王生义

(山西焦煤西山煤电集团屯兰矿选煤厂)

·技术经验·

基于Isight/Ansys的选煤振动筛筛箱优化设计

王生义

(山西焦煤西山煤电集团屯兰矿选煤厂)

使用多学科优化软件Isight与通用有限元软件Ansys集成对选煤振动筛筛箱进行优化设计，在总体质量小于原振动筛的条件下对振动筛筛帮和横梁的结构和尺寸进行了优化，实现了筛箱的等强度设计。优化结果显示，优化后的筛箱在工作中的最大应力比优化前减小38%，大大提高了筛箱的疲劳强度。

振动筛；Isight/Ansys；优化设计

山西焦煤西山煤电集团屯兰矿选煤厂是一座年入洗原煤500万 t的选煤厂。于1997年建成投产，选煤工艺为跳汰—浮选联合流程。主要分选设备跳汰机及主要脱水设备直线振动筛均来自德国洪堡特公司，其3060型直线振动筛为德国技术、鞍山重型机械厂生产的设备，在使用过程中频繁出现横梁断裂的现象，最后出现侧帮开裂的现象。该厂于2003年改造为重介—浮选联合工艺流程，主要脱水脱介设备直线振动筛选自澳大利亚申克公司，其4261型直线振动筛在使用过程中也出现了横梁断裂及护帮开裂的现象。为此,该厂同供应商及鞍山重型机械厂等国内企业对该厂振动筛结构及故障原因进行了分析研究，并使用多学科优化软件Isight与通用有限元软件Ansys集成对选煤振动筛筛箱进行优化设计，主要对在生产中容易发生破坏的侧帮及横梁进行优化设计。

1 振动筛有限元模型建立

该厂4261型振动筛主要由筛箱、激振器及二次隔振系统组成。其中，筛箱主要由筛框、挡板、筛板及弹簧支座组成。而筛框又由侧帮、横梁和支撑梁等组成。在Ansys有限元建模时对振动筛结构及激振器激振力的施加进行如下简化处理。

1) 各部位的简化。侧板、挡板、横梁、支撑梁及激振器安装座都用C3D8R 减缩积分单元划分网格。弹簧用弹簧单元模拟；忽略振动筛安装结构上筛孔与铆钉等结构，以简化建模和分网过程．二次隔振系统的主要作用是减少振动筛对地基的冲击力，而对筛箱的应力分布影响不大，在建模时不予考虑。

2) 激振力的模拟。激振力是由安装在激振器两根等速旋转轴上的偏心块产生的，偏心块的大小、旋转方向和相位差角的不同组合使振动筛产生不同的运动轨迹。当两个偏心块大小相等、旋转方向相反、合力作用线通过筛箱质心时，振动筛做直线振动，振动方向角β由相位差角α决定(2β=π-α)。采用Ansys 进行谐响应分析过程时，用3个点质量单元模拟激振器质量，左右两个点质量分别代表两偏心块质量，其余质量用中间点质量代替。将两偏心块产生的激振力在两坐标轴分解以正弦形式施加于两偏心块质量单元节点上来代替。

2 优化前振动筛筛箱应力分析

1) 优化前筛箱的结构参数。该厂振动筛在工作过程中经常发生损坏的部位是筛箱的侧帮及支撑梁，本文主要针对这些参数进行优化设计。目前该厂的25.62 m2直线振动筛筛箱的侧帮、横梁及支撑梁主要尺寸如下：

筛箱侧帮厚度：12 mm

横梁外径：200 mm

横梁壁厚：13 mm`

2) 优化前筛箱应力分析。在两偏心块质量单元节点上分别施加幅值为200 kN，频率为16.3 Hz，二者相位差角为95.2°的激振力，合力作用线通过筛箱质心。选择旋转方向相反，使振动筛实现直线振动，在Ansys中进行谐响应分析求解。谐响应分析结果显示，在入料口端横梁与侧帮搭接的三角区出现了最大的应力集中区，该处的应力值范围达到16.4 ～18.2 MPa，该应力集中区周边区域应力水平达到了13～16.4 MPa。应力分布见图1。

图1 优化前应力示意图

从图1可以看出，在振动筛入料口端横梁与侧帮连接处区域的应力最大，是整个筛箱结构最易损坏处；入料口后侧的横梁及侧帮连接处的应力也较大。这与实际生产中筛箱损坏的部位一致，可以验证有限元分析的准确性。

3 筛箱结构优化

1) 优化设计变量。该厂使用的振动筛所用的横梁和支撑梁结构和尺寸都相同，但在实际工作中各横梁所受力的大小是不一样的，这样就无法实现等强度的设计要求，不能使筛箱的设计达到最优。由以上应力分析和实际生产情况可知，侧帮和横梁是最容易损坏的部位，因此选取各横梁的外径及壁厚以及侧帮的厚度为设计变量来进行优化设计。设计变量的选取及表示见表1。

表1 设计变量及其优化结果

2) 约束条件。

振动筛总质量：M=∑mi≤Mm

式中：

M—优化后振动筛总质量,kg;

mi—各部件质量,kg;

Mm—优化前质量,kg。

式中：

xi(i=1,2…n)—设计变量；

侧帮厚度、横梁外径及壁厚依据原始尺寸及结构限制给定上下界。

3) 优化目标。以最大应力最小为优化目标，则目标函数为：

S=σmax

式中：

σmax—振动筛最大应力。

4) 优化过程。利用多学科优化软件Isight集成有限元分析软件Ansys来对筛箱结构进行优化，首先利用有限元软件Ansys对振动筛进行谐响应分析，找出振动筛所受的最大应力。Isight提取分析所得的最大应力使用软件自带的优化算法对设计变量进行最优化设计。本优化问题属于典型的多变量非线性优化问题,采用可行方向改进方法(MMFD) 使用梯度寻优可以较快收敛。

本优化问题中建立了2个文本文件input1.bdf和output1.dat, 分别用于保存设计变量、输出约束值和目标变量。用FORTRAN 编写可执行文件将计算结果的最大值写入output1.dat 文件中。在ISIGHT的集成模块中添加一个仿真代码模块, 并指定输入文件为input1.bdf, 输出文件为output1.dat, 以及仿真代码文件为opt.bat, 并对input1.bdf和output1.dat完成文件解析, 即指定各个参数在文本文件中的位置, 以便ISIGHT在自动运行时能够找到所需要的参数。整个算法的数据交换原理图见图2。

5) 优化结果。各设计变量优化后结果如表1所示。从表1可以看出，侧帮的厚度略有增加，在入料口处的横梁直径和壁厚都有所增加，入料口邻近的两根横梁几乎没有变化，头部和尾部的两横梁直径和壁厚都有所减小。

图2 优化算法数据交换原理示意图

优化后的振动筛应力分析见图3，最大应力部位依然在入料口的侧帮与横梁连接处，但应力大小有明显减小，最大应力为11.24 MPa，比原始最大应力减小38%，这将大大提高筛箱的疲劳强度，延长选煤振动筛的使用寿命。

图3 优化后应力示意图

4 结 论

该厂协同制造商使用多学科优化软件Isight与通用有限元软件Ansys集成对选煤振动筛筛箱进行优化设计，主要针对该厂实际生产中最易损坏的振动筛筛帮和横梁的结构和尺寸进行优化，在整体质量小于原振动筛质量的条件下实现了筛箱的等强度设计。优化后的筛箱在工作中的最大应力比优化前减小38%，能大大提高了筛箱的疲劳强度，延长振动筛的使用寿命。对大型选煤厂及振动筛制造厂均有较高的参考价值。

[1] 韩永志. 涡轮叶片多学科设计优化及近似技术研究[D].西安: 西北工业大学, 2007.

[2] 宋书中，周祖德，胡业发.振动筛分机械发展概述及新型振动筛研究初探[J].矿山机械，2006，34(4)：71-74.

[3] 张德臣，孙艳平.大型振动筛动态仿真和模态分析实验综述[J].鞍山科技大学学报， 2003，26(1)：1-3.

[4] Vladimir B, Raphael T H. Topology optimization or transporting internal structure[R].A IAA- 94- 4414: 1395-1406.

[5] Engineers Software. ISIGHT Reference Guide [Z].[J.S. l.]:[s. n.], 2002.

OptimizationDesignofVibrationSieveBasedonIsight/Ansys

WangSheng-yi

Optimization design for the vibration sieve is done by the multidisciplinary design optimization software Isight and FE software Ansys. The lateral plate and the beam which is easily damaged in the practical application are designed by optimization method in the case of that the gross mass is less than the initial mass. The optimization results indicate that the maximum stress is less 38% than the initial stress. The fatigue value is improved greatly.

Vibration Sieve; Isight/Ansys; Optimization Design

王生义 男 1970年出生 1994年毕业于淮南矿业学院 工程师 古交 030206

TD452

B

1672-0652(2010)07-0004-03

2010-04-11