小型高頻振動篩動力學仿真與試驗研究

朱帥

摘要：針對煤礦井下水倉空間狹小、環境惡劣及井下煤泥脫水設備體積大等問題，設計了一種小型高頻泥水分離振動篩，以適應并完成井下清倉后煤泥脫水任務。通過Solid Works創建了小型高頻泥水分離振動篩的三維模型，通過ADAMS對其運動狀態進行了模擬和分析，并利用ANSYS Workbench進行振動模態分析，使用LMS Test.Lab對該振動篩進行了模態試驗及運行狀態下的振動試驗。結果表明：設計的小型振動篩符合泥水分離振動篩的要求，并通過現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。

關鍵詞：清倉泥水分離振動篩動力學仿真

0前言

煤炭作為我國能源結構中的主要能源，是國民經濟發展中的重要支柱。礦井水是伴隨煤炭開采生產過程的必然產物。生產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。根據國家關于煤礦生產安全的相關規定，為預防井下水害、保證煤炭生產安全，水倉的空倉容量須始終大于總容量的50%，且每年雨季來臨前應當全面清倉1次。

煤泥脫水是井下水倉清淤處理的重要環節，經脫水后的煤泥體積減小，方便對水資源進行回收再利用，還能減少煤礦安全隱患。我國國內煤礦井下水倉的大小不一，水倉清理設備必須具有一定的普適性，這就要求水倉清理設備更加緊湊。提升煤泥的處理效率、簡化整體工藝環節、減少設備設施費用是對新型煤泥脫水設備的要求。目前在用的煤泥脫水設備，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，且維護復雜，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。因此本文設計了一種小型泥水分離振動篩，對振動篩進行運動學仿真，并進行了試驗，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構

（1）結構設計

小型高頻泥水分離振動篩的整體結構如圖1所示，篩箱用4個支座支撐，篩箱靠焊接在側面的耳座與支座聯接，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接。

(2）技術參數

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

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行運動學仿真。小型泥水分離振動篩由篩箱、激振器、支架與彈簧等部件構成。通過焊接把篩箱的各個部分聯接起來，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入ADAMS，然后給模型添加約束和驅動。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中設置激振力對激振器的建模要求較為復雜，因此將激振力直接加在篩箱的激振梁上。根據設計要求，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，需要計算彈簧的預載荷。在沒有驅動的前提條件下進行仿真，得到結果后分析各個彈簧的受力，求出各彈簧的預載荷，并在進行仿真之前將計算得到的預載荷加到彈簧參數設置內。下一步是進行仿真，仿真運行時間設置為5 s，步數設置為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內瞬時波動，這段時間內篩塊的振幅變化很大。0.3 s后，振動篩的振動趨于穩定，并引起在x和y方向發生簡單的諧波運動。觀察圖像可以看出，振動篩進入穩態振動后，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中獲得的數據以表格的形式導出，利用MATLAB中得plot(x,y）指令繪制出振動篩質心的運動軌跡，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°。設計時計算得到振動篩的雙振幅為2.59 mm，模擬結果與計算結果的誤差為3.7%；振動角度為55°，誤差為1.8%。可見模擬結果是合理的。

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行評估時，可參考自身的振動特性參數（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。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，K值越大，振動篩的強度越高，根據當前的機械水平，K值一般在3～8。基于大量的試驗證據，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，一旦結構發生共振，振動篩局部會產生較大的周期性彈性變形和附加循環應力，影響結構的可靠性和振動篩的篩分效果，當應力超過了允許的應力則必須停產檢修。因此，必須避免振動篩產生共振，從而保證安全、可靠的生產。小型高頻泥水分離振動篩需要進行模態分析和優化，使篩機的振動頻率遠離篩機結構正常工作時的固有頻率。

設定求解參數，對小型高頻泥水分離振動篩進行模態分析，得到該振動篩前8階的模態分析結果，如表1所示。

振動篩前8階振型如圖8所示。

4 工業試驗

(1）模態試驗

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

小型高頻泥水分離振動篩的篩體為對稱結構，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。

試驗準備就緒，將12個測試點平均分為4組，每組依次進行測量，經過多次敲擊，對結果取平均值，測得頻率結果如表2所示。

(2）振動試驗

該試驗使用的設備與模態試驗使用的設備相同，但無需使用力錘進行激勵，使用振動篩激振電機對該振動篩進行激勵，使用三向加速度傳感器采集振動信號。得到的測試結果如圖11所示，對不同測試點的豎直方向的振動數據進行分析與研究，發現小型高頻泥水分離振動篩的振動主要出現在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同富新煤業有限公司進行了井下煤泥脫水測試，將渣漿泵輸送上來的煤泥直接導入該振動篩進行脫水，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流回水倉循環使用。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備的工作面積和臺數，大幅降低了對煤泥水處理系統的投資及生產成本，實現了煤泥高效脫水。

5 結語

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

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

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

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文章來自《煤礦機械》2022年08期