选煤厂振动筛疲劳破坏及改造研究

＊李晋雄 杨彬 李永盛

（1.山西潞安矿业（集团）有限责任公司古城煤矿 山西 046000 2.太原科技大学 山西 030024）

引言

振动筛在选煤厂有分级、脱水、脱介和脱泥等作用，其中筛分和分选功能对煤炭加工尤为重要，所以振动筛的工作效率对选煤厂的效益有直接影响。传统振动筛的底座支腿常采用钢制螺旋弹簧，其共振频率高，且无阻尼效果，导致振动筛使用寿命缩短。

空气减振器目前广泛应用于大型客车和商用车，能有效减小地面反作用力对车辆底盘和车架的冲击，减小车辆因路面冲击造成的振动，提高乘客舒适性，保护商品完整性[1]。本文提出了一种用空气弹簧代替传统钢制螺旋弹簧的改造方案，延长振动筛的使用寿命。

1.振动筛力学模型分析

煤矿用直线振动筛分设备通常属于重型振动筛分设备。工作时通过两台旋转方向相反的振荡电机同时工作来提供动力，带动减振系统上的筛机主体做直线振动。振动筛分设备主要由动力电机、筛箱、支撑座和减振系统构成，如图1所示。

图1 振动筛结构示意图

振动筛工作时，电机带动两台同步异向偏心式激振器高速旋转，使其产生两个方向不同的惯性离心力，且两个离心力的合力始终在一个方向不断变化[2]。稳定运行的振动筛受力分析如图2所示。

图2 振动筛在激振器作用下受力分析图

由图2的激振器运动力分析图可以看出，两台激振器在X方向的分力相互抵消，而在Y方向的分力叠加并随着激振器的转角周期性变化，即振动筛始终受到沿Y方向简谐变化的合力。对直线振动筛在理想工作状态下建立运动学方程：

其中，

M—振动质量，kg；

m—激振器偏心质量，kg；

c—弹簧阻尼，N/(m/s)；

ky—y方向弹簧刚度，N/m；

ω—激振器稳定工况下的角速度，rad/s；

α—振动筛的振动方向角。

可知振动筛体受到对称循环变应力，可用疲劳破坏理论研究其使用寿命。

2.振动筛疲劳破坏研究

(1)振动筛横梁疲劳破坏机理

振动筛运行过程中，激振器可以产生10Hz以上的高频振动，2～12mm的振幅，2～20t的激振质量。高强度的交变循环载荷作用在筛体的横梁上，使横梁在使用过程中由于疲劳产生裂纹，尤其是横梁两端的裂纹较为严重。横梁在交变载荷下产生的运动状态如图3。

图3 激振力不同方向时偏心块状态和横梁弯曲状态

S-N曲线（也称为疲劳寿命曲线）是一种表达材料在疲劳加载下应力与循环次数之间关系的图形，其中S表示材料所承受的应力，N代表的是材料断裂时所承受的应力循环次数，表征疲劳寿命。如图4所示，S-N曲线一般呈现出递减的曲线形状，即随着应力循环次数的增加，材料的许用应力逐渐减小[3]。一般来说，材料所受的应力较大时，寿命较短；随着应力幅值的减小，寿命逐渐增大。

图4 S-N曲线

由S-N曲线分析可知，若要延长振动筛横梁的使用寿命，在不改变激振器振动频率的前提下应减小横梁所受的交变载荷的幅值。振动筛工作时若激振频率和设备固有频率接近时会产生共振，使筛体的振动幅值急剧增大。振动筛的工作频率一般在13～19Hz，低于振动筛的设计结构固有频率，但由于制造因素影响了筛体的固有频率，且焊接过程中存在的缺陷会导致振动筛的局部强度较低[4]，引起了较大的应力集中，而空气弹簧固有频率低，所以提出使用固有频率较低的空气弹簧替换钢簧以避免出现共振现象。

(2)空气弹簧阻尼特性分析

带附加气室的空气减振器是在弹性空气减振器主气室和刚性附加气室之间设置节流孔，当空气减振器振动变形时，主、附加气室之间将产生压力差，空气流过节流孔时由于阻力而吸收一部分能量，具有一定的阻尼作用[5]。其简化力学模型可用图5所示的弹簧阻尼质量系统表示。

图5 空气弹簧简化力学模型

其运动学方程为：

其中，

F—空气弹簧的纵向载荷，N；

k—空气弹簧刚度，N/m；

c—空气弹簧阻尼系数；

x—纵向位移，mm。

假设激振器的激振频率不变，则振动幅值x越大，纵向速度x.越大，空气减振系统所产生的阻尼力f=-cx.越大。意味着在振动筛振幅最大的启停阶段，空气减振系统能提供较大的阻尼力，抑制振幅继续增大，同样由S-N曲线可知，此特性能延长振动筛的使用寿命。而钢制螺旋弹簧的阻尼非常小，且不会变化，只能起到缓冲的作用，无法衰减筛体的振动。

3.空气弹簧改造分析

工业空气弹簧减振器是一种常见的减振装置，广泛应用于各种机械系统中，能够有效地减少冲击和振动，提高设备的稳定性和寿命。本文对改造所使用的空气弹簧（如图6）的振动频率特性和阻尼特性做研究，并对比原钢簧特性分析改造效果。

图6 空气弹簧改造安装图

(1)空气弹簧频率特性分析

影响空气减振器刚度和振动频率的因素有很多，其中振动筛上影响空气减振器特性最主要的因素是垂向载荷的变化。

在初始状态下，空气弹簧的刚度基本上与其所受的垂向载荷成正比，垂向载荷越大，刚度越大；垂向载荷越小，刚度越小。而固有振动频率则随垂向载荷的增加而减小，尤其在载荷较小的区域，载荷变化对固有频率的影响很明显，如图7所示。

图7 空气弹簧刚度、频率与工作压力的关系曲线

(2)空气减振系统改造结果分析

橡胶空气减振器在使用中，技术人员现场用振动测试仪进行了测量，并与更换钢簧前进行了共振振动测试对比，具体统计数据如表1所示。

表1 设备运行过程共振测试对比

由表1可知，橡胶空气减振器运行过程中共振较低，总体小于1.90mm/s，而普通钢簧可达到7.58 mm/s。分析可知，橡胶空气弹簧可有效避免筛机出现共振导致振幅急剧增大的现象，根据S-N曲线知，可有效延长振动筛的使用寿命。

4.结论与讨论

本文采用空气减振系统代替传统钢制螺旋弹簧作为洗煤厂振动筛的减振系统，经过理论分析和现场测试，得到以下结论：

（1）空气减振器的共振平均值在1.09～1.864mm/s之间远低于普通钢簧的5.129～7.173mm/s，可有效避免振动筛工作期间出现共振现象并导致振幅变大，可延长振动筛的使用寿命。

（2）带附加气室的空气减振系统能随着振幅的增加产生较大的阻尼力，阻止了振动筛在启停阶段产生过大的振幅，使筛体受到的交变载荷维持在一定范围内，减少筛体所受到的疲劳破坏。