矿用振动筛弹簧永久变形故障研究_郭建华.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 1矿用振动筛结构及工作原理介绍 为减少煤炭燃烧带来的环境污染， 提高资源的高 效利用， 筛选煤炭成为行业内的必不可缺的环节[1]， 而 矿用振动筛设备是选煤的关键工艺装备，具有寿命 长、 噪声低、 筛选效率高等特点， 目前广泛应用于对煤 炭的筛选分级、 脱水、 脱泥等工序。 图 1双层矿用振动筛结构示意图 一般而言， 洗煤用的大型直线振动筛设备采用的 是座式水平安装方式， 且具有良好地对称性。 此外， 矿 用振动筛设备的筛面可以采用单层或双层设计方案， 如图 1 所示的某型号矿用直线振动设备则采用的是 双层结构设计方案，它的整体结构具有很好的对称 性， 结构重心位置居中， 具有较好的稳定性， 下层采用 底梁支撑结构，上层采用加强梁进行加强强度设计， 上层和下层之间采用弹簧和支承装置进行连接， 不仅 起到缓冲储能作用， 还能以底层作为支撑， 起到支承 上层的作用。 图 2激振器的工作原理图 直线矿用振动筛设备的激振器两偏心块在运转 时会产生足够的离心力，两个偏心块同步反向运动， 离心力按 K 方向的分力不断地叠加，但与 K 方向的 垂直方向， 其分力不停的相互抵消， 故而产生了唯一 朝着 K 方向的激振力，进而驱动振动筛实现直线运 动， 再加上物料的自身重力， 最终形成振动筛在 K 方 向即振动方向做往复直线运动，工作原理如下图所 示。 从振动筛设备的角度来看， 物料从入料端进入， 经 过上层的运输， 较筛孔小的物料透过筛面， 落到下一 矿用振动筛弹簧永久变形故障研究 郭 建 华 （山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司 ， 山西 晋城 048000 ） 摘要 通过对矿用振动筛结构及工作原理介绍， 分析了矿用振动筛的工况， 针对矿用振动筛的弹簧 永久性变形问题，采用 Ansys 软件建立矿用振动筛弹簧的有限元仿真模型，并进行静力学和模态分 析， 再经过试验验证， 对比分析有限元模型仿真数据和试验数据， 试验结果表明 基于 Ansys 软件的矿 用振动筛弹簧有限元仿真分析结果与试验验证结果较为接近， 而且反映出的振幅变化规律亦相接近， 证明有限元仿真分析结果可以作为矿用振动筛弹簧故障信息的判断依据。 关键字 矿用振动筛； 弹簧故障； 有限元 中图分类号 TD452文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0194-04 Test and analysis of permanent deation of vibrating screen spring GUO Jianhua （Yuxi coal mine limited liability company of Shanxi Lanhua Science andTechnology Innovation Group , Jincheng 048000 ， China ） Abstract Through the introduction of the structure and working principle of the mining shale shaker, the working condition of the mining shale shaker is analyzed. Aiming at the problem of the permanent deation of the spring in the actual working process of the mining shale shaker, the finite element simulation model of the mining shale shaker is established by using ANSYS software, and the static analy- sis and modal analysis are carried out. After the test, the finite element model simulation is compared and analyzed The results show that the simulation results of the finite element model based on the ANSYS software are close to the test results, and the amplitude change law reflected is also close, which proves that the amplitude law obtained from the simulation analysis of the finite element model can be used as the judgment basis of the spring fault ination. Key words mining vibrating screen ； spring failure ； finite element 194 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 层的筛面， 最后被筛后的物料从出料端排出来， 其工 作原理如图 2 所示。 2矿用振动筛有限元分析 在矿用振动筛的实际减震过程中， 弹簧在长期的 交变载荷作用下可能会发生故障， 从而导致整个弹性 支撑系统的刚度性能发生变化[2]。 根据有限元方法， 针 对矿用振动筛筛体的主要结构 （激振器和弹簧） 采用 ANSYS 软件进行有限元仿真分析，查询机械设计手 册[3]和 GB/T 713- 2014[4]、 GB/T 699- 2015 [5]等文献资 料，得到矿用振动筛原材料 Q245R 钢常温状态的材 料参数，再根据矿用振动筛实际工况及其受力情况， 对模型进行简化处理， 如图 3 所示， 随后进行网格划 分， 结果如图 4 所示。 图 3激振器有限元模型图 图 4激振器有限元模型的网格划分图 首先， 基于静力学分析矿用振动筛激振器在平衡 状态下受力的情况。 在 Static Structural 分析中添加重 力加速度的参数， 得到模型的位移与应力， 其结果分 别如图 5 和图 6 所示， 在图片中， 黑色线框表示模型 结构的初始位置， 位移和应力数值最大和最小的节点 分别用 MAX和 MIN进行了标示。 矿用振动筛结构本 身具有良好的对称性， 因而结构的静力学位移、 应力 也具有对称性特点， 最大位移值为 28.32mm， 位于结 构的出料端， 而最大应力值为 6.345MPa， 小于矿用振 动筛原材料许用应力， 满足设计要求。 其次，采用 ANSYS Workbench 平台中的 Modal 分析矿用振动筛固有频率及其振型， 判断其在激振力 作用下是否会出现共振及不利的振型， 并确定结构本 身的固有特性参数， 从而为模型结构得到较好的使用 性能。在实际工况中， 虽然矿用振动筛是具有无数个 自由度的振动系统， 但是对结构使用性能影响较大为 结构的低阶固有频率， 因此， 在有限元模态分析中， 只 需要明确前面的低阶固有频率及其对应振型， 则可确 定出矿用振动筛结构的固有特性。采用 ANSYS 软件 中 Block Lanczos 方法， 求解速度快、 精度高， 对结构 的前十一个低阶固有频率及其振型进行模态分析， 得 到的分析结构如表 1 所示。 图 5激振器有限元模型结构位移图 图 6激振器有限元模型结构应力图 表 1激振器有限元模型模态分析结果 阶数固有频率 f （Hz ）振型 一1.592全部向 Z轴移动 二1.694全部向 X轴移动 三2.502全部向 Y轴移动 四3.102全部向 Y轴移动 五3.701全部向 X轴移动 六3.792全部向 Z轴移动 七5.589Z向弯曲摇动和绕 Y轴摇动 八8.602Z向弯曲摇动和绕 X轴摇动 九9.605绕 Y轴摇动和绕 X轴摇动 十12.542加强梁与底梁沿 Z向异向摇动 十一15.425加强梁与底梁沿 Z向异向摇动 十二18.224入料口上部 Z向摇动 195 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 根据分析结果可知，前六个低阶振型均以刚体 运动为主， 因模型结构的弹性变形较小， 固有频率值 也较小， 其振型包括 3 个方向的平动和转动， 主要为 弹簧的变形；从第七至第十二阶的振型主要是以结 构的弹性变形为主， 振型主要是结构的局部变形； 第 十一阶的固有频率是 15.345Hz，与矿用振动筛设备 的工作频率相近，它的振型表现出入料口处的上部 分有较大的局部变形，因此在设计过程中应在该处 增加加强筋，增强刚度；第十二阶的固有频率为 18.224Hz， 比矿用振动筛设备的工作频率更大， 因此 矿用振动筛设备在正常工作状态时，不会出现共振 问题。 3矿用振动筛弹簧永久变形故障试验 文章建立了矿用振动筛的有限元模型，进行了 结构静力学分析和模态分析（固有频率及其振型） ， 再以某型号直线振动筛设备为对象，进行振动筛弹 簧永久性变形故障动力学试验，以验证理论分析的 结果。 3.1试验介绍 因煤矿厂区为防爆区域，对试验设备有防爆设 计要求， 所以选用某高校团队研发的 YHJ （C ） 型矿用 测振记录仪 （含相应的振动传感器） 作为试验用仪器 装置， 完全符合煤矿厂要求[6-7]。 针对矿用振动筛的结 构特点以及弹簧振动特性，在矿用振动筛的四个弹 簧座上分别在三个方向 （X 轴、 Y 轴、 Z 轴） 安装加速 度传感器， 用来检测加速度信号， 再换算得到速度和 位移信号数据， 最终可获得振幅数据， 安装的实际效 果图如图 7 所示。 图 7矿用振动筛弹簧传感器安装效果 在试验条件有限的情况下，本次试验采用对比 试验方法， 在同种工况下， 分别采用故障弹簧和非故 障弹簧进行单个对比试验，试验过程中人为的降低 弹簧性能，故障弹簧刚度比非故障弹簧刚度降低约 18， 其余均保证两种弹簧的一致状态。在试验的实 施过程中，将矿用振动筛一处的正常弹簧更换为故 障弹簧，用以模拟因弹簧永久变形故障而导致的刚 度变化，再分别检测得到矿用振动筛在健康工况下 的弹簧在三个方向上的振幅数据，得到数据后经换 算即可得到振幅变化系数。 3.2试验分析 经过试验验证， 得到检测数据， 经换算后得到振 幅变化系数，再与前文中的有限元仿真振幅变化数 据进行对比，并核算仿真数据与试验数据之间的误 差值， 最后研究分析振幅变化规律， 如表 2 所示。 表 2有限元仿真数据与试验数据的对比表格 在针对单个弹簧故障试验时，通过试验仪器采 集得到矿用振动筛弹簧座在三个方向上的振幅， 其 信号数据可反应出弹簧故障信息。虽然有限元仿真 数据与试验数据之间存在着一定误差，究其原因是 在运用 Ansys 软件建立有限元模型时，人为的对矿 用振动筛模型进行了简化，导致理论模型与实际质 心位置、 激振力方向等参数均不一致。 通过对有限元 仿真数据与试验数据的对比可以发现，有限元仿真 数据比较接近试验数据，而且反映出来的振幅变化 规律也很接近，表明弹簧永久性变形故障可依据有 限元仿真分析的振幅变化规律做出判断，首先通过 仿真分析得到弹簧的振幅规律，以提取到弹簧故障 信息的数据， 以诊断弹簧故障问题， 同时可以较为客 观的反映出矿用振动筛弹簧的实际应用工况状态， 测试位置 振幅变化系数 （ ） 相对误差值 （ ） 有限元模型试验数据 弹簧座 x10.0130.015- 15.703 弹簧座 x20.0240.017929.214 弹簧座 x30.2690.20829.247 弹簧座 x40.2040.237- 16.257 弹簧座 y1- 0.680- 0.59713.927 弹簧座 y2- 0.703- 0.6961.008 弹簧座 y3- 0.930- 0.93026.568 弹簧座 y40.7250.6659.037 弹簧座 z1- 4.524- 5.841- 29.119 弹簧座 z2- 9.720- 10.800- 11.113 弹簧座 z32.2572.075- 8.776 弹簧座 z412.38610.60316.819 196 ChaoXing （上接第 193 页） 更为广泛， 对生产工序影响更小， 安全系数更高， 应 用前景广阔。 参考文献 [1] 何倞.煤矿锤式破碎机的应用特点和优化改进[J].山东煤 炭科技,2016 （06） 101- 102. [2] 张小牛.PLCM1000 煤矿用轮锤式破碎机的开发与研究 [J].机电产品开发与创新,2016,29 （03） 64- 6516. [3] 秦浩,刘义.煤矿井下用破碎机的设计改进[J].矿山机械, 2014,42 （10） 73- 76. [4] 闫巧枝, 熊旭平.PLCM1000 煤矿用轮锤式破碎机组成及 破碎的优点[J].煤矿机械,2012,33 （12） 151- 152. [5] 张志,李文涛,张国新,高景峰.煤矿用 PLCM轮锤式破碎机 的改造设计分析[J].煤炭技术,2012,31 （08） 22- 23. [6] 岳磊. 锤式破碎机装机功率仿真及结构分析[D].河北工业 大学,2011. [7] 郑巨周. 非金属矿产加工机械设备 [M]. 北京 地质出版 社, 1999, 6869. 作者简介 郭江 （1988-） ,男， 山西省山阴县人， 研究方向 煤矿机 械。 （收稿日期 2020- 3- 10） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 也能够有效地指导设计人员的设计及设备操作人员 的日常维修和保养工作。 4结论 本文主要针对矿用振动筛在实际工作过程中突 出的弹簧永久性变形的故障问题，通过采用 Ansys 软件建立矿用振动筛有限元仿真模型，并进行了理 论研究分析 （静力学分析和模态分析） ， 再经过矿用 振动筛弹簧永久变形故障试验验证，对比分析有限 元模型仿真数据和试验数据， 结果表明 基于 Ansys 软件的有限元模型仿真分析的结果与试验测量结果 较为接近，而且反映出的矿用振动筛弹簧振幅变化 规律亦相接近，证明有限元模型仿真分析得到的振 幅规律可以作为弹簧故障信息的判断依据。 参考文献 [1] 闻邦椿， 刘树英. 现代振动筛分技术及设备设计[M]. 北 k 京 冶金工业出版社， 2013. [2] R. Rivera, A. Chiminelli, C. Gmez, et al.. Fatigue failure analysis of a spring for elevator doors [J]. Engineering Fatigue Analysis, 2010, 17 （4） 731- 738. [3] 闻邦椿. 机械设计手册单行本机械系统的振动设计及噪 声控制[M]. 第 5 版.北京 机械工业出版社， 2015. [4] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 713- 2014，锅炉和压 力容器用钢板[S]. 北京 中国标准出版社， 2014. [5] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 699- 2015，优质碳素 结构钢[S]. 北京 中国标准出版社， 2015. [6] 薛光辉， 赵新赢， 柳二猛等. 基于振动信号时域特征的综 放工作面煤岩识别[J]. 煤炭科学技术， 2015，（12） 92- 97. [7] 杜岩， 阚哲， 冯禹等. 基于无线通信的矿用本安型设备监 测子站研制[J]. 工矿自动化， 2017，（01） 5- 8. 作者简介 郭建华 （1982-） ， 男， 山西省高平市人， 2012 年 1 月毕业 于中北大学机电一体化技术专业， 助理工程师职称， 现从事 煤矿安全管理工作。 （收稿日期 2020- 3- 26） 197 ChaoXing