭的部件，通过筛面中的筛缝完成煤炭的筛选，其时刻承受着冲击载荷，极易出现磨损；支撑组件主要是指与振动筛配套的橡胶弹簧，其外形尺寸较小，通过调整橡胶弹簧的个数和距离来实现筛箱整体受力状况的调整，橡胶弹簧使用过程中具有寿命长、噪声低、工作稳定等优点，同时也具有很好的减震吸振性能。

在振动筛使用过程中，设备维护人员发现筛箱底部横梁经常会出现断裂故障，如图1所示，其维修更换工作较为复杂，需要消耗较多的人力物力，严重制约了煤炭筛选的效率。由图1可看出横梁断裂处为横梁端部接近法兰的位置，为了提高横梁工作过程中的可靠性，有必要对其进行故障分析与结构改进。

图1 横梁断裂实物图

2 振动筛横梁断裂故障分析

由于断裂故障原因较为复杂，而传统分析手段需要在横梁断口位置处进行取样，之后采用先进的检测仪器进行宏观断口与微观断口的观察，不仅分析周期很长、分析成本较高，而且分析结果具有很大的局限性，对于指导横梁的改进工作不直观。近年来有限元仿真分析技术在结构件强度分析工作中得到了较为广泛的应用，获到了各界人士的广泛认可，其中应用较多的是ANSYS仿真分析软件。因此本文拟采用ANSYS仿真分析软件开展振动筛横梁断裂故障原因分析工作，以便更好地指导横梁的结构改进。

2.1 有限元模型的建立

有限元仿真模型的建立需基于振动筛横梁的三维模型，因此对断裂横梁的尺寸进行了测绘，横梁主要包括无缝钢管、槽钢和法兰等。横梁中间的无缝钢管、槽钢、法兰的材料均为20钢。基于上述已知横梁的信息资料，运用ANSYS仿真软件自带三维建模模块完成了横梁三维模型的建立，简化了横梁结构中的非关键螺纹、安装孔等细节。之后启动ANSYS仿真软件中的静态仿真分析模块对其进行前处理：首先对横梁结构进行材料属性的设置，直接调用ANSYS仿真软件中的20钢参数；材料属性设置完成后进行了结构网格的划分，划分网格的方式采用了自由划分，以便降低后续仿真分析过程中的报错率。

2.2 施加载荷及约束

振动筛横梁主要用于支撑振动筛箱，接收来自筛箱的煤炭载荷和周期性的振动，因此横梁所受的载荷极为复杂，不仅需要承受煤炭载荷的变化，还要承受振动装置的交变载荷。根据振动筛的实际工作情况，计算得到振动筛满载时横梁所受的最大静载荷为4 000 N，考虑横梁工作过程中的动载荷情况，仿真计算过程中采用1.6倍的静载荷进行横梁的强度分析，将载荷施加于横梁的中间位置。横梁结构中的法兰作用是将横梁固定于振动筛体上，因此仿真过程中将横梁法兰位置设置为固定约束。

2.3 仿真结果与分析

完成振动筛横梁有限元模型前处理之后，启动ANSYS仿真分析软件中自带的求解器，开始进行横梁静力学分析。计算结果分别如图2、图3所示。由图2可得振动筛运行过程中横梁所受的最大应力为148 MPa，出现在横梁结构端部，圆管靠近法兰的位置，存在明显的应力集中现象。应力集中情况的存在将会导致横梁结构断裂故障的产生，这与图1横梁工作过程中断裂的实际情况基本吻合，是横梁出现断裂故障的主要原因。因此要想提高振动筛横梁的结构强度，必须降低横梁结构的应力集中程度。由图3可得振动筛运行过程中横梁的最大位移为0.49 mm，出现在横梁结构的中间位置，主要是由横梁结构的受力情况决定的。

图2 横梁应力分布云图

图3 横梁位移分布云图

3 横梁结构优化设计

3.1 结构优化

由上述振动筛横梁有限元仿真分析结果得出了横梁断裂故障的主要原因是圆管靠近法兰位置存在着明显的应力集中现象。通常降低结构件应力集中情况的方法有很多种，如采用先进的结构材料制备横梁、改进横梁加工后的热处理工艺参数、成倍放大横梁的横截面尺寸、优化横梁截面形状等。本文结合振动筛目前的工作情况，通过分析对比各种改进方法的特点，最终选择了较为容易实施的截面优化方法。优化过程中基于断裂横梁截面形状和仿真分析结果，拟将原来的槽钢优化改进为Π形，以此提高振动筛横梁的抗弯强度，提高横梁工作的可靠性。

3.2 优化结果

完成振动筛横梁截面改进之后重新采用ANSYS有限元仿真软件对其进行三维模型的建立，按照改进之前的仿真参数完成改进横梁有限元模型的前处理工作。通过开启ANSYS有限元仿真软件自带求解器对改进横梁进行静力学仿真分析，结果如图4、图5所示。由图4可得振动筛运行过程中横梁所受的最大应力为89 MPa，位置与改进前一致，相较于改进之前的横梁，最大应力值降低了39.86%，改进效果明显。由图5可得振动筛运行过程中横梁的最大位移为0.51 mm，与改进前的位置一致，最大变形量仅仅增加0.02 mm，相对于结构的整体变形较小，可以忽略不计。

图4 改进后横梁应力分布云图

图5 改进后横梁位移分布云图

4 应用效果评价

为了验证振动筛横梁结构的改进效果，根据上述横梁改进方法完成了横梁截面的改进优化以及横梁的制造，检验合格之后将其安装在振动筛中进行应用试验。在改进横梁使用的3个月内进行了跟踪记录，结果表明，改进后的横梁具有很好的工作稳定性，满载情况下的横梁最大变形仅为0.038 mm，满足振动筛的功能要求。跟踪记录期间横梁未出现开裂损坏故障，可靠性得到了提高。基于上述跟踪记录，初步估计改进后的横梁寿命将会提升近30%，为企业节省振动筛横梁维护维修费用约25万/年，具有很好的应用价值。

5 结论

横梁作为振动筛的关键组成部件，对其工作的可靠性要求较高。针对某选煤厂在用振动筛横梁断裂的问题，完成了振动筛横梁的仿真分析和改进设计。结果表明，横梁圆管靠近法兰位置存在应力集中是导致横梁断裂的主要原因。通过改进横梁截面的尺寸形状，将横梁工作过程中的最大应力值降低了39.86%。应用结果表明：横梁改进后工作稳定可靠，初步估计横梁寿命提升近30%，节省设备投入近25万/年，具有很好的应用前景。