直線振動篩彈簧對篩箱運行姿態的影響研究

包繼華, 蘇奕欣, 張正旭, 李國清

摘要：利用Solid Works軟件建立實體模型，然后導入動力學軟件ADAMS，建立虛擬樣機進行仿真研究，探究了隔振彈簧在6種不同故障組合下，對篩箱運行姿態的影響，通過ADAMS軟件分別計算出6種彈簧故障模型下篩箱質心運動數據，聯合Origin軟件分別做出（X-Y）,(X-Z),(Y-Z)3個平面內質心運動軌跡圖并進行分析，通過現場實驗，進一步驗證了模型的有效性，為直線振動篩隔振彈簧的實時監測與故障診斷提供了理論依據。

關鍵詞：ADAMS直線振動篩隔振彈簧故障診斷

0前言

礦用振動篩是選煤廠應用最廣泛的篩分設備之一，因此對其運行狀態監測與故障診斷是當前研究的重心。振動篩在強交變載荷下，其隔振彈簧會因疲勞或碰撞摩擦而造成不同程度的損傷，如果不能及時發現和排除，將引起篩箱的異常振動，不僅會影響篩分效率，還可能縮減振動篩的使用壽命。彈簧破壞性故障發生前，疲勞、碰摩等會引起彈簧非破壞性損傷，因其外部特性變化不明顯而無法用肉眼直接識別，只能通過其他的方法間接判斷。彈簧發生非破壞性故障時，彈簧剛度隨之減小，4個彈簧剛度不一致，則會造成篩箱運行姿態的改變。本文以MDMS1830-BⅡ直線振動篩為研究對象，基于ADAMS軟件建立6種直線振動篩隔振彈簧故障的動力學模型，分析隔振彈簧不同故障組合下對篩箱運行姿態的影響，并通過實驗，驗證所建立動力學模型的有效性。

1 振動篩三維模型的建立

本文以唐山森普礦山裝備有限公司生產的MDMS1830-BⅡ直線振動篩為研究對象。其各項技術參數：

MDMS1830-BⅡ直線振動篩的簡化三維模型如圖1所示，根據振動篩實際尺寸，利用Solid Works軟件建立三維模型，省去對研究目的影響不大的部分。

2 動力學模型的建立

將建立好的三維模型導入ADAMS，對模型添加重力，2個激振器驅動軸分別與篩箱添加旋轉副。通過軸套鏈接模擬彈簧對篩箱的支撐。

隔振彈簧剛度的計算，通常選取垂直方向上的低頻固有頻率n0d=150～300次/min。系統垂直方向的固有頻率

隔振彈簧在垂直方向總剛度

式中∑mj———隔振彈簧支撐的所有質量的總和。

考慮到彈簧受橫向和軸向上的作用力，一般取彈簧軸向與橫向之比為3∶1，阻尼值則取剛度數值的1%。由于技術參數已給出彈簧軸向剛度為350 N/mm，依次設置軸套的剛度和阻尼。

為使得振動篩模型更貼近實際，設定啟動階段2 s，穩定階段17 s，停機階段3 s，然后靜止3 s，2個驅動軸驅動函數為

兩驅動軸轉速相同，方向相反。仿真模型如圖2所示。

對模型仿真，計算出篩箱質心運動的數據集，聯合Origin軟件進行仿真圖的繪制，下文仿真圖均由Origin繪制，不再陳述。篩箱質心振幅變化如圖3所示。

通過圖3可以看出，電動機啟動階段和停機階段在X,Y,Z方向的篩箱質心幅值都出現了短暫的突變高峰期，是因為恰好經過振動篩的共振區，從而產生共振造成位移突變。穩定運行階段，在X方向和Y方向篩箱質心振動幅值穩定在10～11 mm,Z方向篩箱質心振動不明顯，初步可以判斷仿真模型的有效性。

3 不同彈簧故障對篩箱運行姿態的影響

   一般彈簧非破壞性故障，都會表現為彈簧剛度的降低。設定如圖4所示4組隔振彈簧剛度分別為k1,k2,k3,k4，假設故障程度相同，即故障彈簧剛度值相等，分析如表1所示6組隔振彈簧故障模型對比仿真實驗。

   對每組故障分別建立動力學模型，仿真計算出篩箱的質心運動數據進行分析，彈簧無故障篩箱質心運動軌跡圖如圖5所示。

由圖5可知，隔振彈簧無故障時，篩箱質心在X-Y,X-Z,Y-Z平面都出現了少量大幅度且雜亂的軌跡線，這是由于振動篩在啟動和停機時產生共振，使得振幅產生突變所致；當振動篩進入穩定運行階段，篩箱質心在X-Y平面內運動軌跡趨于1條直線，這個特性說明該直線振動篩能夠使物料沿激振力的方向進行直線運動。通過篩箱質心在X-Z和Y-Z這2平面運動軌跡圖可以看出，當振動篩進入到穩定運行階段時，Z向幅值基本穩定在0～0.000 1 mm以內，篩箱沒有明顯的橫向擺動。

振動篩前部兩隔振彈簧故障下，篩箱質心在X-Y,X-Z,Y-Z平面內的運動軌跡圖如圖6所示，相比較彈簧無故障篩箱質心運動軌跡，可以看出在X-Z和Y-Z平面內的篩箱質心運動軌跡線成發散狀，X-Z平面軌跡線斜率為負值，Y-Z平面軌跡線斜率為正值，Z向幅值在-0.000 1～0.000 1 mm，篩箱出現輕微的橫擺。

振動篩后部兩隔振彈簧故障下，篩箱質心在X-Y,X-Z,Y-Z平面的運動軌跡圖如圖7所示，相比較彈簧無故障篩箱質心運動軌跡，可以看出在X-Z和Y-Z平面內的篩箱質心運動軌跡線成發散狀，在X-Z平面軌跡線斜率為正值，在Y-Z平面軌跡線斜率為負值，Z向幅值-0.000 1～0.000 1 mm，篩箱出現輕微的橫擺。

振動篩左部兩隔振彈簧故障下，篩箱質心在X-Y,X-Z,Y-Z平面的運動軌跡圖如圖8所示。相比較彈簧無故障篩箱質心運動軌跡，可以看出在X-Z和Y-Z平面內的篩箱質心運動軌跡線較為集中，在X-Z平面軌跡線斜率為正值，在Y-Z平面軌跡線斜率為負值，Z向幅值在-0.2～0.2 mm，篩箱出現輕微的橫擺。

振動篩后部左側隔振彈簧故障下，篩箱質心在X-Y,X-Z,Y-Z平面的運動軌跡圖如圖9所示。相比較彈簧無故障篩箱質心運動軌跡，可以看出通過X-Z和Y-Z平面內的篩箱質心運動軌跡線較為集中，在X-Z平面軌跡線斜率為正值，在Y-Z平面軌跡線斜率為負值，Z向幅值在-0.09～0.09 mm，篩箱出現輕微的橫擺。

振動篩前部左側隔振彈簧故障下，篩箱質心在X-Y,X-Z,Y-Z平面的運動軌跡圖如圖10所示。相比較彈簧無故障篩箱質心運動軌跡，可以看出在X-Z和Y-Z平面內的篩箱質心運動軌跡線較為集中，在X-Z平面軌跡線斜率為負值，在Y-Z平面軌跡線斜率為正值，Z向幅值在-0.08～0.08 mm，篩箱出現輕微的橫擺。

振動篩對角線上兩隔振彈簧故障下，篩箱質心分別在X-Y,X-Z,Y-Z平面的運動軌跡圖如圖11所示。相比較彈簧無故障篩箱質心運動軌跡，可以看出在X-Z和Y-Z平面內的篩箱質心運動軌跡線成發散狀，Z向幅值在-0.01～0.005 mm，篩箱出現輕微的橫擺。

通過對6種不同彈簧故障下篩箱質心運動軌跡的分析，可以發現，不同彈簧故障類型下所造成的篩箱質心運動軌跡是完全不同的，因此通過對篩箱運行姿態的實時監測，可以實現對振動篩彈簧故障的診斷。

4 實驗驗證

為了進一步驗證動力學仿真模型的有效性，本文使用北京時代龍城科技有限責任公司的LC-8000多通道機械設備故障診斷系統，對MDMS1830-BⅡ直線振動篩一處隔振彈簧支座進行檢測，其中Z軸方向垂直于地面，X軸方向平行于地面與篩箱側板，Y軸方向平行于地面且垂直于篩箱側板。

利用振動篩動力學模型，導出該測點的加速度時域圖，如圖12所示。篩機實際運行時實驗位置加速度時域圖如圖13所示。

對比圖13診斷系統在振動篩空載運行平穩后所輸出的加速度時域圖，可以看出在X軸方向，仿真加速度與實驗加速度幅值約為100 m/s²，正負誤差在10 m/s²內。在Y軸方向，仿真加速度與實測加速度幅值約為80 m/s²，正負誤差在10 m/s²內。因此在X軸與Y軸上仿真加速度與實測加速度變化相差較小。Z軸仿真加速度變化微小，趨于平穩，而Z軸實測加速度有細微的波動，這是由于實際中振動篩整體質量不可能分布完全對稱，質心發生了偏移。經實驗驗證，所建立的動力學模型是有效的。

5 結語

(1）通過ADAMS虛擬樣機平臺建立了直線振動篩動力學模型，仿真分析了模型從啟動到停機的全過程，結果證明振動篩啟動和停機階段存在共振區。

(2）研究了隔振彈簧非破壞性故障時對振動篩運行姿態的影響，通過6種彈簧故障動力學模型，仿真并計算出每種故障模型篩箱質心的運動軌跡，分析結果表明，彈簧的不同故障組合所對應的篩箱運行姿態是不同的，因此通過對篩箱運行姿態的實時監測，實現對振動篩彈簧故障的診斷是可行的。

(3）通過實驗測試振動篩同一測點處的實測加速度時域圖與仿真模型計算所得加速度時域圖進行對比，驗證了模型的可行性。

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文章選自：《煤炭技術》2022年04期