大型跳汰机机体有限元分析.pdf

文章编号：1001-3571 (2024)01-0037-05大型跳汰机机体有限元分析李宁1,2（1.天地（唐山）矿业科技有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012）摘要：为更好地指导跳汰机大型化过程中的机体设计并检验当前设计的合理性，以现 30 m2三段跳汰机为研究对象，通过理论计算得出机体空气小庙内的低压风风压以及机体的许用疲劳应力，并以此为基础进行了有限元分析。结果表明：考虑安全系数，空气小庙内的低压风风压为35 427.6 Pa，机体许用弯曲疲劳应力为 214 MPa；此条件下，当跳汰机机体钢板厚度为 8 mm，且间隔 750 mm加设筋板时，机体最大等效应力为 69.7 MPa，最大变形为 0.9 mm，机体结构安全，满足强度和刚度要求；若跳汰机大型化过程中，机体受到的空气压力变化较小，那么只要间隔一定距离加设筋板，机体就可以满足强度和刚度要求。研究结果为跳汰机进一步大型化提供了一定的理论支撑。关键词：跳汰机大型化；机体有限元分析；风压；钢板厚度；最大变形中图分类号：TD455+.1；TD94文献标志码：AFinite-element analysis of the body of thelarge-size jigging machineLI Ning1,2（1.Tiandi(Tangshan)Mining Technology Co.Ltd.,Tangshan 063012,China；2.Hebei Province Coal Preparation Engineering&Technology Research Center,Tangshan 063012,China）Abstract:In order to offer a better instruction to the design of the body of a large-size jigging machine and veri-fy the rationality of the design currently,the 30 m2 3-compartment jigging machine is taken as the object to ex-plore the low-pressure air pressure inside the small air chest and the permissible fatigue stress inside the ma-chine body through theoretical calculation.Finite-element analysis is then made based on the calculated result.As indicated by result of analysis,in consideration of the margin of safety,the air pressure in the chest and thepermissible fatigue stress of the machine body should be rated at 35 427.6 Pa and 214 Mpa,respectively.In thisinstance,for a machine body formed up using 8 mm-thick steel plates and reinforced with steel ribs set at an in-terval of 750 mm,the machine body is subjected to an equivalent stress of 69.7 MPa and a maximum strain of0.9 mm,indicating that the body can meet the safety and rigidity requirements.For the design of a large-size jig-ging machine,if its body is subjected to an air pressure without too much fluctuation,and the reinforcing ribs areset at a certain interval,the body can surely attain the strength and rigidity as required.The work made in the pa-per provides a certain theoretical basis for the design of large-size jigging machine.Keywords:jigging machine scaling up；finite-element analysis of machine body；air pressure；thickness of steelplate；maximum strain在各种选煤方法中，跳汰选煤因分选效果好，工艺相对简单成熟，便于运营维护管理，吨煤加工成本相对低廉等优势在竞争激烈的选煤行业里仍占有很大比例，尤其对易选煤及中等可选煤具有很好的适用性。近年来，新建炼焦煤选煤厂设计能力普遍在 120 万 t/a 以上，新建动力煤选煤厂设计能力则普遍在 300 万 t/a 以上：截止 2021 年，设计处理能力超过 1 000 万 t/a 的特大型选煤厂有 84 座，总 收稿日期：2023-12-14责任编辑：邓明瑞DOI：10.16447/ki.cpt.2024.01.007作者简介：李宁（1986），男，辽宁绥中人，工程师，硕士，从事选煤装备研究工作。E-mail：，Tel：[phone]。引用格式：李宁.大型跳汰机机体有限元分析J.选煤技术，2024，52（1）：3741.LI Ning.Finite-element analysis of the body of the large-size jigging machineJ.Coal Preparation Technology，2024，52（1）：3741.第 52 卷 第 1 期选煤技术 Vol.52No.12024 年 2 月COALPREPARATIONTECHNOLOGY Feb.202437计入选能力超过 13 亿 t/a，占当年总入选能力的38.2%1。因此，选煤行业对大型跳汰机的需求日益提升23，但在跳汰机大型化设计过程中，钢板厚度的选取并没有理论计算依据，都是根据经验选择，因此有必要对跳汰机机体进行有限元分析，以便更好地指导跳汰机大型化过程中的机体设计并检验当前设计的合理性45。1跳汰机简介三段跳汰机的结构如图 1 所示，机体的结构如图 2 所示。12341风箱；2围板；3机体；4排料端图 1 三段跳汰机结构简图Fig.1 Structural sketch of the 3-compartment jigging machine 1234567891011121314151617181精煤层；2中煤层；3矸石层；4矸石段一室；5空气小庙；6矸石段二室；7矸石段排料道；8中煤段一室；9中煤段二室；10中煤段排料道；11次精煤段一室；12次精煤段二室；13次精煤段排料道；14空气小庙内水流方向；15机体进水管；16空气室低压风进气口；17筛板；18精煤出口图 2 跳汰机机体结构简图Fig.2 Structural sketch of the body of the machine 图 2 中：15 为跳汰机进水管，循环水泵通过进水管向跳汰机机体内充水；16 为空气室低压风进气口，鼓风机产生的低压风通过进气口进入空气室，低压风推动水向下运动，空气室下面有倒流板，水流通过导流板后沿箭头 14 所示向上运动，水流向上运动推动筛板上的原煤向上运动；16 既为进气口也是排气口，当排气时原煤和水向下运动。由于进气口周期性进、排气，原煤就会周期性上下脉动，矸石由于密度大，先落到筛板，精煤密度小后落到筛板，这样矸石、中煤和精煤分为三层，最下面为矸石层，中间为中煤层，最上面为精煤层69。最终矸石经跳汰机矸石段排料道排出，中煤经跳汰机中煤段排料道排出，次精煤经跳汰机次精煤排料道排出，精煤随水流溢流排出，达到分选目的。2空气小庙内低压风风压计算跳汰机机体的空气小庙是机体的主要承压件，且所受载荷为交变载荷，更易发生疲劳破坏，因此以空气小庙为研究对象进行低压风风压计算。2.1筛板下水压计算三段跳汰机中矸石段二室的床层最厚（图 2），顶起原煤所需要的水压也最大。取受力最大情况，对三段跳汰机的矸石段二室进行受力分析。单位面积跳汰机筛板所受原煤的重力（G,单位为 N）可按下式计算：G=1h1sg+2h2sg+3h3sg，（1）式中：1为矸石密度，kg/m3；h1为矸石层厚度，m；s 为筛板面积，1 m2；g 为重力加速度，取 9.8 m/s2；2为中煤密度，kg/m3；h2为中煤层厚度，m；3为精煤密度，kg/m3；h3为精煤层厚度，m。三段跳汰机矸石段二室的筛板最低点到跳汰机出料口的高度为 611.2 mm，取其中矸石层厚度（h1）为 293.7 mm，中 煤 层 厚 度（h2）为 127 mm，精煤层厚度（h3）为 190.5 mm；考虑最大负载，物料均按真密度计算：矸石密度（1）取 2 000 kg/m3，中煤密度（2）取 1 600 kg/m3，精煤密度（3）取第 52 卷 第 1 期选煤技术2024 年 2 月 25 日 381 400 kg/m3，此条件下单位面积（1 m2）筛板上的原煤质量（M）为 1 057 kg，对应其中矸石、中煤、精煤的占比分别约为 55%，20%，25%（即计算以含矸量较高的原煤为对象）。按式（1）计算，单位面积筛板所受原煤重力（G）约为 10 361 N。当原煤含矸量高时，通常跳汰机进气周期为50 次/min，每周期内进气时间占比为 30%。此时空气小庙内低压风进气时间（t，单位为 s）为：t=60/50 0.3=0.36 s。而正常工作时，跳汰机矸石段床层跳动幅度一般为 200 mm。若将筛板上原煤看成整体，那么筛板上原煤加速度（a，单位为 m/s）可按下式计算：a=2(S v0t)t2，（2）v0式中：S 为跳汰机床层跳动幅度，为 200 mm；为跳汰机筛板处水的初始速度，0 m/s；t 为物料向上跳动所花费的时间，0.36 s。经计算，筛板上原煤的加速度（a）为 3 m/s2。FG=Ma筛板单位面积上升水流对物料的力（F，单位为 N）的计算公式为：。经计算，F 为13 532 N，换成压力（也为水流本身的压力，以 P0表示）即 13 532 Pa。2.2低压风风压计算跳汰机空气小庙充满气体时，风压最大，此时空气小庙底部的水压等于最大风压。空气小庙充满气体时，底部与筛板距离为 1.4 m，那么空气小庙底部的水压（P1，单位为 Pa）为：P1=P0+gh，（3）式中：为水的密度，取为 1 000 kg/m3；g 为重力加速度，取 9.8 m/s；h 为跳汰机筛板到空气小庙底部的高度，1.4 m。经计算，P1为27 252 Pa，安全系数取 1.3，则空气小庙底部的最大水压为 27 2521.3=35 427.6 Pa，最大风压同此值。3机体有限元分析 3.1机体许用疲劳应力跳汰机机体的失效形式为高周疲劳破坏，适用于高周疲劳分析的方法为名义应力法1012。该方法以零部件所受最大名义应力值为控制参数，假设构件没有初始裂纹，应用标准试样试验得到疲劳极限、S-N 曲线及疲劳极限图等，再考虑构件由于尺寸、表面状态及几何形状引起的应力集中等因素进行疲劳强度设计。名义应力法分为无限寿命设计和有限寿命设计1315两类。对于有限寿命设计来说，疲劳损伤累计理论是其重要依据2；而对无限寿命设计则主要是计算其安全系数。由于跳汰机需要长时间工作，所以在此采用无限寿命设计。当试样旋转的总圈数或经历的应力循环次数（N）为107时，常用的国产机械材料旋转弯曲疲劳极限见表 1。表 1 常用国产机械材料的旋转弯曲疲劳极限Table 1 Ultimate flexural and torsional fatigue data of com-monly used mechanical materials produced in China材料名称常用热处理抗拉强度/MPa1疲劳极限平均值（）/MPaQ235热轧439210.045#正火624285.145#调质710388.0Q345热轧586298.1 对于结构钢弯曲脉动循环应力极限可采用经验公式计算：0=1.331，式中：0为结构钢弯曲脉动循环应力极限，MPa；1为结构钢疲劳极限平均值，MPa。排料轮的材料一般为 Q235，则其0为 279.3 MPa。当材料较均匀，载荷应力较精确时，安全系数取 1.3，那么许用弯曲疲劳应力为279.3 1.3 214 MPa。3.2有限元分析建模与参数设置大多数产品的结构都具有复杂形状、承受复杂的外载，导致产生复杂的应力分布与变形，虽然有限元分析方法能进行分析并求解，但是也面临着计算成本高的问题，因此根据设计需求，建立合适的分析模型很重要。这一过程中，经验非常有助于决定哪些部件应该考虑而必须建立在模型中，哪些部件不应该考虑而不需要建立到模型中，即进行模型简化。该研究中的模型简化包括去除尖角和圆角等，以方便后续网格划分1619及求解。有限元分析以跳汰机矸石段建模，具体三维模型的长为 2 204 mm，宽为 5 116 mm，高为 1 395 mm，板厚为 8 mm；机体内宽为 4 500 mm，且在空气小庙内每隔 750 mm 设置拉筋，模型中不包含围板和排料端，具体如图 3 所示。模型由四个支座固定支撑，其上添加标准地球重力，如图 4 所示。机体内部除空气小庙内部外，加载筛板下水压为 13 532 Pa，如图 5 所示。机体空气小庙内，加载低压风风压为 35 427.6 Pa，如图 6 所示。跳汰机机体所受静压根据液面高度施加，如图 7 所示。第 52 卷 第 1 期李宁：大型跳汰机机体有限元分析2024 年 2 月 25 日 393.3有限元静力学分析研究采用静力学分析，并以得到的应力与上文中得到的许用疲劳应力做比较，如果大于许用疲劳应力，就会产生破坏，如果小于许用疲劳应力，再分析变形情况。等效应力计算采用形状改变比能准则2021，结果如图 8 所示；根据应力计算结果计算机体变形量，结果如图 9 所示。从图 8 中可以看出：4.5 m 宽跳汰机机体钢板厚为 8 mm 时，机体所受的最大等效应力为 69.7 MPa，小于许用疲劳应力 214 MPa，因此机体不会发生破 图 3 跳汰机机体三维模型Fig.3 3-dimensional model of the machine body 图 4 机体固定支撑图Fig.4 The bodys anchorage support 图 5 机体筛板下水压加载图Fig.5 Loaded water pressure beneath the screenplate 图 6 机体空气小庙加载低压风风压图Fig.6 Low-pressure air pressure loaded under the screenplate 变量载满，静液力压力B:静态结构静液力压力单位:Pa20 818 最大19 33817 85816 37714 89713 41611 93610 4568 9757 495 最小图 7 机体所受静压图Fig.7 Static pressure to which machine body is subjected第 52 卷 第 1 期选煤技术2024 年 2 月 25 日 40坏；从图 9 中可以看出机体的最大变形为 0.9 mm，当机体宽度为 4.5 m 时变形量在接受范围内。B:静态结构等效应力类型:等效(Von-Mises)应力单位：MPa6.973 1e7 最大6.198 4e75.423 8e74.649 1e73.874 5e73.099 8e72.325 2e71.550 5e77.758 5e611 976 最小图 8 机体等效压力图Fig.8 Equivalent pressure B:静态结构总变形类型:总变形单位:m 0.000 927 9 最大 0.000 824 80.000 721 70.000 618 60.000 515 50.000 412 40.000 309 30.000 206 20.000 103 10 最小图 9 机体变形图Fig.9 Deformation of machine body 4结论（1）分析模型宽度为 4.5 m 相当于 30 m2三段跳汰机，机体在 750 mm 间距下加筋板，钢板厚度为 8 mm，满足机体强度和刚度要求。（2）只要跳汰机在进气时间内床层跳动的高度一定，那么跳汰机在大型化过程中，机体受到的最大空气压力就变化较小。此时，只要在机体中间隔一定距离加设筋板就可以满足机体对强度和刚度的要求，即跳汰机大型化后空气压力对跳汰机钢板厚度影响不大。（3）不同平米数跳汰机的机体板厚可以在考虑吊装和支座处强度后适当改变，而且跳汰机工作中还会受到腐蚀和磨损，因此钢板的材料和厚度在设计时除考虑强度和刚度外还要考虑腐蚀和磨损。参考文献：程宏志.我国选煤工业和技术的发展J.选煤技术，2023，51（6）：112.1 李百亮，陈志林，郝曙华，等.跳汰选煤技术研究现状及 其 发 展 趋 势 J.煤 炭 加 工 与 综 合 利 用，2007（4）：1519.2 杨康，鲁杰.我国跳汰选煤及其设备的技术发展J.中国煤炭，2005，31（8）：1113.3 杨康.SKT 跳汰选煤技术J.选煤技术，2006（S1）：1519.4 齐正义，肖宁伟.高效机械式动筛跳汰机的研究及应用J.煤炭工程，2014，46（11）：137143.5 张勇，韩春胜.SKT 排矸跳汰机的设计与应用J.选煤技术，2015（2）：3238.6 林云，鲁杰，杨康，等.跳汰机软接触盖板阀装置：2546091P.2003-04-23.7 王珺，杨康.SKT 跳汰机风阀的研究与创新J.选煤技术，2012（6）：4952.8 娄德安.SKT35 跳汰机在寺家庄矿选煤厂的应用J.选煤技术，2010（2）：3133.9 秦大同，谢里阳.现代机械设计手册M.北京：化学工业出版社，2011.10 刘晓军.新型双源动力动筛跳汰机的研究J.选煤技术，2012（4）：2831.11 邹连峰，赵东权，徐征.跳汰工艺在选煤生产中的应用探究J.能源与节能，2020（5）：186187.12 李宁.跳汰机低压风管结构优化研究J.煤炭工程，2022，54（S1）：220223.13 陈志强，韦国峰，张玉伟.新型高效节能动筛跳汰机蓄能器的应用研究J.选煤技术，2013（6）：2831.14 曹树祥.GDT14/2.5 型机械动筛跳汰机的研究与应用J.东北煤炭技术，1996（2）：2931.15 李宁.重介浅槽分选机排料轮的优化设计J.煤炭加工与综合利用，2021（1）：1315.16 曹树祥，郭杰民，邢成国.机械动筛跳汰机的研究与应用J.煤炭加工与综合利用，2003（1）：1315.17 焦提新，顾志宝，赵兰香，等.用于块煤排矸的机械动 筛 跳 汰 机 J.煤 炭 加 工 与 综 合 利 用，1998（5）：4042.18 许京荆.ANSYSWorkbench 工程实例详解M.北京：人民邮电出版社，2015.19 单辉祖.材料力学教程M.北京：高等教育出版社，2004.20 曹树祥.用于块煤选矸的机械动筛跳汰机J.煤炭加工与综合利用，1996（5）：1617.21第 52 卷 第 1 期李宁：大型跳汰机机体有限元分析2024 年 2 月 25 日 41