喷雾降尘器防护结构设计与分析

常波峰，郭奋超，马 亮，朱玉峰，刘 宽

陕煤集团神木红柳林矿业有限公司 陕西神木 719300

1 结构设计

喷雾降尘器安装在综采工作面配合采煤机使用，而采煤机在切割煤壁时造成巨大震动和大块煤块砸落，在考虑旋转部件稳定工作以及保护内部管路不受破坏的前提下，需要对防护外壳的结构及强度进行设计分析。喷雾降尘器结构如图 1 所示，由后防护网、防护外壳、水动力扇叶、水动力旋转轴、万象喷嘴、前防护网、喷嘴喷管、高压水管、三通管、旋转法兰等零部件组成。

图1 喷雾降尘器结构Fig. 1 Structure of spray duster

1.1 研究方法

运用 ANSYS 对防护外壳进行冲击载荷下的强度校核和模态分析，然后制作型机进行设备运转和噪声测定试验。分别在无外界干扰和井下作业下的环境进行测试，若测试结果不理想，则对防护外壳尺寸和内部结构重新设计；待符合使用要求后，再进行批量生产推广。防护外壳设计分析框架如图 2 所示。

图2 防护外壳设计分析框架Fig. 2 Design analysis framework of protective shell

1.2 防砸性设计

采煤机切割煤壁后会有大块煤岩砸落，而降尘器内水管和旋转部件的运转要求装置具有良好的防砸性。喷雾降尘器防护外壳如图 3 所示，主要包括支撑底座、喷嘴防护壳和主防护外壳。

图3 喷雾降尘器防护外壳Fig. 3 Protective shell of spray duster

支撑底座除固定支撑整个装置外，还起到保护高压水管的作用；而喷嘴喷管和万象喷嘴嵌套在喷嘴防护壳中，固定和保护喷嘴和管路；主防护外壳主要保护和固定旋转部件，需要较高的强度和振动稳定性，所以这部分外壳厚度被设计为 20 mm，约占整个装置质量的一半以上。

1.3 防护外壳内部结构设计

防护外壳设计分析框架如图 4 所示。为考虑管路的布置和旋转部件的固定，喷嘴防护壳内设计了 2 个高压水管通孔、前后 8 个防护网固定板、喷嘴喷管空腔和 2 个十字轴承座。双十字轴承座的设计为旋转部件提供支撑，并防止外界冲击过大导致轴承失衡，从而降低设备运转时的噪声。防护网固定板的设计不仅用于固定前后防护网，而且可以减小在外界冲击下十字轴承座受到的应力和应变。

图4 防护外壳内部结构Fig. 4 Internal structure of protective shell

2 防护外壳结构分析

2.1 动力学分析

2.1.1 几何建模

为提高分析速度，使用三维软件对防护外壳模型特征进行适当简化，忽略焊接对结构受力的影响，忽略所有的倒角和倒圆，简化所有螺纹孔[7]。

留置作为监察委员会最为刚性的调查手段，除通过上述条文词源的考据得出其一般共性(即强制性)外，国家监察法中的留置法律概念还须根据国家监察体系制度设计对其重构，并在宪法的语境下充分探析。

2.1.2 材料属性设置

防护外壳材料选择强度较高的 45 钢，弹性模量为 209 GPa，密度为 7 890 kg/m3，泊松比为 0.269，屈服强度为 355 MPa。

2.1.3 网格划分

采用四面体网格对简化后的模型进行网格划分，Element Size 设定为 10 mm，划分后节点数为 222 005个，单元总数为 135 200 个，防护外壳网格划分如图5 所示。

图5 防护外壳网格划分Fig. 5 Grid division of protective shell

2.1.4 载荷及约束设置

现实情况受力较复杂，将防护外壳的受力状态简化，添加自重约束。防护外壳用螺栓固定在采煤机上，对底座和防护网固定螺栓孔施加固定约束，根据2 t 煤岩砸落在防护外壳的状况，将 20 000 N 的阶跃载荷作用在防护外壳表面为 100 mm2的区域上，作用区域中心坐标为 (98.33，113.16，205.00)，冲击载荷方向相切于圆柱形防护外壳表面，并依据旋转部件的质量和重心位置，对靠近前防护网的十字轴承座下表面施加 0.4 MPa 的压力，对靠近后防护网的十字轴承座下表面施加 0.1 MPa 的压力。

2.1.5 结果分析

防护外壳在冲击载荷下的等效应力如图 6 所示，防护外壳所受应力分布均匀，最大正应力在上端防护网固定板位置处，大小为 265 MPa，分析结果远小于45 钢的屈服强度 355 MPa。可见，防护外壳结构设计合理，整体强度满足现场使用。

图6 防护外壳等效应力云图Fig. 6 Equivalent stress contours of protective shell

防护外壳在冲击载荷下的变形云图如图 7 所示。整个防护外壳变形主要发生在防护外壳上半部分，最大变形为 0.001 mm，发生在防护网固定板位置处，与应力分析结果一致。十字轴承座的支撑板最大变形小于 0.001 mm，而承载轴承的空心圆柱几乎没有发生变形，故防护外壳的结构设计可以保证喷雾降尘器的正常运转。

图7 防护外壳变形云图Fig. 7 Displacement contours of protective shell

2.2 防护外壳模态分析

喷雾降尘器在采煤机上使用，会受到采煤机工作和煤岩砸落等外界激励的影响。为避免防护外壳因为共振频率产生变形和噪声，影响降尘器的正常运转和使用寿命，笔者通过模态分析对防护外壳的固有频率和振型进行仿真。

2.2.1 数学模型

自由模态分析是通过建立系统特征值问题，用各种近似方法求解系统特征值和特征矢量，根据牛顿第二定律建立振动微分方程式

无阻尼自由度振动一般合成为简谐运动

式中：M为振动体的质量矩阵，kg；˙˙x为振动质量位移方向的加速度，m/s2；K为弹性元件刚度矩阵，N/m；为振动质量的位移，m；A为振幅，m；ω为角速度，rad/s；t为时间，s。

由式 (1)、(2) 可得

则系统振动的固有频率

式中：ωn为振动系统的固有频率，rad/s。

2.2.2 模态分析求解结果

防护外壳自由状态下的模态分析求解结果如表 1所列，其中包括防护外壳前 11 阶固有频率和振型描述。前 6 阶振型为刚体模态，频率大小近乎为 0，因此可忽略；第 7 阶至第 11 阶防护外壳振型如图 8 所示。由于喷雾降尘器所使用的工作环境振动频率远小于 400 Hz，所以防护外壳设计合理，满足工作使用。

图8 防护外壳 7～ 11 阶模态振型Fig. 8 Vibration modes of order 7～ 11 of protective shell

表1 防护外壳前 11 阶固有频率与振型Tab.1 Natural frequency and vibration modes of preceding 11 orders of protective shell Hz

3 型机试验

喷雾降尘器防护外壳设计完成后，进行型机制造和试验验证，对喷雾降尘器型机进行喷雾试验，然后在井下进行现场应用试验。

3.1 喷雾降尘器喷雾试验

防护外壳组装后对喷雾降尘器进行水压 5 MPa、保压 1 h 的喷雾运转试验，型机喷雾试验如图 9 所示，试验时设备运转状况良好。

图9 型机喷雾试验Fig. 9 Spray test of prototype

3.2 现场应用

将喷雾降尘器运送至井下进行现场应用，如图10 所示。喷雾降尘器喷射的喷雾可以很好地覆盖采煤机滚筒，防护外壳被切割掉落的煤岩频繁击打，经过一个开采班组 8 h 试用后，喷雾降尘器正常运转，防护外壳无损伤，无变形。

图10 现场应用Fig. 10 Field application

4 结语

以喷雾降尘器防护外壳为研究对象，对防护外壳结构进行设计，并结合振动稳定性和防砸性等现场使用条件，运用仿真软件对其进行动力学分析和模态分析。通过制作型机分别在无外界干扰和井下工作的环境进行喷雾试验和现场应用证明，该防护外壳结构合理，能保护设备正常运转。仿真计算和试验结果都符合喷雾降尘器的使用要求，为喷雾降尘器的结构设计提供了参考。