煤炭洗选弧形筛动力学性能模拟分析

严 强

（晋能控股煤业集团大地选煤工程有限责任公司，山西 大同 037000）

引言

我国是煤炭生产的大国，洗选是煤炭生产中重要的工序，通过洗选煤作业，可以显著地提高煤炭的质量和利用率。洗选煤用的设备中，弧形筛的运用较为普遍，它通过振动电机的作用，依靠弧形底座和筛网的组合可以避免筛网的堵塞，其脱水、脱介性能都明显高于其他类型的洗选设备。在弧形筛的使用过程中，由于洗选煤的工作量大，设备长期处于运行状态，且弧形筛承受煤泥的重量及振动电机交变载荷载荷的作用，使得弧形筛容易出现疲劳破坏，导致设备的损坏，无法继续工作[1]。采用有限元分析的方式，对弧形筛的动力学性能进行仿真模拟，从而可以为弧形筛的疲劳分析提供参考，从而改进弧形筛的结构和参数，延长设备的使用寿命。

1 弧形筛动力学分析模型的建立

采用ADAMS有限元分析软件对弧形筛进行动力学性能模拟，ADAMS是常用的机械系统的动力学分析软件，在工程领域具有广泛的应用。ADAMS可以通过强大的图形交互界面进行分析求解，可以方便地实现复杂机械系统的动力学仿真分析。首先采用Pro/E三维绘图软件进行弧形筛三维结构的建模，依据弧形筛的主要结构，进行一定的简化处理，得到其三维模型[2]。

对建立的弧形筛三维模型直接导入到ADAMS软件中，检验各模型的完整性，避免弧形筛的构件在转换的过程中分散成多个零散件，采用布尔运算将其组成为一个整体。对于弧形筛各构件之间的约束关系，采用运动副进行添加，振动电机的偏心块与电机轴之间采用旋转副来约束，筛板底座与电机之间采用固定副固接在一起；弧形筛的支撑箱体采用弹簧作为减震器，属于柔性连接，无法通过运动副约束，采用ADAMS轴套力对减震器的柔性连接进行模拟，依据弹簧的刚性系数及阻尼施加柔性力作用[3]，由此得到洗选弧形筛的模型如图1所示。弧形筛通过振动电机的驱动实现振动，添加偏心块绕电机轴的转动模拟电机的转动，电机的启停控制通过step函数实现，step函数实现驱动作用的描述[4]，设定电机的启停时间为10 s，由此对弧形筛的动力学性能进行分析。

图1 弧形筛的动力学分析模型

2 弧形筛动力学的仿真分析

通过ADAMS进行模拟分析，得到对弧形筛的动力学分析结果。由于弧形筛的底座和筛箱结构功能不同，对其具有不同的性能要求，分别提取弧形底座和筛箱质心处的位移如图2、下页图3所示。从图2、下页图3中可以看出，弧形底座和筛箱在1~9 s内处于稳定的振动状态中，弧形底座在X方向上的位移振幅为4.5 mm，在Y方向上的位移振幅为5 mm，筛箱在X方向上的位移振幅为0.45 mm，在Y方向上的位移振幅为0.5 mm。通过分析可知，弧形底座的振幅要明显大于筛箱的振幅，由此在使用过程中可以避免筛缝的堵塞，较小的位移振幅可以减少筛箱的疲劳损坏，有利于延长其使用寿命。

图2 弧形底座质心的位移振动曲线

图3 筛箱质心的位移振动曲线

在对弧形筛进行多刚体动力学分析的过程中，设定的所有部件均以刚体进行定义，在分析过程中，没有考虑到柔性系统的作用。在弧形筛实际的使用过程中，由于一些构件的变形，采用刚体进行分析则会造成分析的精度不足或造成偏差。弧形底座是洗选煤弧形筛的重要零部件，且属于梁结构零件，其弹性变形对系统的影响较大[5]。采用多柔体的分析方法，将弧形底座作为柔性体进行分析，则可对弧形筛进行刚柔耦合分析。采用ANSYS有限元分析软件对弧形底板进行柔性化处理，建立弧形底座的刚性区域，刚性区域即柔性体与刚体连接的位置，采用连接节点进行表示，设定弧形底座的刚性区域为与减震器想连接的螺栓孔位置[6]。采用设定的柔性弧形底座替换掉原有的弧形底座，保持约束及参数的不变，对柔性系统进行动力学仿真模拟，得到弧形底座及筛箱的位移振幅如图4、图5所示。

通过图4、图5可以看出，对弧形底座进行柔化后得到的弧形底座在X方向上的位移振幅为3.5 mm，在Y方向上的位移振幅为4.5 mm，比刚性分析的振幅要小，这是由于在相同的激振载荷作用下，柔性体既产生振动，同时还要产生变形；筛箱的位移在两个方向上相对刚性分析明显地减小，这说明，筛箱的位移更多地取决于柔性底座传递的振动作用，改变弧形底座的设置，可以有效地减小筛箱的变形，提高其疲劳寿命。

图4 柔化弧形底座质心的位移振动曲线

图5 柔化筛箱质心的位移振动曲线

3 结论

1）对弧形筛进行柔性耦合处理后，弧形底座的位移振幅具有一定程度的减小，筛箱的位移振幅明显减小。

2）通过改变振动电机的作用及弧形底座的传递，可以有效地降低筛箱的位移，延长其疲劳寿命，提高煤炭洗选的性能及可靠性。