差动式干选机整体机架有限元分析与优化

0 引言随着我国能源基地的战略西移，矿井建设的规模扩大，煤炭企业迫切需求大型、可靠、高效的选煤设备 [1]。由于西部地区水资源贫乏，湿法分选技术的应用受到限制，导致该地区每年开采的数亿吨原煤得不到有效的分选加工。因此，这给干法选煤技术提供了应用发展的空间，同时也对干法选煤设备提出了大型化和高效、节能的新要求 [2]。基于干法选煤的需求，国内某公司设计开发了差动式干选机，并得到了广泛应用。徐全恒 [3] 介绍了48 m2 差动式干选机设计的主体结构、工作原理和技术参 数以及使用效果；任尚锦 [2] 研制了 CFX-48A 型差动式干选机，并对使用效果进行深入分析，满足大规模生 产需要；魏亮 [4] 介绍了FX-24大型干选机的系统组成、工作参数和关键技术以及现场应用情况，并对大型干选机的几个关键技术问题进行了探讨，对关键部件进行了强度分析。干法选煤设备逐渐向大型化方向发展。安全稳定成为一个重要问题。检索发现目前对干法选煤设备的研究主要集中在使用效果方面，很少文章去研究干法选煤设备各部件的强度、安全问题。对于结构设计主要靠经验解决。为保证差动式干选机的正常工作，迫切需要对设备的各个部件进行强度分析，确保安全生产。1 差动式干选机整体结构差动式干选机主要由参振部件、振动给料机、整体机架等部件组成。除主要部件外还有吸尘罩、鼓风机、操作平台、梯子、料仓、除尘器等附属部件及结构。激振器和分选床面固连在一起构成参振部件，通过钢丝绳 悬挂在整体机架上。差动式干选机主体结构组成如图1所示，其余附属部件及结构并不会对整体机架模态及强度构成大的影响，故未在图中画出。但是，附属设备的安装会增大整体机架的载荷，静力分析中按照整体重力加载到有限元模型中。1. 参振部件 2. 振动给料机 3. 整体机架图1 差动式干选机结构组成2 整体机架有限元分析2.1 整体机架有限元模型的建立应用UG NX 10.0 三维建模软件，建立12 m2 差动式干选机整体机架三维模型。对三维模型进行简化，忽略焊接、螺栓连接等局部问题，假设机架所有零件为材料均匀的整体，研究整体机架的模态和应力应变。将整体机架三维模型导出为IGS 格式保存。启动Ansys 有限元分析软件，将IGS 格式三维模型导入Ansys 中，并确保三维模型尺寸单位与所设置材料属性的的统一。对三维模型划分网格，应用Solid 186 单元。该单元是一个高阶三维20 节点固体结构单元，具有二次位移模式，可以更好地模拟不规则的结构, 能够满足整体机架模态分析和静力分析的需求。整体机架固定在地面基础之上。故划分完网格后，对有限元模型6 个支柱底面施加固定约束，约束X 、Y 、Z 等方向自由度。有限元模型如图2 所示。图2 整体机架有限元模型2.2 整体机架模态分析模态分析可以得出模型固有频率以及在固有频率作用下模型的振动情况。以便在结构设计时避免共振带来的结构损伤，发现结构设计的薄弱环节和不足之处，并对结构设计进行优化。通常来说，模型的固有频率有很多阶，在分析时需要设定模态分析结果的阶数，求解结果一般选择共振振型，以便观察在共振时模型结构的变化。对于有激振源的模型，模态分析是必须的，通过分析不同阶数的固有频率，将其大小与激振源的频率作对比，分析是否会发生共振。2.2.1 模态分析的理论基础模态分析是研究机械结构动力特性、振动分析和动态优化设计的常用方法。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态对应相应的固有频率和模态振型。根据有限元及振动理论可知，具有有限个自由度的弹性系统，其振动微分方程为[5]2.2.2 模态分析步骤及结果在有限元模型的基础上，进行分析时，选择分析类型为 Modal 即模态分析。提取的模态阶数为10 进行求解。得到整体机架前10 阶固有频率及振型。前10 阶部分典型振型如图3~ 图7 所示。前10 阶固有频率表1所示。图3 一阶振型图4 三阶振型图5 五阶振型图6 七阶振型图7 十阶振型2.2.3 模态分析结论由前10 阶振型可见，一阶和二阶频率比较接近，振型类似，振动特性为机架上部沿Y 方向的变形；三阶振型为底部横梁的变形；四阶和五阶频率比较接近，振型类似，振动特性为机架立柱上部及上部横梁沿X 方向的整体变形；六阶振型为底部横梁的变形；七阶、八阶、九阶、十阶振型发生共振后的振型各不相同，为机架上部或下部的变形或扭曲。工程力学理论认为在实际工程中结构发生共振，其共振频率往往是低阶的模态频率，因此设计中要避免在低阶共振区发生共振。通过模态分析发现，干选机整体机架的低阶模态范围为1.3~4 Hz。干选机整体机架主要承受来自激振器的振动载荷，激振器正常工作转速为400 r/min，计算频率为6.67Hz，机架不会发生共振。在激振器启动阶段和停止阶段，激振频率会和固有重合发生共振。因此，在激振器启动阶段要快速通过共振区，并通过结构设计对机架危险部位进行加强。2.3 整体机架静力分析静力分析是计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，不考虑惯性和阻尼的影响。但是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响，如重力、离心力[6]。差动式干选机整体机架主要承受参振部件和物料的离心力作用，同时承受振动给料机、吸尘罩、鼓风机、操作平台、梯子、料仓、除尘器等附属部件及结构的重力以及自身重力的作用。附属设备的安装会增大整体机架的载荷，假设附属部件及结构均匀布置在整体机架上。静力分析中按照1.5 倍整体力加载到有限元模型中。以12 m2 干选机为例，参振部件质量为7 100 kg，物料1 200 kg。最大加速度29 m/s2。可以计算离心力F=ma+mg，假设离心力均匀作用在4 个悬挂点。建立静力分析有限元模型，并按照上述假设施加载荷，将计算得到的载荷施加到有限元模型上，选择分析类型为Static 进行静力分析求解。整体机架静力分析应力应变云图如图8 所示。图8 整体机架应力应变云图2.4 有限元结果分析及结构优化设计2.4.1 有限元结果分析1）通过模态分析可知整体机架在激振器作用下不会发生共振，在激振器的启动和停止阶段应快速通过共振区。2）通过静力分析结果可知，整体机架最大变形量为10.85 mm，最大应力为504 MPa；最大应力和最大应变都发生在机架上部右侧参振部件悬挂点及两个悬挂点中间位置附近；最大应力504 MPa 位于工字钢腰部和腿部直角位置，这是由于有限元模型简化引起的；较大应力部位为工字钢的焊接位置，大小为150 MPa 左右；除悬挂点附近和焊接位置应力较大，其余部位应力较小在100 MPa 以下。2.4.2 结构优化设计1）整体机架尺寸较大，最大变形量为10.85 mm，相对变形较小。只需要在所有跨度较大部位进行斜撑设计即可。2）工字钢焊接位置应力较大，结构设计时采用支撑加强筋及托板的组合设计。如图9 所示。图9 支撑加强筋及托板结构3）整体机架由工字钢焊接而成，材料为Q235, 屈服极限为235 MPa。整体机架最大应力超过材料屈服极限。应对机架上部四个悬挂点及中间进行加强，重新进行结构设计。如图10 所示。图10 优化后整体机架结构4）整体机架优化设计后，重新进行静力分析，应力应变如图11 所示。由图11 可知，经过优化设计改进机架结构，整体机架最大变形量为2.69 mm，变形较小；最大应力为212 MPa，低于材料的屈服极限，不会发生塑性变形。图11 优化后整体机架应力应变云图差动式干选机研制成功并得到系列化生产以及推广应用，取得了良好的经济和社会效益。图12 为某选煤厂差动式干选机的应用。图12 差动式风力干选机的应用3 结论通过对差动式干选机整体机架进行静力分析和模态分析，根据有限元分析结果，对整体机架的结构进行优化，确保整体机架在外载荷和激振器的作用下不会发生共振，并且应力、应变在允许范围内，为整体机架的结构设计及改进提供理论依据。参考文献[1] 魏亮.FX-24 大型干选机的开发和应用[J]. 煤矿机械,2015,36(8):248-249.[2] 任尚锦, 孙鹤, 么大锁.CFX-48A 型差动式风力干选机的研制与应用[J]. 煤炭科学技术,2013,41(2):121-124.[3] 徐全恒, 任尚锦, 么大锁.CFX-24×2 差动式双层风力干选机的设计与应用[J]. 煤炭加工与综合利用,2010(2):1-4,60.[4] 魏亮. FX-24 大型干选机关键技术问题研究与探讨[J].煤矿机械，2015,36(10):137-138．[5] 邢誉峰，李敏. 工程振动基础[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2011.[6] 张云杰，尚蕾.ANSYS17.0 案例分析视频精讲[M]. 北京：电子工业出版社，2017.举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章新型圆柱凸轮传动式数控转台有限元分析经济总量超百万亿意味着什么中国信通院：2020年第四季度互联网投融资总金额同比增长超过110%“北京最后的挂历小店”还能存活多久？Stellantis集团今年将推10款电气化车型

本文来源于程序自动整理，版权争议与本站无关，如有侵权，请联系我们。
冀州区扬禹水工机械厂
厂家直销，支持定制，量大优惠
手机：13663289587
地址：河北省冀州区高田工业区