大型振动筛在中国的研发及应用

邵 明

（大地工程开发（集团）有限公司，天津 300381）

在煤炭行业，振动筛是不可缺少的生产设备，担负着产品分级、脱水、脱泥、脱介，甚至是分选的艰巨任务。振动筛产品性能的优劣、质量的好坏直接影响到煤炭产品的质量及生产成本。

随着工业现代化进程的快速发展，煤炭生产企业规模越来越大，企业为了提高生产效率、降低生产成本，对大型筛分设备有着迫切的需求，同时对振动筛的性能和可靠性提出了更高的要求。

1 传统设计方法

下面是一个用传统理论计算方法求解应力的简单实例[1]，以图1 为例。

式中：σ—设计强度。F—施加荷载。A—横截面积。σs—屈服强度。n—安全系数。

图1 应用求解实例

因为不同形状尤其是复杂形状的构件在受力时，各尖角圆角部位都会产生应力集中情况，用传统理论计算方法的关键和难点在于不能准确确定局部位置的应力数值，只能凭经验或实验来选择安全系数值。对于一些非常关键的部件需要大量的实验及经验来确定安全系数的选取范围，当安全系数过小时很难保证设备的安全性；当安全系数过大时设计保守，产品笨重，增加了制造成本。而安全系数一般很难进行准确的选择，因此，这种设计方法并不能得到准确的计算结果。

对于振动筛而言，传统设计方法采用的经验设计和半理论设计方法已经不能满足大型振动筛在可靠性、经济性、适应性上的要求，需要开发更先进的设计方法[2]。

2 现代设计方法

有限元法是随着计算机技术发展而快速发展起来的一种现代设计方法[3]。在振动筛设计上全面采用有限元法进行设计，可以精确计算各部件应力大小，对筛体结构进行优化设计均衡各部位的应力分布；采用有限元法进行模态分析能有效避免由于共振产生的有害影响；必要时采用有限元法进行谐响应分析探测共振响应判断响应的危害程度。

以图1 中的构件为例，利用ANSYS 有限元软件的静态分析功能得到分析结果，可以直观地分析出部件不同部位的应力大小，根据这个结果可以快速有效地进行部件结构优化，这是用传统理论计算不可能实现的。

2.1 有限元法静态强度分析在振动筛设计上的应用

2.1.1 建立振动筛实体模型

使用三维软件建立振动筛各零部件的实体模型如图2所示，将各零部件装配到一起组成完整的振动筛三维模型。装配体使用干涉命令检查，以确保三维模型装配正确，没有干涉部位。

图2 振动筛实体模型

2.1.2 创建振动筛有限元模型

将振动筛所有部件采用实体单元划分网格，所有铆钉、螺栓连接采用梁单元，激振器采用质量点代替。

2.1.2.1 施加边界条件

将振动筛弹簧支座采取简支约束，将激振器采用质量点替代并施加力载荷，筛机整体施加沿激振器振动方向的加速度载荷，沿与地面垂直方向施加重力载荷，筛面施加等效物料载荷。

2.1.2.2 后期处理分析

选择应力分析云图，查看最大应力出现的位置，判断各部位应力集中位置应力的真实性，评估各部位应力是否满足设计要求。

2.2 有限元法模态分析在振动筛设计中的应用

模态分析是研究结构动力特性的一种方法，首先使用试验模态分析结果对有限元模型进行修正，确认有限元模型准确后再采用计算模态分析方法。

2.2.1 模态分析结果

通过对前15 阶模态分析结果进行分析，其中前6 阶为刚体模态，并没有实际意义。前7-12 阶模态分析计算结果与测试结果对比情况见表1。

表1 前7-12 阶模态分析计算与测试结果对比表

第7 阶模态：表示在水平面内沿筛子中部的摆动变形。

第8 阶模态：表示在垂直平面内的扭转变形。

第9 阶模态：表示在水平面内的扭转变形。

第10 阶模态：表示在水平面内沿筛子后半部的摆动变形。

第11 阶模态：表示入料端起吊梁处与筛子中部下边缘处的水平摆动变形。

第12 阶模态：表示筛子前半部分水平扭转，入料端起吊梁处摆动变形。

2.2.2 模态分析结果评估

根据模态计算结果工作频率可以设定在15 Hz 上，与低阶7 阶固有频率及高阶8 阶固有频率相差值都高于10%，不会产生共振情况，如果要使筛机有更宽的工作频率范围，需要根据7 阶及8 阶模态结果进行筛机结构调整，降低7阶模态频率，提高8 阶模态频率以实现更宽的工作频率调整范围[4]。

2.3 总结

应用现代有限元法进行振动筛的结构分析、模态分析，再辅以谐响应分析和优化设计，并采用先进的制造工艺可以制造出高可靠性和高性能的振动筛。采用现代设计方法的有限元法进行振动筛结构设计，可以有效地优化筛机结构、避免共振、减少噪声，极大地提高筛机设计的可靠性。理论上可以对任意大小的筛机进行可靠的设计。

应用有限元分析法的设计优势有5 点。1）增加设计功能，减少设计成本。2）缩短设计和分析的循环周期。3）增加产品设计的可靠性。4）采用优化设计，降低材料的消耗或成本。5）模拟各种试验方案，减少试验时间和费用。

3 实际应用

奥瑞工业技术有限公司采用有限元分析方法设计制造的ABD4885 双层香蕉筛，是目前世界上单台筛分面积最大的振动筛，已经在中国冯家塔煤矿得到成功应用。该振动筛采用双激振梁结构，6 台激振器同步驱动。

冯家塔煤矿项目基本情况：

项目名称：陕西冯家塔矿业有限公司冯家塔煤矿

地理位置：中国-陕西-府谷县

建设规模：10.0Mt/a

振动筛的主要设计参数如下：

设备型号：4.8×8.5m 双层香蕉筛

驱动功率：2×90kW

处理能力：1 200 t/h

入料粒度：-300 mm分级粒度：40/25mm

该设备于2016 年6 月投入生产使用，根据测试结果，振动筛的各项指标均达到了设计要求，单台设备的实际处理能力达1 350 t/h。到目前为止设备一直运行稳定，具有可靠性高、运行高效的特点，为企业创造了良好的经济效益。

4 结论

采用现代设计方法的有限元法进行振动筛结构设计，可以有效地优化筛机结构、避免共振、减少噪声，极大地提高筛机设计的可靠性。同时，应用现代设计方法，采用先进的制造工艺，生产可靠性高、性能优越的大型振动筛代表了目前行业的发展趋势。由奥瑞公司设计制造的世界上单台筛分面积最大的ABD4885 双层香蕉筛已在实际项目中得到了成功应用，该设备具有可靠性高、运行高效和使用寿命长等特点，为企业创造了良好的经济效益。