引言

隨著我國能源基地的戰略西移礦井建設的規模擴大煤炭企業迫切需求大型可靠高效的選煤設備 [1]由于西部地區水資源貧乏濕法分選技術的應用受到限制導致該地區每年開采的數億噸原煤得不到有效的分選加工因此這給干法選煤技術提供了應用發展的空間同時也對干法選煤設備提出了大型化和高效節能的新要求 

基于干法選煤的需求國內某公司設計開發了差動式干選機并得到了廣泛應用徐全恒 介紹了48 m2 差動式干選機設計的主體結構工作原理和技術參 數以及使用效果任尚錦  研制了 CFX-48A 型差動式干選機并對使用效果進行深入分析滿足大規模生 產需要魏亮 介紹了FX-24大型干選機的系統組成工作參數和關鍵技術以及現場應用情況并對大型干選機的幾個關鍵技術問題進行了探討對關鍵部件進行了強度分析

干法選煤設備逐漸向大型化方向發展安全穩定成為一個重要問題檢索發現目前對干法選煤設備的研究主要集中在使用效果方面很少文章去研究干法選煤設備各部件的強度安全問題對于結構設計主要靠經驗解決為保證差動式干選機的正常工作迫切需要對設備的各個部件進行強度分析確保安全生產

1    差動式干選機整體結構

差動式干選機主要由參振部件振動給料機整體機架等部件組成除主要部件外還有吸塵罩鼓風機操作平臺梯子料倉除塵器等附屬部件及結構激振器和分選床面固連在一起構成參振部件通過鋼絲繩 懸掛在整體機架上差動式干選機主體結構組成如圖1所示其余附屬部件及結構并不會對整體機架模態及強度構成大的影響故未在圖中畫出但是附屬設備的安裝會增大整體機架的載荷靜力分析中按照整體重力加載到有限元模型中

1. 參振部件 2. 振動給料機 3. 整體機架

圖1 差動式干選機結構組成

2 整體機架有限元分析

2.1 整體機架有限元模型的建立

應用UG NX 10.0 三維建模軟件建立12 m2 差動式干選機整體機架三維模型對三維模型進行簡化忽略焊接螺栓連接等局部問題假設機架所有零件為材料均勻的整體研究整體機架的模態和應力應變將整體機架三維模型導出為IGS 格式保存啟動Ansys 有限元分析軟件將IGS 格式三維模型導入Ansys 中并確保三維模型尺寸單位與所設置材料屬性的的統一對三維模型劃分網格應用Solid 186 單元該單元是一個高階三維20 節點固體結構單元具有二次位移模式可以更好地模擬不規則的結構, 能夠滿足整體機架模態分析和靜力分析的需求整體機架固定在地面基礎之上故劃分完網格后對有限元模型6 個支柱底面施加固定約束約束X Y Z 等方向自由度有限元模型如圖2 所示

圖2 整體機架有限元模型

2.2 整體機架模態分析

模態分析可以得出模型固有頻率以及在固有頻率作用下模型的振動情況以便在結構設計時避免共振帶來的結構損傷發現結構設計的薄弱環節和不足之處并對結構設計進行優化通常來說模型的固有頻率有很多階在分析時需要設定模態分析結果的階數求解結果一般選擇共振振型以便觀察在共振時模型結構的變化對于有激振源的模型模態分析是必須的通過分析不同階數的固有頻率將其大小與激振源的頻率作對比分析是否會發生共振

2.2.1 模態分析的理論基礎

模態分析是研究機械結構動力特性振動分析和動態優化設計的常用方法模態是機械結構的固有振動特性每一個模態對應相應的固有頻率和模態振型根據有限元及振動理論可知具有有限個自由度的彈性系統其振動微分方程為[5]

2.2.2 模態分析步驟及結果

在有限元模型的基礎上進行分析時選擇分析類型為 Modal 即模態分析提取的模態階數為10 進行求解得到整體機架前10 階固有頻率及振型前10 階部分典型振型如圖3~ 圖7 所示前10 階固有頻率表1所示

圖3 一階振型

圖4 三階振型

圖5 五階振型

圖6 七階振型

圖7 十階振型

2.2.3 模態分析結論

由前10 階振型可見一階和二階頻率比較接近振型類似振動特性為機架上部沿Y 方向的變形三階振型為底部橫梁的變形四階和五階頻率比較接近振型類似振動特性為機架立柱上部及上部橫梁沿X 方向的整體變形六階振型為底部橫梁的變形七階八階九階十階振型發生共振后的振型各不相同為機架上部或下部的變形或扭曲

工程力學理論認為在實際工程中結構發生共振其共振頻率往往是低階的模態頻率因此設計中要避免在低階共振區發生共振通過模態分析發現干選機整體機架的低階模態范圍為1.3~4 Hz

干選機整體機架主要承受來自激振器的振動載荷激振器正常工作轉速為400 r/min計算頻率為6.67Hz機架不會發生共振在激振器啟動階段和停止階段激振頻率會和固有重合發生共振因此在激振器啟動階段要快速通過共振區并通過結構設計對機架危險部位進行加強

2.3 整體機架靜力分析

靜力分析是計算在固定不變的載荷作用下結構的效應不考慮慣性和阻尼的影響但是靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結構的影響如重力離心力[6]

差動式干選機整體機架主要承受參振部件和物料的離心力作用同時承受振動給料機吸塵罩鼓風機操作平臺梯子料倉除塵器等附屬部件及結構的重力以及自身重力的作用附屬設備的安裝會增大整體機架的載荷假設附屬部件及結構均勻布置在整體機架上靜力分析中按照1.5 倍整體力加載到有限元模型中

以12 m2 干選機為例參振部件質量為7 100 kg物料1 200 kg最大加速度29 m/s2可以計算離心力F=ma+mg假設離心力均勻作用在4 個懸掛點

建立靜力分析有限元模型并按照上述假設施加載荷將計算得到的載荷施加到有限元模型上選擇分析類型為Static 進行靜力分析求解整體機架靜力分析應力應變云圖如圖8 所示

圖8 整體機架應力應變云圖

2.4 有限元結果分析及結構優化設計

2.4.1 有限元結果分析

1）通過模態分析可知整體機架在激振器作用下不會發生共振在激振器的啟動和停止階段應快速通過共振區

2）通過靜力分析結果可知整體機架最大變形量為10.85 mm最大應力為504 MPa最大應力和最大應變都發生在機架上部右側參振部件懸掛點及兩個懸掛點中間位置附近最大應力504 MPa 位于工字鋼腰部和腿部直角位置這是由于有限元模型簡化引起的較大應力部位為工字鋼的焊接位置大小為150 MPa 左右除懸掛點附近和焊接位置應力較大其余部位應力較小在100 MPa 以下

2.4.2 結構優化設計

1）整體機架尺寸較大最大變形量為10.85 mm相對變形較小只需要在所有跨度較大部位進行斜撐設計即可

2）工字鋼焊接位置應力較大結構設計時采用支撐加強筋及托板的組合設計如圖9 所示

圖9 支撐加強筋及托板結構

3）整體機架由工字鋼焊接而成材料為Q235, 屈服極限為235 MPa整體機架最大應力超過材料屈服極限應對機架上部四個懸掛點及中間進行加強重新進行結構設計如圖10 所示

圖10 優化后整體機架結構

4）整體機架優化設計后重新進行靜力分析應力應變如圖11 所示由圖11 可知經過優化設計改進機架結構整體機架最大變形量為2.69 mm變形較小最大應力為212 MPa低于材料的屈服極限不會發生塑性變形

圖11 優化后整體機架應力應變云圖

差動式干選機研制成功并得到系列化生產以及推廣應用取得了良好的經濟和社會效益圖12 為某選煤廠差動式干選機的應用

圖12 差動式風力干選機的應用

3 結論

通過對差動式干選機整體機架進行靜力分析和模態分析根據有限元分析結果對整體機架的結構進行優化確保整體機架在外載荷和激振器的作用下不會發生共振并且應力應變在允許范圍內為整體機架的結構設計及改進提供理論依據