洗煤用振动筛横梁结构优化分析设计

许志鹏

(华阳集团二矿选煤厂，山西 阳泉 045000)

0 引 言

振动筛是洗煤厂重要的生产设备，广泛应用于煤矿物料分级、脱介、脱泥等过程。煤炭开采行业对振动筛的需求持续增大，与此同时，对振动筛自身的性能和质量也有更高的要求。根据工作原理，振动筛横梁结构是重要的承力性构件，该结构在煤矿开采过程中内部结构很容易受到周期性振动载荷的影响而引发循环塑性损伤，甚至发生疲劳断裂及各类故障，不利于洗煤过程的连续高效运行。为此，针对ZK3648型振动筛容易出现故障的部位，笔者深入分析振动筛横梁结构静力学特性，采取有效优化改进措施，增强横梁结构等关键构件性能寿命，确保振动筛设备稳定可靠运行。

1 振动筛结构特征及原理

ZK3648型振动筛主要由筛箱、振动装置、筛面、弹簧装置及传动装置等部分组成。其中，筛箱既要承受煤矿物料的重量，又要承受振动筛运动过程中振动载荷和加速度等的作用，故必须具备很好的强度和刚度；振动装置按照自同步块偏心结构设计，是振动筛的核心部件，其性能直接决定着整个机械的振动效果；筛面结构直接与煤矿物料接触，并进行物料分级，物料的摩擦会磨损筛面结构，所以该结构必须定期更换；该型号振动筛主要使用吸振效果良好、使用寿命较长的橡胶弹簧；ZK3648型振动筛直接通过万向轴节连接电动机，为加强度传动装置的保护，必须增设防护罩。

振动筛摆动频率主要借助激振器激发，同时将质量相同的配重模块装配在振动筛两侧，在振动筛运行过程中主要围绕平衡轴产生偏心力，使煤炭物料循环往复运动，在这一过程中达到不同粒级物料分类精选及脱泥、脱介的目的[1]。振动筛运动简图详见图1，其中ω表示2个简化偏心模块旋转角速度，m表示2个简化偏心模块质量。

2 振动筛横梁结构仿真分析

2.1 三维模型及有限元模型构建

通过UG三维建模软件及与实际尺寸1:1的比例构建ZK3648型振动筛三维几何模型(见图2)。考虑到洗煤用振动筛结构复杂，若完全按照真实结构构建仿真模型，必将使分析过程复杂化，为保证仿真计算结果的精确度，忽略振动筛附加部件及对振动筛受力影响不大的零部件，并简化筛板结构，将其视为直接作用于横梁槽钢结构上质量块，并将激振器视为整体，从而进行振动筛横梁部位结构的精细建模。

图1 振动筛工作原理简图

将采用UG三维建模软件所构建的三维几何模型导出为STP格式，并随即导入ANSYS有限元分析软件中，采用SOLIDE186类型网格单元划分模型网格，并根据软件推荐值确定网格边长和网格划分方式[2]。最终所得到的ZK3648型振动筛有限元单元数量为176893，节点数量为223452。

洗煤用振动筛正常运行的情况下支撑底板处于静止状态，所以模型中必须固定支撑底板全部约束，为简化分析，将振动筛加强板和侧板均设置为刚体，以避免其发生变形。振动筛全部零部件间的摩擦系数统一按0.03考虑，并使所增设的两个偏心块处于旋转运动状态。

2.2 静态分析

通过对ZK3648型振动筛进行静态分析发现，横梁结构达到静态平衡状态时，振动筛所有部件中横梁结构位移变形量最大，达到12.45 mm，最大位移主要出现在横梁结构槽钢中间部位；横梁结构构件最大应力值为120.30 MPa，该值也主要出现在横梁槽钢中间位置，具体见表1。静力学分析结果所得到的最大应力值未超出材料允许范围，并具备一定的静强度，但取值仍然较高。振动筛在循环往复的周期性运动过程中其横梁结构必将承受周期性的大幅值应力载荷，引发槽钢结构应力损伤、裂纹的可能性较大[3]。

表1 ZK3648型振动筛静力学分析结果

2.3 动态分析

应用ANSYS有限元软件中的BLOCK LANCZOS模块进行振动筛动态运行模态分析，所得到的振动筛前十个固有频率依次为2.389 8 Hz、2.402 7 Hz、3.318 4 Hz、5.034 3 Hz、6.447 6 Hz、6.398 7 Hz、13.904 3 Hz、20.004 7 Hz、21.289 1 Hz、23.165 5 Hz，振动筛工作频率设计值16.65 Hz。振动筛一阶模态、二阶模态及三阶模态分别沿z、x轴摆动和y轴四周扭转振动，激振频率选择振动筛工作频率，进行振动筛结构位移及动态响应应力等的计算，具体见图3。

图2 振动筛三维几何模型 图3 振动筛动态运行模态分析模型

结果显示，最大振动位移量6.554 mm出现在横梁处，最小振动位移量5.387 mm出现在前支撑组，且振动筛筛箱部件间位移差异并不大。振动筛整体结构动态刚度较大，但横梁表现出较大的位移量，必须优化。

3 振动筛横梁结构优化

3.1 横梁结构优化方案

文中所研究的振动筛横梁结构较为复杂，其中连接法兰、槽钢、无缝钢管等是核心构件，不同构件主要通过焊接方式加工，横梁结构最终借助高强螺栓固定于侧板处，并在运行过程中承受较大的周期性载荷作用，发生断裂的可能性较大。根据统计，振动筛故障中因横梁断裂而引发的故障占比在50%以上，为此，必须加强振动筛横梁结构优化设计，控制其运行应力，增强结构刚度和强度，延长使用寿命。

根据以上对振动筛横梁结构的仿真模拟和理论分析，刚度缺陷是造成其横梁结构容易断裂的根本原因，故应从增设纵梁以提升横梁结构刚度的角度进行改进优化。对改进后的横梁结构再次建模，除横梁结构调整外，其余过程均与原模型一致，对重新构建的三维几何模型进行ANSYS有限元分析。具体见图4。

图4 振动筛横梁优化设计示意图

3.2 优化后横梁结构稳定性分析

根据对优化后振动筛横梁结构进行静力学分析发现，横梁结构优化后位移变形量最大仅为0.48 mm，应力值最大为100.41 MPa，位移变形量最大值和应力最大值均出现在横梁槽钢的中间位置；且与优化前相比，位移变形量最大值和应力最大值均显著降低。分析结果表明，横梁结构通过增设纵梁的方式提升刚度后，在周期循环运动中结构稳定性及使用寿命将大大增加和延长。

通过BLOCK LANCZOS进行改进后振动筛横梁结构模态分析发现，振动筛结构位移量最大值5.247 mm发生在横梁处，位移量最小值4.975 mm出现在前支座组。与优化前相比，筛箱各部件位移量均减小，振动筛整体结构动态刚度有所提升，各构件动应力明显增大，性能稳定性和可靠性增强，振动筛横梁结构动应力分布也更加均匀。

4 结 语

综上所述，振动筛性能的稳定性和可靠性关系到整个洗煤过程的运行效率，通过ANSYS有限元软件对ZK3648型振动筛进行的静力学及动态分析结果表明，横梁结构应力最大，也最容易发生运行故障，使用寿命也受到较大影响。通过增设纵梁的方式改进优化横梁结构后，振动筛横梁结构刚度明显增大，且横梁处最大应力值显著降低，应力分布情况得以改善，使用寿命提升。