振动筛大梁裂纹扩展特性的研究

郭瑞家

（晋能控股煤业集团大地选煤公司同忻选煤厂，山西 大同 037001）

引言

近年来，原煤的洗选加工工艺随着煤炭行业的技术改造也越来越被重视，洗选技术犹如雨后春笋般出现并迅速发展[1]。振动筛是我国目前洗选设备里面作为筛分设备最为主要的设备。振动筛通过激振器激励作用对经过的原煤进行分级、脱水等一系列操作，其高效工作是保证洗选加工的主要工艺环节。大梁作为振动筛的主要结构，其裂纹的产生尤其会影响到振动筛的运行结果[2]，而煤块的分布不均匀、激振器的不稳定性震动会使振动筛的大梁产生裂纹，所以对振动筛大梁裂纹产生的研究很有意义。

1 振动筛主要结构及工作原理

以双层直线振动筛为例，其结构示意图如图1所示。振动筛的主要工作部件是激振器，激振器是通过联轴器传递来自电机的高速转动[3]。激振器的主要部件是偏心块，偏心块在主轴的带动下由离心惯性力的作用传递给筛箱有规律的运动，振动筛在多应力的作用下，产生向着多应力的合力方向的运动轨迹。当物料到达振动筛后，由于先到筛面的底层较小颗粒会先通过筛面的筛孔落到下层，上层物料会随着筛面的振动，逐渐到达下一层的工艺，上层颗粒会随着下层大物料间隙变大而逐渐落到下层。

图1 振动筛结构示意图

2 振动筛大梁裂纹的扩展过程

振动筛在长期运行过程中会受到很多不同的作用力，其大梁的承受能力会逐渐变弱，细小的裂纹会逐步变成宏观可见的裂纹，如图2所示。

图2 裂纹萌生及扩展过程

目前，有许多描述裂纹扩展的计算公式，工程方面应用最多的是通过实验验证完成的Paris公式[4]：

式中：a为裂纹的深度或者宽度；N为应力循环次数；ΔKeff为等效应力强度因子变化范围；ΔKeff，max、ΔKeff，min分别为等效应力强度因子变化范围的最大值和最小值；C、m均为材料常数。

3 振动筛大梁裂纹扩展速率的影响因素

裂纹扩展会受到许多因素的影响，如外界环境、自身结构及原材料、载荷大小及频率。本文以已有裂纹的振动筛大梁为模型（见下页图3），排除裂纹的萌生状态，利用ABAQUS中的XFEM方法对振动筛大梁预制裂纹。分别探究裂纹的位置、深度、角度和支撑弹簧刚度对大梁裂纹的影响程度。

图3 大梁模型

3.1 裂纹出现的位置

侧板是带动大梁振动的主要结构，通过大梁传递激振器的激振力。通过观察可以发现靠近激振器发力位置，裂纹的扩散速率会明显比其他地方更高，这是应力变化大带来的影响，如图4-1所示。

3.2 初始裂纹深度

在裂纹不断加深的过程中，由于裂纹周围的强度因子会不断发生变化，从而造成裂纹不断扩展，如图4-2所示。

3.3 裂纹面与径向垂面的夹角

裂纹的径向面与裂纹面的夹角会引导裂纹的发展方向，所以夹角的大小对裂纹的扩展程度有很大的影响，如图4-3所示。

3.4 振动筛支撑弹簧刚度的变化

支撑弹簧是振动筛的主要零部件，由于长时间运行会造成弹簧发生永久性变形，而变形会导致筛面两侧的应力不均匀，进一步导致大梁产生不同的应力分布，同时由于物料在筛面的分布不均匀，也会对弹簧产生影响。说明当发生裂纹时，支撑弹簧变形对裂纹扩展速程度影响很大，见图4-4。

图4 不同因素对裂纹扩展速率的影响

4 结论

以应力强度因子作为纵坐标，分别得到四种因素对裂纹扩展速率的影响结果：支撑弹簧刚度的影响程度最大，其次是位置的影响，最后是深度和角度。因此，把弹簧的变形程度作为对振动筛大梁稳定性判断的依据，对生产实践中振动筛的维护具有一定的指导意义。