小型高频振动筛动力学仿真与试验研究
朱帅
摘要：针对煤矿井下水仓空间狭小、环境恶劣及井下煤泥脱水设备体积大等问题，设计了一种小型高频泥水分离振动筛，以适应并完成井下清仓后煤泥脱水任务。通过Solid Works创建了小型高频泥水分离振动筛的三维模型，通过ADAMS对其运动状态进行了模拟和分析，并利用ANSYS Workbench进行振动模态分析，使用LMS Test.Lab对该振动筛进行了模态试验及运行状态下的振动试验。结果表明：设计的小型振动筛符合泥水分离振动筛的要求，并通过现场测试得出了该振动筛能满足井下清仓后煤泥脱水处理的任务。
关键词：清仓泥水分离振动筛动力学仿真
0前言
煤炭作为我国能源结构中的主要能源，是国民经济发展中的重要支柱。矿井水是伴随煤炭开采生产过程的必然产物。生产1 t的原煤须排出2～7 t的矿井水，矿井水含有浓度较高的煤粉颗粒、岩石粉尘和无机盐等，最高能达到4 000 mg/L，矿井水主副水仓在起到缓冲、储存矿井水的同时，还起到沉淀池的作用，用于沉淀澄清矿井水。主副水仓形成的沉淀沉积物会占用主副水仓的有效容积，严重影响主副水仓的储水量，给矿井带来了隐患，必须及时清理。根据国家关于煤矿生产安全的相关规定，为预防井下水害、保证煤炭生产安全，水仓的空仓容量须始终大于总容量的50%，且每年雨季来临前应当全面清仓1次。
煤泥脱水是井下水仓清淤处理的重要环节，经脱水后的煤泥体积减小，方便对水资源进行回收再利用，还能减少煤矿安全隐患。我国国内煤矿井下水仓的大小不一，水仓清理设备必须具有一定的普适性，这就要求水仓清理设备更加紧凑。提升煤泥的处理效率、简化整体工艺环节、减少设备设施费用是对新型煤泥脱水设备的要求。目前在用的煤泥脱水设备，如离心式脱水机、板框式压滤机等，在使用过程中需加入大量的絮凝剂，且维护复杂，整机尺寸大、适用性差。
针对以上要求，研究一种适用于井下的小型泥水分离振动筛具有重要意义。因此本文设计了一种小型泥水分离振动筛，对振动筛进行运动学仿真，并进行了试验，为煤矿水仓清理后处理提供一种可靠装备。
1 小型泥水分离振动筛结构
（1）结构设计
小型高频泥水分离振动筛的整体结构如图1所示，筛箱用4个支座支撑，筛箱靠焊接在侧面的耳座与支座联接，筛板平面水平布置，筛箱、支架由4个相同的圆柱形橡胶弹簧联接。
(2）技术参数
煤矿井下水仓空间狭小，情况复杂多变，为了能更好地适应各煤矿井下处理煤泥的要求，设计的小型高频泥水分离振动筛的技术特征：
2 ADAMS运动仿真与分析
（1）运动仿真
振动筛的运动特性直接决定了煤泥水的筛分效果，因此有必要对所建立的模型进行运动学仿真。小型泥水分离振动筛由筛箱、激振器、支架与弹簧等部件构成。通过焊接把筛箱的各个部分联接起来，此时筛箱可以简化视为一个刚体。将Solid Works中建立的小型泥水分离振动筛的三维模型导入ADAMS，然后给模型添加约束和驱动。在4个支座和地面之间、激振梁和筛箱之间添加固定约束。支架与筛箱之间建立柔性连接（拉压弹簧阻尼器和轴套力），以模拟橡胶弹簧，设置弹簧的刚度值为182 N/mm，并建立z方向和x方向上的轴套力约束，对振动筛施加重力约束。由于在ADAMS中设置激振力对激振器的建模要求较为复杂，因此将激振力直接加在筛箱的激振梁上。根据设计要求，求得激振器激振力为16 k N，频率为24 Hz。添加约束后的模型如图2所示。
在运行仿真之前，需要计算弹簧的预载荷。在没有驱动的前提条件下进行仿真，得到结果后分析各个弹簧的受力，求出各弹簧的预载荷，并在进行仿真之前将计算得到的预载荷加到弹簧参数设置内。下一步是进行仿真，仿真运行时间设置为5 s，步数设置为500，可以得到整个筛箱相对于时间在各个方向的位移，如图3、图4所示。
从图3和图4可以看出，模拟开始时，筛箱在前0.3 s内瞬时波动，这段时间内筛块的振幅变化很大。0.3 s后，振动筛的振动趋于稳定，并引起在x和y方向发生简单的谐波运动。观察图像可以看出，振动筛进入稳态振动后，x方向的振幅约为1.53 mm,y方向的振幅约为2.25 mm。将在ADAMS中获得的数据以表格的形式导出，利用MATLAB中得plot(x,y）指令绘制出振动筛质心的运动轨迹，如图5所示。
由图5可知，振动筛的振幅约为2.69 mm，振动方向与水平方向之间夹角约为56°。设计时计算得到振动筛的双振幅为2.59 mm，模拟结果与计算结果的误差为3.7%；振动角度为55°，误差为1.8%。可见模拟结果是合理的。
振动筛在x和y方向上的加速度相对时间的变化情况如图6、图7所示，在x和y方向上的峰值分别为20 m/s2和22 m/s2。
(2）仿真分析
对ADAMS模拟结果的分析可知筛箱在x和y方向的振幅和加速度的大小。对振动筛的振动效果进行评估时，可参考自身的振动特性参数（振幅、振动频率、振动方向角和筛面倾角），还能使用振动强度这一评定指标。振动强度K是指振动筛筛箱加速度幅值与重力加速度之比，即评定机械强度的指标，K值越大，振动筛的强度越高，根据当前的机械水平，K值一般在3～8。基于大量的试验证据，高频煤泥脱水筛的振动强度K值在5～8时其脱水效率和回收率为最佳值。该振动筛的振动强度K=6.77，符合要求。
3 振动筛筛体的有限元分析
小型高频泥水分离振动筛在运行过程中，一旦结构发生共振，振动筛局部会产生较大的周期性弹性变形和附加循环应力，影响结构的可靠性和振动筛的筛分效果，当应力超过了允许的应力则必须停产检修。因此，必须避免振动筛产生共振，从而保证安全、可靠的生产。小型高频泥水分离振动筛需要进行模态分析和优化，使筛机的振动频率远离筛机结构正常工作时的固有频率。
设定求解参数，对小型高频泥水分离振动筛进行模态分析，得到该振动筛前8阶的模态分析结果，如表1所示。
振动筛前8阶振型如图8所示。
4 工业试验
(1）模态试验
试验采用LMS Test.Lab对小型高频泥水分离振动筛进行自由状态下的模态测试。试验设备连接示意图如图9所示。
小型高频泥水分离振动筛的筛体为对称结构，模型可简化为一个长方体。该试验激励点选择在振动筛激振梁处。简化后的模型与激励点位置如图10所示。
试验准备就绪，将12个测试点平均分为4组，每组依次进行测量，经过多次敲击，对结果取平均值，测得频率结果如表2所示。
(2）振动试验
该试验使用的设备与模态试验使用的设备相同，但无需使用力锤进行激励，使用振动筛激振电机对该振动筛进行激励，使用三向加速度传感器采集振动信号。得到的测试结果如图11所示，对不同测试点的竖直方向的振动数据进行分析与研究，发现小型高频泥水分离振动筛的振动主要出现在25 Hz、49 Hz、74 Hz、95 Hz附近。
小型高频泥水分离振动筛在山西煤炭运销集团同富新煤业有限公司进行了井下煤泥脱水测试，将渣浆泵输送上来的煤泥直接导入该振动筛进行脱水，脱水后的煤泥含水量低可直接上输送带运输，脱离出来的水排到附近水沟内流回水仓循环使用。小型高频泥水分离振动筛投入使用后可以减少压滤机等大型煤泥脱水设备的工作面积和台数，大幅降低了对煤泥水处理系统的投资及生产成本，实现了煤泥高效脱水。
5 结语
(1）对小型高频泥水分离振动筛进行了运动模拟，并对模拟结果进行了分析，结果表明该振动筛符合设计要求。通过ADAMS进行仿真，该方法可以反复进行模拟试验，减少设计周期，降低设计成本；
(2）通过对模态试验和振动试验结果的对比分析，可知在该振动筛运行时，测得的振动结果与其固有频率无重合，验证了模态仿真分析得到的其工作时筛体不易产生共振，满足振动筛的工作要求；
(3）对该设备进行现场测试，取得了良好的效果，解决了脱水设备与井下狭小空间不适应的问题，同时也降低了基础建设费用。
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文章来自《煤矿机械》2022年08期