选煤机弧形筛筛板弧形座疲劳寿命分析

张 龙

（阳泉煤业集团新景矿洗煤厂，山西阳泉 045000）

0 引言

选煤弧形筛是选煤机中的关键设备，每天承受的动载荷较大，且运行时间较长。在煤泥回收过程中，选煤弧形筛承受的载荷复杂，一方面始终承受着大量散装物料的重力载荷，另一方面在振动电机作用下，承受着筛板弧形座与筛面组合结构下的交变激振力。因此，选煤机弧形筛在此受力情况下，在弧形筛的结构上极容易产生疲劳裂纹，甚至出现开裂或断裂等现象，带来严重的疲劳破坏，严重影响了选煤机的正常运转，降低了系统的工作效率和经济效益[1-3]。

选煤弧形筛主要由筛箱、筛板弧形座、振动电机及隔振弹簧等零部件组成，在工作过程中，当选煤弧形筛的筛缝堵塞时，在振动电机的激振作用下，筛板弧形座产生谐振，从而带动与其连接的筛板振动，使堵住筛缝的物料下落，而此时筛箱的振动幅度较小。所以，根据选煤弧形筛的工作特点，筛板弧形座是整个筛子中最容易发生疲劳破坏的部件[4-5]。因此，展开选煤机弧形筛筛板弧形座的疲劳寿命分析，找出筛板弧形座的薄弱环节，对于提高筛板弧形座的疲劳寿命具有重要意义。

1 筛板弧形座有限元模型建立

1.1 几何模型和材料参数

首先利用SolidWorks三维软件对筛板弧形座进行三维建模，在充分考虑筛板弧形座的结构以及不影响有限元的计算分析结果的基础上，为了方便有限元的分析和计算，对圆角和倒角进行了简化，同时也去除了螺栓，所建立的三维几何模型如图1（a）所示。

筛板弧形座的材料采用的是Q235A，密度为7.85 g/cm3，弹性模量2.12×105MPa，泊松比为0.288，抗拉强度为375～500 MPa，屈服强度为235 MPa。

图1 筛板弧形座计算模型

1.2 网格划分和边界条件

根据筛板弧形座的结构，有限元单元类型选择SOLID186，采用自由网格划分的形式，网格划分结果如图1（b）所示，划分的单元数为147 807个，节点数为236 411个。

选煤弧形筛在运行工作过程中，筛板弧形座主要受到自身重力和振动电机架对其的反作用力。因此，根据选煤机弧形筛安装实际工况对弧形筛进行约束，并施加重力载荷，重力加速度取9.8 m/s2。

2 筛板弧形座静力学分析

2.1 静载分析

通过计算，提取筛板弧形座的应力结果如图2所示，从图中可以看出，整个筛板弧形座的受力较小，应力较大的部位主要在各部件的连接处，以及螺纹孔附近的位置，包括筛板弧形座和振动杆相连的部位，以及和减震器相连的螺栓孔，最大的应力不到21 MPa，远远小于筛板弧形座材料Q235的强度极限。说明筛板弧形座在静载荷的作用下，满足强度要求。

图2 筛板弧形座静载荷的作用下的综合应力云图

2.2 疲劳应用分析

图3 筛板弧形座在不同方向上单位载荷作用下的应力云图

个单独的作用力。因此，通过有限元静力学分析，可以得到筛板弧形座在X、Y两个不同方向单位载荷作用下的应力结果，另外获得每个方向的载荷谱，在nCode DesignLife软件设计中进行关联，就可以得到筛板弧形座进行疲劳寿命分析时的动应力。

进行筛板弧形座疲劳应力分析时的有限元模型，以及参数选择和边界条件的设置与静力学分析时的相同，提取X、Y两个不同方向下单位载荷作用下的疲劳应力结果如图3所示。从图中可以看出，X方向和Y方向单位载荷作用下的筛板弧形座应力结果云图相似，并且最大的应力部位也集中在各部件的连接处和螺纹孔的位置，这是由于激振力的作用方向与水平方向成45°的角度，因此X方向和Y方向的作用力大小相同，整个筛板弧形座的应力结果也相似。

3 疲劳寿命分析

对筛板弧形座进行疲劳寿命分析时，首先需要得到筛板弧形座的随时间变化的动应力。筛板弧形座在工作过程中，在振动电机激振力的作用下，振动杆末端振动，该激振力的方向与水平方向成45°夹角，为了方便后续进行疲劳寿命分析，将该激振力在X、Y两个不同方向下进行拆分，分解成两

3.1 参数设置

采用ANSYS软件中nCode DesignLife模块对筛板弧形座进行疲劳寿命分析，在进行疲劳分析前，需要先确定筛板弧形座承受的循环载荷，静力学分析中疲劳应力，以及材料的疲劳性能曲线[6-9]。材料的疲劳性能曲线即S-N曲线，在S-N分析模块中需要进行材料属性和载荷属性的设置。

（1）材料属性设置

材料属性的设置通过手动的方式将S-N曲线的数据输入软件，S-N曲线采用幂函数的公式，即lgN=a+b⋅lgS，需要确定筛板弧形座的材料常数a和b。Q235A材料a=41.1782，b=-14.6745，导入软件中，因此即可得到筛板弧形座的S-N曲线。

（2）载荷属性设置

载荷属性设置的关键在于把静力学分析中的疲劳应力和载荷时间历程两者进行匹配，然后就可以生成随时间变化的应力张量。X方向和Y方向需要分别进行配置，首先需要选择疲劳应力结果中的X方向单位载荷作用下的应力结果文件，与之相对应的时间序列中选择X方向上的载荷时间历程，并且在Divider选项下设置为1，此时，X方向就完成了疲劳应力和载荷时间历程的匹配，同样的设置和操作完成Y方向的匹配。

3.2 结果分析

在Miner法则下，通过软件计算得出了筛板弧形座的疲劳寿命云图，如图4所示，从图中可以看出，筛板弧形座的疲劳寿命分布不均，大部分区域的疲劳循环次数较大，只有少部分区域的疲劳循环次数较低，并且集中在筛板弧形座与减震器连接的4个螺栓孔的位置，这些地方容易产生疲劳破坏。此外，与静力学分析中应力集中的位置比较相似，因此应力集中对于筛板弧形座的疲劳寿命有较大的影响，同时筛板弧形座的中间部位静载条件下的应力虽然较低，但是疲劳循环次数值也相对较小，说明满足静力学分析要求的情况下，不能确保疲劳寿命也是最优的结构。

图4 筛板弧形座的疲劳寿命云图

同时在危险点探测模块当中，提取最危险的10个节点的节点编号和循环次数，如表1所示。筛板弧形座的节点当中最低循环次数为9.439×106次，这也代表整个筛板弧形座的疲劳寿命。计算分析时加载的载荷时间历程的时间是8 s，而筛板弧形座的工作频率为26 Hz，因此，筛板弧形座在实际工作过程中的疲劳寿命需要进行转换。通过计算可以得到筛板弧形座的实际疲劳寿命为9.439×106×8×26=1.963×109次。而在进行振动筛疲劳强度的可靠性设计时，振动筛使用的疲劳极限的标准至少应该达到109次，因此筛板弧形座达到了无限寿命设计的标准，满足筛分机械的使用寿命要求。

表1 筛板弧形座的节点循环次数

4 结束语

（1）通过筛板弧形座静力学分析，得到了筛板弧形座的应力云图，应力较大的部位集中在各部件的连接处和螺纹孔的位置，最大的应力小于筛板弧形座材料Q235的强度极限，满足强度要求。

（2）通过筛板弧形座疲劳寿命分析，筛板弧形座的疲劳寿命的薄弱环节在与减震器连接的4个螺栓孔的位置，最低的疲劳循环应力次数达到了无限寿命设计的标准，满足筛分机械的使用寿命要求。