直线式振动筛横梁结构分析及优化改进

刘 畅

（大同煤矿集团机电装备约翰芬雷洗选技术设备有限公司，山西 大同 037305）

引言

随着社会的发展进步，对于企业的环保要求也越来越高，原煤开采出来后需要先经过洗选再投入使用。在选煤过程中，具有高筛分效率、低造价等优点的大型直线振动筛被企业广泛应用，因此，振动筛的结构稳定和维修管理水平将直接影响到企业的经济效益[1]。但是振动筛在工作过程中长期处于振动状态，其主要结构之一的横梁容易产生裂纹并逐渐扩展导致断裂，而传统的维修方法就是焊接钢板进行加固，但并不能有效保证其正常工作周期，不仅会影响到正常生产，且设备维修成本还会持续增加[2-3]。因此，分析振动筛横梁断裂的根本原因，并对其结构进行优化设计，延长其使用寿命，对于企业的发展具有重要意义。

1 振动筛横梁的结构

直线振动筛的主要由驱动装置、筛体、筛板、激振器和减震装置（弹簧）等部件装配而成，如图1所示。

图1 振动筛总体结构图

由图1可知，振动筛横梁是组成筛体的主要部件，其与侧板、支撑底座之间采用高强度螺栓连接在一起，若横梁断裂失效，则整个筛体将会失去工作能力。横梁一般采用中空钢管加工而成，在设备运行的过程中，横梁不仅要承受来自于筛分物料及筛板自重的均布载荷，还有激振器产生的简谐激振力以及弹簧不固定支撑力，其受力状态较为复杂如图2所示。

图2 振动筛横梁受力图

2 横梁断裂原因分析

2.1 外在原因

1）两台激振器运行不同步。由图1可知，振动筛一般有两个激振器，且之间由一根轴连接起来。当其中一台激振器的频率超前或滞后时，筛机的振动频率将会紊乱，振幅线不再是正常的直线，而是弯曲状，导致筛框扭曲变形，横梁侧摆直至断裂。因此，在设备运行前，需检查连接轴两端是否存在偏差，并进行调整或者更换连接轴，保证两端的振动角度相差不超过2°。

2）入料冲击。入料口落差较大或者较大物料入筛时，筛机将承受较大的冲击，直接损坏横梁结构。另外，强烈的冲击还会影响筛机的振动频率，产生偏振，影响设备的整体稳定性。为降低影响，可以在不堵料的前提下适当降低入料口高度并在筛分槽中部增加缓冲垫。

3）筛板松动。筛板位于横梁之上，当筛板出现松动时，将直接冲击到横梁。同时，松动的筛板还会影响激振器的固有频率，增大筛机振幅，使得横梁受到损坏。因此，因定期对筛板进行紧固和维修。

2.2 内在原因

直线振动筛横梁的主体普遍为Φ273 mm×9 mm热轧无缝钢管，随后在钢管上方焊接槽钢，其横截面如图3所示。

图3 横梁横截面图

由图3可以看出，钢管上焊接的槽钢可以使横梁的弯曲中性层高于钢管水平中线，在一定程度上增大了横梁下方的抗弯能力。但横梁的这种结构也存在焊接上去的槽钢抗压能力较低于下方的钢管，且在设备运行的过程中，应力容易在槽钢的螺栓孔处产生集中现象。因此，在长期的简谐激振力的作用下，槽钢螺栓孔附近会首先出现裂纹，并沿着焊接口逐渐向下扩展至钢管上，出现裂纹的钢管在长期的疲劳作用下最终断裂。根据以往的现场调研可知，横梁结构主要是在两端法兰处及中间部位发生断裂。

3 横梁制造工艺改进

传统振动筛横梁的制造加工方法是，先将加工后的钢管、法兰和槽钢通过铆焊组合成一体，随后通过低温回火的方法消除焊接残余应力，然后加工法兰并在横梁上钻法兰孔，最后进行喷漆处理[4]。

这种加工方法存在一定的缺陷，就是在焊接过程中会导致钢管和法兰产生不可控的变形，无法保证横梁的长度及法兰的厚度在允许误差范围内，为后续的精加工带来困难[5]。对此，可以从以下几个方面进行改进：

1）焊接方式的改进。采用间断焊接的方式连接钢管与槽钢，可以使设备运行时应力产生的能量得以释放，也可以进一步消除焊接引起的残余应力。

2）加工方式的改进。采用筛梁专用焊接平台来控制横梁长度及法兰厚度的精确，通过可移动轨道将横梁固定于合适的位置上，再将可移动轨座上的法兰盘与固定轨座同心对准，最后固定可移动轨道，在平台上对横梁进行精确加工。

3）提高表面防腐。振动筛的工作环境一般较为恶劣，且物料在筛选过程中会冲刷横梁，使得横梁表面底漆脱落，引起结构严重腐蚀的现象。因此，可在横梁喷涂底漆之前先喷涂一层聚脲，使其表面质量等级达到Sa2.5级以上，保证底漆不会轻易脱落，提高横梁的耐磨抗腐蚀能力。

4 横梁结构的优化设计

4.1 增加横梁内壁厚度

由于横梁的钢管为中空结构，根据材料力学可知，钢管的抗弯能力与管壁厚度呈正相关[6]。分别选取钢管壁厚度为9 mm、10 mm和12 mm的横梁进行抗弯实验，得出的主要参数如表1所示。

表1 不同壁厚横梁抗弯能力

由表1可知，随着钢管内壁厚度的增加，横梁的抗弯模量随之增加，其抗弯能力也随之增强。且随着管壁厚度的增加，钢管的重量随之增加，使得横梁整体重心下降，提高了振动机工作时的稳定性。

4.2 改进横梁形状

矩形梁的抗弯能力一般强于圆形梁，按照等模量原则，采用与原安装高度相近的矩形梁1代替，按照等截面原则，采用与原安装壁厚相同的矩形梁2代替，其横截面分别如图4、图5所示，可以看出，从面积上来说，改造后的两种矩形梁相对于圆形梁的重心都有所下降，有利于设备的稳定运行。

图4 矩形横梁1结构图（单位：mm）

图5 矩形横梁2结构图（单位：mm）

分别对圆形横梁和改进后的两种矩形横梁进行抗弯能力实验，其实验结果如表2所示。

从表2可以看出，改造后的两种矩形梁的抗弯模量和抗弯能力都有明显的提高，且按照等面积原则改造的矩形梁2的抗弯能力最好，这是由于矩形梁2的高宽相对较大，可以承受并缓冲更多的能量，且其重心较低，更有利于设备的稳定。

表2 不同结构横梁抗弯能力

5 工业应用

企业未对直线振动筛横梁进行改进之前，由于横梁出现裂纹，导致设备正常运转受影响，设备一年需经过6次中修，10次小修，维修成本近8万元，若横梁发生断裂，其订货和更换时间较长，严重影响了生产效率。对横梁进行技术改造后，经过一年多的使用观察，设备的维修次数降至2次中修，4次小修，维修成本大大降低，振动筛整体稳定性提高，生产周期得到延长，故障次数也大幅下降，保证并提高了企业的经济效益。

6 结语

直线振动筛横梁出现故障是多种因素共同作用下的结果，通过定期检修激振器连接轴和筛板紧固状态，并减缓入料冲击等方法可以降低外在因素的影响，通过优化改进横梁的制造工艺及结构设计来提高其本身的强度，可有效地提高振动筛的工作性能和结构可靠性。现场应用表明，振动筛横梁经过改进后，故障率明显减低，不仅节约了设备维护方面的成本，而且筛选能力也得到了提高，说明提出的横梁改进方法具有较高的应用推广价值。