热矿直线振动筛侧板温度均匀化的研究.pdf

引言 热矿直线振动筛需要在高温下进行工作，通常 需要承受的温度在 700 ℃左右，在这样的高温环境 下， 侧板的温度也会相对较高， 实践经验表明， 侧板 的最高温度大约为 300 ℃[1]。侧板如果长时间处于 这么高的工作温度条件下，不仅会显著降低其使用 性能， 同时也会严重缩短其使用寿命， 不利于企业经 济效益的提升[2]。 因此， 企业迫切需要对该问题开展 研究和分析，进而采取有效措施来降低侧板的温度 及其温度分布的均匀性。 加大通风量、 进行喷雾处理 都是降低侧板温度的措施， 但是效果却不尽如人意[3]。 本文作者结合具体情况， 提出通过石棉板这一高效 的隔热材料来降低侧板温度的方案， 同时通过设置 不均匀的厚度来确保侧板温度和热应力分布的均 匀性。 1热矿直线振动筛的工作原理 热矿直线振动筛的主要构成部分包括电机、 激 振器、 筛箱、 二次隔振底架等， 激振器的运行轨迹为 直线。在该机器中， 不管是侧板还是筛箱， 目前使用 的材料均为耐热不锈钢， 横梁与侧板直接相连[4]。 筛 板需要与高温被工作对象进行接触，导致整个机器 的温度非常高， 侧板的温度通常高达 300 ℃。 在本机 构中， 有两台型号一模一样的激振器， 激振器的轴 线通过振动筛的重心， 并且其连线的与水平方向成 45。两台激振器距离筛板的大小相同， 每台激振 器分别由一台单独的电动机进行驱动， 且两台电机 需要保持同步， 运行时电机具有完全相同的转动速 度， 但是转动方向相反。这样就保证了不管在何时， 两个偏心块引起的离心力能够完全抵消， 但是在两 个激振器连线垂直方向上的分力能够叠加， 在激发 振动筛正常工作的同时，不至于引起整个机器的强 烈震动[5]。 2热矿直线振动筛模型的建立 本文利用三维造型软件对热矿直线振动筛进行 三维建模， 为后续有限元分析奠定坚实的基础。 热矿 直线振动筛主要参数指标有 筛箱的长度、 宽度和高 度分别为 7.5 m、 3.1 m 和 2.745 m，根据软件可以自 动计算筛箱的质量为 13.7 t， 安装倾角为 5。 根据三维造型软件可以自动计算得到热矿直线 振动筛的精确重心位置。由于激振器的安装位置对 整个机器的性能有直接影响，因此必须精确定位模 型的重心位置。本文涉及的热矿直线振动筛其运动 的轨迹为直线，通过上振式进行工作，根据相关要 求， 需要在振动筛重心的上部位置安装激振器， 同时 还需要保障激振器产生的激振力通过重心位置。 将前面利用三维造型软件建立的热矿振动筛三 维模型导入有限元分析软件中，然后进行网格的划 分， 本文选用 Solid90 三维单元进行网格划分， 因为 该种类型的单元在计算时存在显著的优势，有利于 提升计算的精度和速度[6]。 网格大小对计算过程和计 算结果均存在显著的影响。网格越大则总体网格数 量越少， 可以缩短模型计算的时间， 但是得到的计算 结果精度会受到限制。相反的， 如果网格划分越小， 则总体网格数量越多，能够得到更加精确的计算结 果， 但需要耗费更长的计算时间。 本文综合考虑计算 时间和结果精度要求，将网格数量控制在 100 00 左 右。 下页图 1 所示为热矿直线振动筛数值仿真模型。 本文在做仿真分析时，需要设置的材料属性主 要包括密度、 比热容、 导热系数等。将该设备的材料 密度设置为 7 800 kg/m3，比热容设置为 460 J/（kg K） ， 侧板 （所用材料为 12CrMo） 和筛板导热系数存在 热矿直线振动筛侧板温度均匀化的研究 范静 （霍州煤电集团辛置煤矿， 山西霍州031412） 摘要 利用三维造型软件对热矿直线振动筛进行建模， 利用仿真分析软件对其工作过程进行模拟研究， 发现 侧板的温度和热应力分布非常不均匀， 进而提出不均匀厚度加上铺设石棉板的优化改进方案。经过分析发现 优化后侧板的温度和热应力均得到了显著的改善， 能够提升侧板的使用性能和服役寿命。 关键词 热矿振动筛侧板温度场热应力 中图分类号 TD452文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 06-0096-03 收稿日期 2020-03-28 作者简介 范静 （1986） ， 女， 本科， 毕业于太原工业学院安全 工程专业， 助理工程师， 现为技术员， 主要从事洗煤机电管理方 面的工作。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.06.041 总第 206 期 2020 年第6 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 206 No.6， 2020 机械分析与设计 2020 年第 6 期 差异， 且导热系数随温度的变化发生变化， 具体数据 见表 1。由表中数据可知， 随温度升高， 侧板的导热 系数逐渐降低，而筛板和石棉板的导热系数却逐渐 升高， 这主要由材料属性决定。 其他初始条件和边界 条件按照真实的工作环境进行设置，保证模拟得到 的结果能够真实地反映具体情况。 3热矿直线振动筛侧板温度场仿真分析 本文建立的模型侧板厚度是 2 cm， 根据建立的 数值模拟仿真模型进行计算分析，得到热矿直线振 动筛侧板温度场和热应力的分布情况。如图 2 所示 为仿真得到的侧板温度场分布情况。从图中可以看 出， 整个侧板的温度分布非常不均匀， 最小的温度只 有 160.75 ℃， 而最大温度达到了 329.937 ℃， 最大温 度和最小温度之间的差值达到了 169.187 ℃。从图 中还可以发现，侧板的中间区域和上部区域温度普 遍较高， 且高温区域面积相对较大。 侧板的温度总体 上呈现出两侧低中间高的分布态势。 另外， 就整个热 矿直线振动筛而言， 最高温度达到了 727 ℃左右。 如图 3 所示为热矿直线振动筛侧板热应力分布 情况。 从图中可以看出， 侧板的热应力最大值和最小 值分别为 228 MPa 和 4.56 MPa。热应力的分布态势 总体上与温度场分布态势类似，中间存在较大区域 的热应力较高。 与温度场结果对比分析可知， 与侧板 中间位置温度相比较而言，与侧板连接的小横梁温 度相对较高，根据热胀冷缩原理可知其热膨胀量也 要更大， 导致在侧板中间部分出现压应力， 因此侧板 中间位置的热应力比较高。 在高度方向， 侧板中上位 置温度较高， 下部位置温度较低， 温度差异也会导致 热膨胀量存在差异，最终导致侧板下部位置出现了 压应力， 即图中的下部位置热应力较高。 4热矿直线振动筛侧板温度均匀化措施 侧板温度分布的不均匀导致不同区域的热膨胀 量存在差异， 最终导致侧板出现热应力， 影响侧板的 性能及使用寿命，因此有必要采取措施对其进行优 化改进。 本文针对侧板不同区域的厚度进行优化， 并 在不同位置设置石棉板，目的在于使侧板的温度均 匀化， 降低侧板的热应力， 提升其性能和延长使用寿 命。具体措施为将侧板的主体厚度设置为 1 cm， 在 局部热应力比较集中的位置将厚度设置为 3 cm， 在 整个侧板表面铺设一层石棉板，石棉板的厚度为 1 cm， 石棉板的导热系数见表 1。由表中数据可知， 石棉板的导热系数非常低，可以有效隔绝外部热量 导入侧板， 从而有效降低侧板的温度。 在侧板局部位 置厚度增加的目的在于平衡掉热应力对侧板力学性 能的影响， 提升侧板服役的稳定性。 如图 4 所示为优化后的热矿直线振动筛侧板温 度场分布情况。 由图可知， 侧板的最大温度和最小温 度分别为 135.304 ℃和 64.128 ℃。最大温度值与优 化前相比降低了近 195 ℃， 最小温度值降低了 96 ℃， 可见本文设计的方案能够显著降低侧板的温度。另 外， 从图中还可以看出， 具有较高温度的区域面积相 对较小。 如下页图 5 所示为优化后的热矿直线振动筛侧 板热应力分布情况。 由图可知， 侧板的最大应力和最 小热应力分别为 183 MPa 和 0.872 MPa， 热应力的分 布仍然遵循两端小中间大的态势，但是与优化前相 图 1热矿直线振动筛数值仿真模型 温度 /℃100200300400600800 导热系 数 / （W m-1 K-1） 侧板35.334.833.631.528.127.3 筛板16.718.119.520.923.626.4 石棉板0.0610.0730.0850.0970.1210.145 表 1侧板、 筛板和石棉板导热系数随温度的变化情况 图 2热矿直线振动筛侧板温度 （℃） 场分布情况 图 3热矿直线振动筛侧板热应力 （Pa） 分布情况 图 4优化后的热矿直线振动筛侧板温度 （℃） 场分布情况 160.75 179.548198.347 235.944273.541311.138329.937 292.34254.742217.145 .154E09.104E09.543E08.456E07.204E09 .179E09.129E09.792E08.294E08.228E09 64.12879.94595.761111.578127.395 72.03687.853103.67119.487135.304 范静 热矿直线振动筛侧板温度均匀化的研究97 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 比较而言， 热应力的分布相对较为均匀， 最大热应力 和最小热应力均显著降低。 5结论 通过对热矿直线振动筛侧板进行了优化提升， 使其在使用过程中的温度分布更加均匀， 热应力也得 到了显著的改善。经过优化改进后， 侧板的使用寿命 得到了显著提升，使用寿命至少延长了 1 倍以上， 为 企业创造了较好的经济效益， 值得进一步推广使用。 参考文献 [1]孙志鹏.烧结热矿振动筛故障原因分析及改进措施[J].现代冶 金， 2010， 38 （1） 34-36. [2]孙志鹏， 杨铁卫.烧结热矿振动筛故障分析及应对措施[J].南钢 科技与管理， 2009 （2） 56-58. [3]曹宝库.热矿振动筛故障原因分析与技术改造[C]// 中国金属学 会.第十一届中国钢铁年会论文集S01.炼铁与原料， 2017. [4]史朋波.ZKB 型直线振动筛的结构动力学分析及优化设计[D]. 邯郸 河北工程大学， 2018. [5]赵东辉.大型直线振动筛动力学分析及侧板拓扑优化布局研究 [D].阜新 辽宁工程技术大学， 2015. [6]王金耀.某直线振动筛的有限元动力学和疲劳分析[D].昆明 昆 明理工大学， 2014. （编辑 赵婧） 图 5优化后的热矿直线振动筛侧板热应力 （Pa） 分布情况 Research on Temperature Uniity of Sidewall of Hot Mine Linear Vibrating Screen Fan Jing （Huozhou Coal-Electricity Group Company Xinzhi Coal Mine, Huozhou Shanxi 031412） Abstract This paper uses three-dimensional modeling software to model the hot ore linear vibrating screen, and uses simulation analysis software to simulate its working process. It is found that the temperature and thermal stress distribution of the side plate is very uneven. Furthermore, an optimization and improvement plan of uneven thickness and laying of asbestos board was proposed. After analysis, it was found that the temperature and thermal stress of the side board were significantly improved after optimization, which could improve the perance and service life of the side board. Key words hot ore; shaker; side plate; temperature field; thermal stress .122E09872316 .211E08 .819E08.414E08.163E09 .143E09.102E09.616E08.183E09 [3]龚尚福， 杨娜.基于滑模控制的刮板输送机链条张力控制[J].工 矿自动化， 2015， 41 （2） 57-60. [4]毛君， 师建国， 张东升， 等.重型刮板输送机动力建模与仿真[J]. 煤炭学报， 2008， 33 （1） 103-106.（编辑 王瑾） Application Research of Tension Monitoring System of Scraper Conveyor Zhou Milin （Shanxi Tiandi Coal Machine Equipment Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030006） Abstract According to the actual operating conditions of scraper conveyor, a new automatic tension monitoring device based on piezoelectric vibration energy capture is proposed to solve the need of changing the power module regularly in traditional chain-ring tension monitoring device, which affects the accuracy of tension monitoring. The principle of tension monitoring, the arrangement structure of the monitoring device, the working principle and the arrangement structure of the piezoelectric vibration energy capture device are studied. The results show that the maximum tension of the chain transmission system is about 125 kN, and its running resistance is about 13 kN, which is consistent with the actual operating conditions of the scraper conveyor. Key words piezoelectric vibration energy capture; scraper conveyor; tension monitoring （上接第 41 页） 98