郭庄煤业选煤厂QZK1533型振动筛结构的优化研究

崔 丹

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100）

振动筛是一种广泛应用在选煤厂内的煤炭分选设备，由于选煤厂工作环境恶劣且振动筛在实际工作过程中承受了极大的激振力和交变冲击载荷的作用，导致振动筛在工作中频繁出现断裂、开裂的情况，特别是在工作过程中极易发生共振[1]，给振动筛的结构可靠性和筛分效果造成了严重的影响。本文以郭庄煤业选煤厂的QZK1533 型振动筛为研究对象，利用MATLAB 仿真分析软件对振动筛工作时的静力学特性进行研究，对其结构进行优化。根据在郭庄煤业选煤厂的应用表明，优化后极大地提升了振动筛工作时的稳定性和效率。

1 振动筛的振动理论

郭庄煤业选煤厂QZK1533 型振动筛的振动力学模型可简化为弹性体结构[3]。结合牛顿第二定律，可得出振动筛工作时质体的运动方程为[2]：

式中：

k-弹簧的刚度；

y-质体振动时的位移，mm；

c-弹簧的阻尼系数；

-质体振动时的速度，mm/s；

r-振动筛肋板长度，mm；

ω-系统的固有频率，Hz；

m-振动质体重量，kg；

t-时间，s；

M-振动筛的参振质量，kg；

-质体振动时的加速度，m/s2。

2 振动筛三维仿真分析模型的建立及静力学分析

利用SolidWorks 三维建模软件建立该振动筛的三维结构模型，然后利用ANSYS 仿真分析软件对其进行网格划分，在进行网格划分时采用自由网格划分的方法，在各个部件的连接位置进行细化处理。

利用MATLAB 仿真分析软件对该振动筛进行静力学分析[4]。该振动筛在工作中受力的应力云图和应变云图如图1、图2 所示。

图1 振动筛工作时的应力云图

由仿真分析结果可知，当振动筛在工作时其应力主要集中在加强管梁和筛箱的侧壁位置，其最大应力约为68.17MPa，工作时极易导致该处受力发生塑性变形及破坏。

图2 振动筛工作时的应变云图

由仿真分析结果可知，振动筛工作时的最大变形量主要集中在侧壁最下端的位置，其最大变形量约为1.08mm。该处位于侧板和加强管梁的连接位置，当振动筛在工作时极易发生疲劳破坏和开裂的现象。

对振动筛工作时的振动特性进行仿真分析可知，该振动筛工作时当在17Hz 时其振幅显著大于其频率值，因此说明在该工作点时极易发生共振现象，严重影响振动筛工作时的稳定性和使用寿命。

以上分析结果和郭庄煤业选煤厂振动筛的主要失效模式一致，表明了该分析结果的准确性，为后续的优化奠定了基础。

3 振动筛结构的优化研究

根据仿真分析结果，首先对其进行侧板加厚，用于提升其工作时的横向强度，同时加强其系统的固有频率；另一方面增加筛箱侧板的厚度，提升其工作时固有频率，将连接过渡处的圆角由5mm 提升至15mm。根据优化结果，本文选择将筛箱侧板的厚度增加至5mm，然后在相同的激励条件下对其进行仿真分析，其应力分布云图如图3 所示，应变分布云图如图4 所示。

图3 优化后振动筛工作时的应力云图

由仿真分析结果可知，优化后，当振动筛在工作时其应力主要集中在后侧加强梁的位置，其最大应力约为5.23MPa，应力降低了约92.3%，极大地优化了其工作时的稳定性和可靠性。

图4 优化后振动筛工作时的应变云图

优化后，其最大变形量约为0.97mm，比优化前降低了约10.1%，显著提升了振动筛在工作时的结构强度。

同时根据优化后对振动筛工作时振动特性的分析，其引起振动筛共振的频率由17Hz 提升到了19.66Hz，远高于振动筛正常工作时的振动频率，有效地防止了振动筛在工作中发生共振的概率。

4 优化后振动筛在郭庄煤业选煤厂的应用

根据以上分析，技术攻关小组对郭庄煤业选煤厂所使用的QZK1533 型振动筛结构进行了相应的优化。自2018 年10 月投入使用以来，其工作时发生振动的次数由最初的3 次/d 降低到了约1 次/75d，其工作时侧壁发生塑性变形的次数降低到了零次，停机检修的次数由1 次/2d，提高到了约1次/56d。其在郭庄煤业选煤厂的安装使用情况如图5 所示。通过对该振动筛结构的优化，极大地提升了其工作时的稳定性和可靠性。目前其优化方案已应用在郭庄煤业选煤厂全部8 台振动筛上，取得了良好的效果。

图5 优化后的振动筛在郭庄煤业分选厂的应用

5 结论

为了解决郭庄煤业选煤厂振动筛工作时振动冲击大、故障率高、效率低下的难题，本文通过对振动筛振动理论的分析，利用MATLAB 仿真分析软件对其工作时的静力学特性进行研究，针对性地提出了结构优化建议，根据在郭庄煤业选煤厂的应用表明：

（1）振动筛在工作时其应力主要集中在加强管梁和筛箱的侧壁位置，振动筛工作时当在17Hz时其振幅显著大于其频率值，因此说明在该工作点时极易发生共振现象。

（2）通过增加筛箱侧板的厚度，提升其工作时固有频率，将连接过渡处的圆角由5mm 提升至15mm，可将其工作时的最大应力降低92.3%，将其最大变形量降低10.1%。

（3）通过在郭庄煤业选煤厂的应用表明，利用MATLAB 仿真分析软件进行结构优化的方案切实可行，极大地提升了振动筛工作时的稳定性和可靠性。