小型高頻振動篩動力學(xué)仿真與試驗研究

朱帥

摘要：針對煤礦井下水倉空間狹小、環(huán)境惡劣及井下煤泥脫水設(shè)備體積大等問題，設(shè)計了一種小型高頻泥水分離振動篩，以適應(yīng)并完成井下清倉后煤泥脫水任務(wù)。通過Solid Works創(chuàng)建了小型高頻泥水分離振動篩的三維模型，通過ADAMS對其運動狀態(tài)進(jìn)行了模擬和分析，并利用ANSYS Workbench進(jìn)行振動模態(tài)分析，使用LMS Test.Lab對該振動篩進(jìn)行了模態(tài)試驗及運行狀態(tài)下的振動試驗。結(jié)果表明：設(shè)計的小型振動篩符合泥水分離振動篩的要求，并通過現(xiàn)場測試得出了該振動篩能滿足井下清倉后煤泥脫水處理的任務(wù)。

關(guān)鍵詞：清倉泥水分離振動篩動力學(xué)仿真

0前言

煤炭作為我國能源結(jié)構(gòu)中的主要能源，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要支柱。礦井水是伴隨煤炭開采生產(chǎn)過程的必然產(chǎn)物。生產(chǎn)1 t的原煤須排出2～7 t的礦井水，礦井水含有濃度較高的煤粉顆粒、巖石粉塵和無機鹽等，最高能達(dá)到4 000 mg/L，礦井水主副水倉在起到緩沖、儲存礦井水的同時，還起到沉淀池的作用，用于沉淀澄清礦井水。主副水倉形成的沉淀沉積物會占用主副水倉的有效容積，嚴(yán)重影響主副水倉的儲水量，給礦井帶來了隱患，必須及時清理。根據(jù)國家關(guān)于煤礦生產(chǎn)安全的相關(guān)規(guī)定，為預(yù)防井下水害、保證煤炭生產(chǎn)安全，水倉的空倉容量須始終大于總?cè)萘康?/span>50%，且每年雨季來臨前應(yīng)當(dāng)全面清倉1次。

煤泥脫水是井下水倉清淤處理的重要環(huán)節(jié)，經(jīng)脫水后的煤泥體積減小，方便對水資源進(jìn)行回收再利用，還能減少煤礦安全隱患。我國國內(nèi)煤礦井下水倉的大小不一，水倉清理設(shè)備必須具有一定的普適性，這就要求水倉清理設(shè)備更加緊湊。提升煤泥的處理效率、簡化整體工藝環(huán)節(jié)、減少設(shè)備設(shè)施費用是對新型煤泥脫水設(shè)備的要求。目前在用的煤泥脫水設(shè)備，如離心式脫水機、板框式壓濾機等，在使用過程中需加入大量的絮凝劑，且維護(hù)復(fù)雜，整機尺寸大、適用性差。

針對以上要求，研究一種適用于井下的小型泥水分離振動篩具有重要意義。因此本文設(shè)計了一種小型泥水分離振動篩，對振動篩進(jìn)行運動學(xué)仿真，并進(jìn)行了試驗，為煤礦水倉清理后處理提供一種可靠裝備。

1 小型泥水分離振動篩結(jié)構(gòu)

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計

小型高頻泥水分離振動篩的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，篩箱用4個支座支撐，篩箱靠焊接在側(cè)面的耳座與支座聯(lián)接，篩板平面水平布置，篩箱、支架由4個相同的圓柱形橡膠彈簧聯(lián)接。

(2）技術(shù)參數(shù)

煤礦井下水倉空間狹小，情況復(fù)雜多變，為了能更好地適應(yīng)各煤礦井下處理煤泥的要求，設(shè)計的小型高頻泥水分離振動篩的技術(shù)特征：

2 ADAMS運動仿真與分析

（1）運動仿真

振動篩的運動特性直接決定了煤泥水的篩分效果，因此有必要對所建立的模型進(jìn)行運動學(xué)仿真。小型泥水分離振動篩由篩箱、激振器、支架與彈簧等部件構(gòu)成。通過焊接把篩箱的各個部分聯(lián)接起來，此時篩箱可以簡化視為一個剛體。將Solid Works中建立的小型泥水分離振動篩的三維模型導(dǎo)入ADAMS，然后給模型添加約束和驅(qū)動。在4個支座和地面之間、激振梁和篩箱之間添加固定約束。支架與篩箱之間建立柔性連接（拉壓彈簧阻尼器和軸套力），以模擬橡膠彈簧，設(shè)置彈簧的剛度值為182 N/mm，并建立z方向和x方向上的軸套力約束，對振動篩施加重力約束。由于在ADAMS中設(shè)置激振力對激振器的建模要求較為復(fù)雜，因此將激振力直接加在篩箱的激振梁上。根據(jù)設(shè)計要求，求得激振器激振力為16 k N，頻率為24 Hz。添加約束后的模型如圖2所示。

在運行仿真之前，需要計算彈簧的預(yù)載荷。在沒有驅(qū)動的前提條件下進(jìn)行仿真，得到結(jié)果后分析各個彈簧的受力，求出各彈簧的預(yù)載荷，并在進(jìn)行仿真之前將計算得到的預(yù)載荷加到彈簧參數(shù)設(shè)置內(nèi)。下一步是進(jìn)行仿真，仿真運行時間設(shè)置為5 s，步數(shù)設(shè)置為500，可以得到整個篩箱相對于時間在各個方向的位移，如圖3、圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，模擬開始時，篩箱在前0.3 s內(nèi)瞬時波動，這段時間內(nèi)篩塊的振幅變化很大。0.3 s后，振動篩的振動趨于穩(wěn)定，并引起在x和y方向發(fā)生簡單的諧波運動。觀察圖像可以看出，振動篩進(jìn)入穩(wěn)態(tài)振動后，x方向的振幅約為1.53 mm,y方向的振幅約為2.25 mm。將在ADAMS中獲得的數(shù)據(jù)以表格的形式導(dǎo)出，利用MATLAB中得plot(x,y）指令繪制出振動篩質(zhì)心的運動軌跡，如圖5所示。

由圖5可知，振動篩的振幅約為2.69 mm，振動方向與水平方向之間夾角約為56°。設(shè)計時計算得到振動篩的雙振幅為2.59 mm，模擬結(jié)果與計算結(jié)果的誤差為3.7%；振動角度為55°，誤差為1.8%?？梢娔M結(jié)果是合理的。

振動篩在x和y方向上的加速度相對時間的變化情況如圖6、圖7所示，在x和y方向上的峰值分別為20 m/s2和22 m/s2。

(2）仿真分析

對ADAMS模擬結(jié)果的分析可知篩箱在x和y方向的振幅和加速度的大小。對振動篩的振動效果進(jìn)行評估時，可參考自身的振動特性參數(shù)（振幅、振動頻率、振動方向角和篩面傾角），還能使用振動強度這一評定指標(biāo)。振動強度K是指振動篩篩箱加速度幅值與重力加速度之比，即評定機械強度的指標(biāo)，K值越大，振動篩的強度越高，根據(jù)當(dāng)前的機械水平，K值一般在3～8。基于大量的試驗證據(jù)，高頻煤泥脫水篩的振動強度K值在5～8時其脫水效率和回收率為最佳值。該振動篩的振動強度K=6.77，符合要求。

3 振動篩篩體的有限元分析

小型高頻泥水分離振動篩在運行過程中，一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，振動篩局部會產(chǎn)生較大的周期性彈性變形和附加循環(huán)應(yīng)力，影響結(jié)構(gòu)的可靠性和振動篩的篩分效果，當(dāng)應(yīng)力超過了允許的應(yīng)力則必須停產(chǎn)檢修。因此，必須避免振動篩產(chǎn)生共振，從而保證安全、可靠的生產(chǎn)。小型高頻泥水分離振動篩需要進(jìn)行模態(tài)分析和優(yōu)化，使篩機的振動頻率遠(yuǎn)離篩機結(jié)構(gòu)正常工作時的固有頻率。

設(shè)定求解參數(shù)，對小型高頻泥水分離振動篩進(jìn)行模態(tài)分析，得到該振動篩前8階的模態(tài)分析結(jié)果，如表1所示。

振動篩前8階振型如圖8所示。

4 工業(yè)試驗

(1）模態(tài)試驗

試驗采用LMS Test.Lab對小型高頻泥水分離振動篩進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)測試。試驗設(shè)備連接示意圖如圖9所示。

小型高頻泥水分離振動篩的篩體為對稱結(jié)構(gòu)，模型可簡化為一個長方體。該試驗激勵點選擇在振動篩激振梁處。簡化后的模型與激勵點位置如圖10所示。

試驗準(zhǔn)備就緒，將12個測試點平均分為4組，每組依次進(jìn)行測量，經(jīng)過多次敲擊，對結(jié)果取平均值，測得頻率結(jié)果如表2所示。

(2）振動試驗

該試驗使用的設(shè)備與模態(tài)試驗使用的設(shè)備相同，但無需使用力錘進(jìn)行激勵，使用振動篩激振電機對該振動篩進(jìn)行激勵，使用三向加速度傳感器采集振動信號。得到的測試結(jié)果如圖11所示，對不同測試點的豎直方向的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究，發(fā)現(xiàn)小型高頻泥水分離振動篩的振動主要出現(xiàn)在25 Hz、49 Hz、74 Hz、95 Hz附近。

小型高頻泥水分離振動篩在山西煤炭運銷集團(tuán)同富新煤業(yè)有限公司進(jìn)行了井下煤泥脫水測試，將渣漿泵輸送上來的煤泥直接導(dǎo)入該振動篩進(jìn)行脫水，脫水后的煤泥含水量低可直接上輸送帶運輸，脫離出來的水排到附近水溝內(nèi)流回水倉循環(huán)使用。小型高頻泥水分離振動篩投入使用后可以減少壓濾機等大型煤泥脫水設(shè)備的工作面積和臺數(shù)，大幅降低了對煤泥水處理系統(tǒng)的投資及生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了煤泥高效脫水。

5 結(jié)語

(1）對小型高頻泥水分離振動篩進(jìn)行了運動模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該振動篩符合設(shè)計要求。通過ADAMS進(jìn)行仿真，該方法可以反復(fù)進(jìn)行模擬試驗，減少設(shè)計周期，降低設(shè)計成本；

(2）通過對模態(tài)試驗和振動試驗結(jié)果的對比分析，可知在該振動篩運行時，測得的振動結(jié)果與其固有頻率無重合，驗證了模態(tài)仿真分析得到的其工作時篩體不易產(chǎn)生共振，滿足振動篩的工作要求；

(3）對該設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場測試，取得了良好的效果，解決了脫水設(shè)備與井下狹小空間不適應(yīng)的問題，同時也降低了基礎(chǔ)建設(shè)費用。

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文章來自《煤礦機械》2022年08期