选煤厂弧形筛筛板的柔化及仿真分析

宋 丹

（山西焦煤霍州煤电李雅庄洗煤厂， 山西 临汾 031400）

0 引言

选煤厂是对原煤进行再加工处理的场所，是提高煤炭质量的一道重要工序。弧形筛筛面与弧形筛相互组合的独特结构能够避免筛缝的堵塞，其脱介、脱水性能相比于普通弧形筛得到明显的改善。在实际生产中，弧形筛的工作量很大，在长期的运行中弧形筛承受着物料的质量；而且在振动电机的作用下，设备还需承受交变的激振力；在此种工况下，弧形筛会出现不同程度的疲劳破坏，甚至出现断裂、开裂的情况，从而无法完成其筛分的功能。为了获得弧形筛的真实疲劳寿命，本文将对弧形筛进行柔化处理，在此基础上对其疲劳寿命进行仿真分析[1-2]。

1 弧形筛概述

本文研究型号为VSB302060 的弧形筛，其主要结构包括筛箱、振动电机、筛板弧形座和隔振弹簧[3]。该设备是结合了普通弧形筛和振动弧形筛改进而来的，该设备区别于普通弧形的关键点是能够有效防止物料对筛缝的堵塞。VSB302060 型弧形筛的基本结构如图1 所示。

图1 弧形筛普通结构示意图

弧形筛工作原理如下：当筛面未发生堵塞现象时，该选煤弧形筛与普通弧形筛的工作原理一致，即可实现对煤泥水的脱介脱水处理；当筛面发生堵塞时，选煤弧形筛的振动电机启动，在振动电机的作用下带动选煤弧形筛筛板弧形底座的谐振，从而产生较大强度的振动，使得堵塞筛面的颗粒落下，达到疏通筛面的目的。

从整体上讲，选煤弧形筛可以有效避免筛面煤炭颗粒对其堵塞现象；而且筛箱的小幅度振动即可带来大强度的振动，间接保证了筛网的使用寿命。

2 选煤厂弧形筛有限元仿真模型的建立与柔化处理

在以往对选煤弧形筛疲劳寿命分析时，只将设备各部件视为刚性体，而在实际中各部件均为弹性体，导致仿真所得到的结构与实际值存在一定的误差。因此，本文将重点在对弧形筛柔化处理的基础上，对设备的疲劳寿命进行仿真分析[4-5]。

2.1 弧形筛有限元仿真模型的建立

首先，基于Pro/E 三维建模软件对VSB302060 型弧形筛筛板的结构模型进行建立；在建模过程中，在保证仿真计算精度的基础上，为了减少仿真计算量，对设备本身的倒角、圆角以及螺栓进行简化处理。然后，将所构建的三维结构模型导入ANSYS 有限元分析软件中，根据建模材料属性对模型中的参数进行设置。

VSB302060 型弧形筛筛板弧形座所选的材料是Q235A 钢，其相应的材料属性如表1 所示。

表1 弧形筛筛板Q235A 材料属性

对材料属性设置完毕后的模型进行网格划分后，得到数值模拟仿真的模型。网格划分结果：弧形筛弧形座的网格单元数量为147 807，对应的节点数量为236 411。最终得到弧形筛弧形座的有限元仿真模型如图2 所示。

图2 弧形筛弧形座有限元仿真模型

2.2 弧形筛弧形座的柔化处理

以往针对弧形筛弧形座疲劳寿命仿真分析时将其关键部件视为刚性；但是，在实际生产中各部件均会出现不同程度的变形。因此，完成将部件视为刚性体，仿真结果与实际生产存在较大的差异性，即不能准确反应弧形筛的疲劳寿命，对实际生产的指导意义不明显。

因此，需要将弧形筛弧形板进行柔化处理，对应得到弧形筛弧形板的刚柔耦合的仿真模型。目前，可通过ADAMS 软件和ANSYS 软件对弧形筛板进行柔性处理。二者比较可知：基于ADAMS 软件对弧形筛板进行柔性处理，最终所获得的模型相对简单且精度较低；而基于ANSYS 软件对弧形筛板进行柔性处理后，最终所获得的模型精度较高。因此，本文将采用ANSYS 软件对弧形筛板进行柔性处理；柔性处理的关键在于在模型中建立刚性区域。所谓刚性区域指的是刚性体和柔性体相连接的节点。对于弧形筛的弧形筛板，其刚性区域为模型中减震器的四个螺栓孔，如图3 所示。

图3 弧形筛筛板所构建的刚性区域

3 弧形筛筛板的疲劳寿命仿真分析

实践表明，影响设备疲劳寿命的因素包括有设备本身的工作条件、零部件的工作状态以及材料的本质属性等。在上述三大因素中各自还包括有多种小因素，其中设备部件所承受的集中应力、机械构件的尺寸、表面状态以及设备本身所承受的载荷等均是影响其疲劳寿命的关键。

3.1 弧形筛筛板的S-N 曲线

S-N 曲线是疲劳寿命分析的重要依据。弧形筛筛板的材料为Q235A，根据表1 中材料的属性得到弧形筛板的S-N 曲线如图4 所示。

图4 弧形筛筛板S-N 曲线

3.2 筛板的疲劳寿命仿真分析

实践表明，筛面被煤炭颗粒堵塞后，需要在振动电机的作用下，筛板弧形座联动筛板形成谐振。可以说，在振动的作用下，弧形筛筛板为薄弱环节，极易发生疲劳破坏。因此，重点对弧形筛板的疲劳寿命进行研究。

在S-N 曲线的指导下，结合弧形筛筛板的载荷和受力情况，所得筛板的疲劳寿命云图如图5 所示。

图5 弧形筛筛板疲劳寿命仿真云图

对所得的弧形筛筛板的疲劳寿命云图进行分析得出：筛板上疲劳寿命最薄弱的环节为所构建的刚性区域，即与减震器连接的四个螺栓孔为薄弱环节。而在未对筛板进行柔化处理的仿真模型进行疲劳寿命仿真分析时，所得的仿真结论为筛板满足设备实际工况的使用要求，无薄弱环节。

因此，为提升弧形筛筛板的使用寿命和安全性，应重点对于减震器连接的四个螺栓孔的位置进行改进，已达到提升其疲劳寿命的目的。

4 结论

弧形筛为选煤厂中对煤泥水进行脱介、脱水处理的关键设备，其在实际应用中处于持续工作的状态。本文所研究的弧形筛是在普通弧形筛和振动弧形筛综合的基础上高性能弧形筛，该设备由于可解决筛面堵塞的问题，使得其应用较为广泛。但是，在振动电机的作用下，其振动幅度较普通弧形筛较大，而且其筛板为整个设备的薄弱环节。本文在对筛板柔化处理的基础上，对其疲劳寿命进行仿真分析，并得出如下结论：

1）对筛板进行柔化处理后，可以得出与减震器连接的四个螺栓孔为薄弱环节；

2）为提升弧形筛整机设备的使用寿命，可对四个螺栓孔进行改造消除薄弱环节。