选煤用高频振动筛的谐响应分析

骆宏亮

（晋能控股煤业集团大地选煤公司永定庄选煤厂，山西 大同 037003）

引言

我国具有大量的矿产及煤炭资源，在开采矿产、煤炭的过程中，筛分处理是进行分选、脱水及脱泥的重要步骤之一，筛分技术的高低对于得到的矿产及煤炭的品质高低具有重要的影响。振动筛的种类繁多，高频振动筛采用较高的激振频率进行低幅振动，驱动功率小，具有结构简单、筛分效率高的优点，在煤炭等筛分中的使用越来越多[1]。高频振动筛在使用过程中，由于振动频率较高，对于振动系统的稳定性具有较高要求。

采用有限元仿真方式对高频振动筛的谐响应进行分析，从而优化振动筛面的结构，提高振动筛的稳定性[2]。

1 高频振动筛有限元模型的建立

有限元法是将连续变化的求解域进行离散处理的过程，在单元满足收敛的条件下，则可将近似解收敛于真实解。ANSYS是常用的有限元分析软件，采用位移法进行求解，在工程中应用较多[3]。所研究的高频振动筛为双质体振动筛，其主要的振动结构可以分为槽体组、弹片组及中间架组，振动部分安装支座即为振动筛的整体结构。槽体组包括响应的筛板及支撑件，弹片组包括弹片及弹片支撑件，中间架组包括电机支架、底板及中间架侧板及横梁[4]。采用SolidWorks对高频振动筛的主要零部件进行建模并装配，得到高频振动筛的整体模型如图1所示。

图1 高频振动筛的实体模型

在进行有限元分析的过程中，网格划分的精度对于计算结果的精度具有重要的影响。对所建立的高频振动筛，由于结构面多为不规则的多边形，采用四边形映射的方式，以最短线的长度为基准控制网格的精度，对模型进行网格划分[5]。

2 高频振动筛的谐响应分析

高频振动筛是典型的振动系统，对系统进行谐响应分析，要对振动筛进行模态分析。模态分析是进行结构动力学分析的基础，通过模态分析可以得到振动筛机械结构的固有频率及相对应的位移[6]。将高频振动筛看作为多自由度的振动系统，其模态分析结果仅与自身的结构有关，是进行谐响应分析的一个关键步骤。利用高频振动筛的有限元模型进行模态分析，可以得到系统的各阶固有频率及振型。通过模态分析可知，高频振动筛前五阶频率不足10 Hz，正常工作下的激振频率是12.5 Hz，位于第五及第六阶振动频率之间。在正常工作的模式下，振动筛不会发生振动[7]。

谐响应分析针对振动筛在周期载荷作用时产生的位移响应进行分析，还可以针对线性振动系统在简谐振动下的稳态响应进行分析。对振动筛进行谐响应分析，可以得出在一定频率作用下振动筛的位移响应，并可对节点位置的位移变化趋势进行分析[8]。在ANSYS分析软件中，对振动筛在0～50 Hz作用下的位移响应进行仿真分析，设定电机的激振力为12 kN，激振力作用在水平及竖直方向上，对振动筛选取不同的节点位置进行位移响应曲线的分析，图2所示为选取的节点位置。

图2 振动筛节点位置的选取

针对节点1的位移变化进行分析，图3所示为上层筛板的中间位置节点1处的水平位移及垂直位移变化曲线。从图3可以看出，在频率为4 Hz及8 Hz时垂直和水平方向的位移值较大，位移幅值可达6 mm；在频率为8 Hz时水平位移达到6 mm；当频率达到40 Hz以上时，水平方向会产生较大的位移。在系统的激振频率为12.5 Hz时，节点处的水平和垂直位移值均较小，此时振动筛产生的位移较小，不会发生共振，工作稳定。

图3 节点1的位移变化曲线

对振动筛在周期载荷作用下的应力进行分析，图4所示为激振频率为6 Hz时振动筛的应力分布。从图4可以看出，最大应力值位于筛板的前侧与所支撑筛板段的位置处，在筛板尾端的应力值也较大，存在着应力集中现象。振动筛在进行工作的过程中，在筛面的前端及尾端位置处与弹片的连接处存在应力集中现象，不利于振动筛的长期使用及稳定性，应针对筛面的强度进行一定的强化，优化振动筛的结构，防止振动筛的振幅过大，对振动筛的结构造成破坏，影响煤矿的筛分分选。

图4 振动筛的应力分布

3 结论

振动筛是进行煤炭分选的重要设备，并且在其他行业中也具有广泛的应用。选煤用高频振动筛的工作频率高、振幅小，在其工作过程中，不仅结构要满足承载的需求，筛分的效率及质量同样要满足需求。采用有限元分析的方式，建立高频振动筛的有限元模型，对其进行模态分析，得到各阶的振动频率及振型，并在此基础上进行谐响应分析，得到不同激振频率下的振动筛位移响应曲线以及应力分布云图。进一步分析得到如下结论：

1）通过分析位移响应曲线可知，高频振动筛在正常工作频率下不会发生共振，在激振频率为4 Hz及8 Hz时，振动筛的振幅最大。

2）对振动筛的应力进行分析可知，在筛面的前端及尾端位置处与弹片的连接处存在应力集中现象，应对筛面的结构进行优化，提高筛面的结构强度，从而保证振动筛工作的稳定性，提高煤炭等分选的品质。