李 楠

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司， 山西 长治 046100）

引言

选煤弧形筛是对泥煤进行预先处理及回收泥煤的设备，在使用过程中，通过电机振动的作用，筛板弧形座与筛面组成的谐振机构能够避免筛缝的堵塞，提高弧形筛的脱介、脱水性能[1]。长期承受交变载荷及泥煤冲击的作用下，筛板弧形座的结构容易产生疲劳破坏，对泥煤筛选的效率造成影响。采用数值仿真的形式在弧形座结构设计的阶段对其疲劳寿命进行分析，有助于对弧形底座的结构优化[2]，对弧形筛疲劳研究提供了基础，提高了选煤弧形筛的可靠性。

1 选煤弧形筛的结构组成

弧形筛在泥煤的筛选中被广泛应用，VSB302060选煤弧形筛的结构组成主要包括筛箱、筛板弧形座、振动电机及隔振弹簧。筛箱是选煤弧形筛的承载部件，煤泥混合物在筛箱内受到振动作用[3]，通过筛板沿着底板流动，通过出煤板上的卸口排出。筛板弧形座是主要的参振部件，通过减震器与筛箱连接，另一端通过振动杆与振动电机相连接，通过振动电机产生的激振力，筛板产生振动进行选煤[4]。振动电机通过偏心块转动产生离心力来提供激振力，能够依据选煤作业的需要进行激振力的调整。

选煤弧形筛在工作过程中，泥煤混合物颗粒在进入筛板后，沿着弧形筛的弧度进行输送，其中的不同颗粒在重力作用下形成分层[5]，靠近筛板的部分由于摩擦作用使得流动速度降低出现速度差，在离心力的作用下，细小的颗粒通过筛缝流出，而颗粒较大的煤矸等颗粒落在筛板上层，完成煤泥的洗选过程[6]。筛板弧形座和筛箱之间结构可以让筛板产生较大的谐振作用，减小筛面的堵塞率，提高选煤作业的可靠性。

2 筛板弧形座静力学分析

2.1 有限元分析模型的建立

以筛板弧形筛的静力学分析数据为基础进行疲劳寿命分析，首先采用Creo 三维建模软件进行筛板弧形座模型的建立，对弧形座的几何结构进行一定的简化处理，将建好的三维模型以igs 格式导入有限元分析软件ANSYS 中。

筛板弧形座的材料为Q235A，其弹性模量为212 GPa，泊松比为0.288，屈服强度为235 MPa，对筛板弧形座进行材质参数的设定[7]。由于筛板弧形座的结构相对复杂，在ANSYS 中采用自由网格的形式选用SOLID186 实体单元进行网格划分处理，得到筛板弧形座的网格划分模型如图1 所示，共计得到147 800个单元、236 410 个节点。

图1 筛板弧形座网格划分模型

2.2 边界条件设定与载荷施加

筛板弧形座与筛箱之间通过减震器进行连接，筛板弧形座上与减震器连接的位置采用弹性约束，建立螺栓孔的内部中心节点[8]，将螺栓孔内表面的节点耦合到中心点处，沿着螺栓孔的轴线方向建立一个外节点，两个节点之间采用弹簧- 阻尼单元的形式建立弹性约束，从而实现筛板弧形座的弹性约束。在外节点的位置施加固定约束，从而完成分析模型的边界条件设定。

筛板弧形座在工作过程中，主要受到重力作用及振动电机的作用力，通过施加重力加速度的形式施加重力作用[9]，振动电机的作用通过弹簧单元的参数进行设定，由此进行筛板弧形座的静力学分析。

2.3 静力学分析结果

对筛板弧形座完成边界条件对设定及载荷加载，对其进行求解后处理，得到筛板弧形座的应力分布如图2 所示。从图2 中可以看出，筛板弧形座受到的应力主要集中在与减震器相连接的螺栓孔位置处，最大的应力值为20.1 MPa，振动杆与筛板弧形座连接位置处受到的应力作用也较大，但整体的应力值相对材料的屈服极限235 MPa 较小，筛板弧形座的静力学强度满足使用要求。

图2 筛板弧形座应力（MPa）分布云图

3 筛板弧形座的疲劳寿命分析

筛板弧形座的疲劳研究是针对弧形座的结构在承载时的强度情况及应力与寿命之间的关系，疲劳寿命指在弧形座破坏之前能够承受的循环载荷的作用次数或时间[10]，弧形座的工作条件、零件状态及材料性质是影响疲劳寿命的主要因素。

材料的S-N 曲线描述所施加的应力S 和弧形座疲劳寿命N 之间的关系，筛板弧形座的材料为Q235A，依据相关研究Q235A 材料的S-N 曲线如图3所示。

图3 Q235A 材料的S-N 曲线

DesignLife 是进行疲劳分析的专业软件，拥有丰富的材料库及强大的参数定义功能，以有限元分析为基础，采用图形化的操作进行疲劳寿命的分析计算。在DesignLife 软件中拖入筛板弧形座的循环载荷、有限元分析结果、材料的疲劳性能，由此即可进行疲劳寿命的分析。

在S-N 分析模块中，对材料属性和载荷属性的设置是重要的步骤，通过属性设置将筛板弧形座静力学分析的结果和载荷时间的历程相匹配，生成一时间为变量的应力张量，两者之间通过式（1）进行转换：

式中，σ（ijt）为以时间为变量的应力张量；P（kt）为输入的载荷谱；ScaleFactork为缩放因子；Offsetk为载荷偏移量；σij，k为静强度计算结果中的应力；Dividerk为名义化因子；k 为不同的载荷步。

综合有限元分析的结果、载荷作用时间为8 s 及材料的S-N 曲线，采用Miner 法则进行筛板弧形座的疲劳寿命计算，得到弧形座的疲劳寿命云图如图4 所示。

图4 筛板弧形座的疲劳寿命云图

从图4 中可以看出，筛板弧形座在与减震器连接的螺栓孔位置最容易产生疲劳破坏，其疲劳寿命的循环次数为9.439×106次，在工作频率为26 Hz 的工况下，筛板弧形座的疲劳寿命为9.439×106×8×26=1.963×109次。依据振动筛使用的疲劳极限需达到109次的标准，则筛板弧形座的寿命满足设计要求。同时，将筛板弧形座的疲劳寿命分析结果与静力学分析结果相比，筛板弧形座上容易出现疲劳破坏的位置与静力学分析应力集中的位置基本保持一致，即应力集中容易造成筛板弧形座的疲劳破坏。在筛板弧形座的中间位置处，静力学分析受到的应力作用较小，同样疲劳寿命也较短，这说明在满足静力学要求的弧形座结构中，也存在这产生疲劳破坏的可能，可据此对筛板弧形座的结构进一步优化，提高中间位置的疲劳寿命。

4 结语

选煤弧形筛是进行煤炭洗选的重要设备，对煤炭洗选的脱水、脱介具有良好的性能，通过谐振作用能够有效降低筛面的堵塞率。在工作过程中，筛板弧形座受到交变载荷的作用容易产生疲劳损坏，影响选煤过程的进行。针对筛板弧形座进行疲劳寿命分析，建立有限元分析模型，分析其静力学应力分布，并在此基础上进行疲劳寿命的分析。

分析结果表明：筛板弧形座的整体应力分布较小，满足结构强度的需求，疲劳寿命的次数满足振动筛使用的疲劳极限。在静力学分析中应力集中的连接螺栓孔位置处是最容易产生疲劳破坏的位置，同时，在筛板弧形座的中间位置疲劳寿命也较短。