脱水筛振动横梁断裂原因分析.pdf
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1、第44卷第4期2023年有色治金设计与研究8月脱水筛振动横梁断裂原因分析曾爱民,吴泽洲,涂晓琴(三川德青工程机械有限公司,湖北宜昌4430 0 5)【摘要 脱水筛在运行过程中,振动横梁易萌生微观裂纹,随之是裂纹的扩展直至瞬时断裂。以ZXT型脱水筛的振动横梁为研究对象,对振动横梁进行了静力学分析、有限元分析,研究了裂纹的萌生与扩展机理,并根据研究成果提出了相应的解决措施。【关键词 脱水筛;振动横梁;裂纹扩展机理;断裂原因中图分类号:TQ131.1+1;TQ424.2Abstract During the operation of the dewatering screen,the cross b
2、eams are prone to microcracks,which then propagate untilinstantaneous fracture.This article takes the crossbeam of the ZXT dewatering screen as the research object,the Static analysis andfinite element analysis were conducted,the mechanism of crack initiation and propagation was studied,and correspo
3、nding solutionswere proposed based on the research results.Keywords dehydration screen;vibration beam;crack propagation mechanism;cause of fracture文献标志码:AAnalysis of Fracture Causes of Crossbeam on Dewatering ScreenZENG Aimin,WU Zezhou,TU Xiaoqin(Safecleen Engineering Machinery Co.,Ltd.,Yichang,Hube
4、i 443005,China)文章编号:10 0 4-4345(2 0 2 3)0 4-0 0 2 7-0 5泥水分离设备是针对现代基础施工中需循环使用的泥浆而开发的一种泥浆净化设备,主要用于对掘进开挖后排出的携渣泥浆进行固液旋流分离、底流振动脱水,以便有效控制循环泥浆的性能指标,从而实现泥浆的循环再利用。随着泥水盾构、泥水顶管、双轮铣等非开挖性基础施工技术的快速发展,泥水分离设备的市场需求呈现上升趋势。脱水筛分是泥水分离设备中的关键功能单元,用于安装振动电机的振动横梁是筛箱最重要的承力构件,其结构的可靠性对筛机工况运行的安全性有直接影响。脱水筛在正常工况下运行时,除了承受自身的重力、驱动激振
5、力外,还要承受筛分渣料的重力、落料冲击力以及运行中产生的惯性力、交变应力等力的作用。复杂的受力状态,使筛箱容易发生振动横梁断裂、侧板开裂等早期失效现象,其中振动横梁断裂故障约占故障总量的7 0%以上。因此,对振动横梁进行静力学分析、有限元分析,对裂纹的萌生与扩展机理进行研究,对于保证筛机安全、可靠、高效地运行有着重要的意义。收稿日期:2 0 2 2-11-2 1作者简介:曾爱民(19 6 5 一),男,高级工程师,主要从事旋流分级、振动脱水、工程废浆、废渣雇水无害化处理等研究与技术开发工作。1月脱水筛结构及工作原理ZXT型脱水筛主要由筛箱、振动电机、筛板及紧固装置、隔振支承装置等组成,主要结构
6、见图1。筛箱主要由振动横梁、连接横梁、加强横梁、侧板、内外加强筋腹板等铆焊而成,主要结构见图2。2131.振动电机;2.筛箱;3.筛板及紧固装置;4.隔振支承装置图1脱水筛主要结构1231.振动横梁;2.加强横梁;3.连接横梁;4.侧板;5.内外加强筋腹板44图2 筛箱主要结构5228ZXT型脱水筛是直线筛,受两台振动电机的同步激励驱动,振动方向角=5 0,其工作原理见图3。(a)(b)图3脱水筛工作原理示意2台振动电机内置偏心块质量相同,即mi=m2;2个偏心块如图3做相向同步回转运动,二者产生的离心力大小相同,即Fi=F2。在回转运动的任一瞬间,2 个偏心块产生的离心力,在振动方向即x-x
7、方向上的分量因同向而相互叠加,在垂直振动方向即y-y方向上的分量因反向而相互抵消,因而在x-x方向上形成单一的激振力,驱动筛机沿x-x向作往复直线振动。筛上渣料在激振力的作用下,产生抛射与回落运动,从而让渣料沿着筛面,不断由落料端向出料端跳跃,进而实现底流的脱水、脱泥及出渣等功能。2振动横梁静力学分析振动横梁依托两端连接法兰,通过高强度螺栓连接固定在筛箱两侧板之间,中间连接座板上横向对称安装固定2 台振动电机。根据筛箱侧板对振动横梁的边界约束,静力学分析时将其视为简支梁。振动横梁长度l=2.04m,承受激振力F=2175kN,振动电机自重Gi=27.44kN以及振动横梁自重G2=12.49kN
8、的共同作用,分析时将F、G l简化为集中作用力,G2简化为线性均布载荷q,受力分析图见图4。CACX1/2图4受力分析由力平衡方程,可得两端A、B支点的反力:=F+GL+9lRA=RB=2式中:RA、R 为A、B支座的反力,kN;F为振动电机激振力,kN;Gi为振动电机重力,kN;l为横梁长度,有色冶金设计与研究m;q 为线性载荷,q=Gll,kN/m。振动横梁承载后弯曲时,任一横截面上都存在两个内力因素,一个是剪力Q,一个是弯矩M。取距A支座x、横截面c-c的左段横梁为研究对象,因原有振动横梁处于平衡状态,故在外力及内力的共同作用下,左段横梁也应处于平衡状态,剪力Q和(c)(d)FG1/21
9、2第44卷弯矩M可由左段横梁的平衡方程来求得。由ZF,=0,即RA-qx-Q=0,得:Q=F+GitaL-qx2由ZMc=0,即M-RAx+qxx=0,得:M=F+GitqLx-%x222式中:Q为距A支座x处截面上的剪力,kN;M为距A支座x处截面上的弯矩,kNm。剪力图、弯矩图分别见图5、图6。(F+G,+ql/2Q-(F+G,)/2-(F+G,+ql)/2图5 剪力图M2(F+G)I+qP/8图6 弯矩图由图5、图6 可知,在靠近两端支座的横截面上,剪力Q最大,10 m-F+G+L,M=0;在横梁中点2的横截面上,弯矩M最大,1Ql=-C,M m=(F+G)L+9P28B3有限元分析结合
10、SolidWords3D设计软件,采用其内置的SolidWordsSimulation仿真分析模块,对振动横梁开展有限元仿真分析,以便验证与优化振动横梁的结构设计。3.1模型的建立根据振动横梁已有的二维设计,采用SolidWords3D设计软件,完成振动横梁有限元模型的建立,见图7。(F+G)/22第4期1.连接法兰;2.横撑管;3.筋板;4.圆管支撑;5.连接座板图7 有限元模型振动横梁的制作材料一般均采用Q235A,密度p=7850kg/m,泊松比=0.3,弹性模量E=210 GPa;安全系数取n=1.5,屈服强度。=2 35 M P a,许用应力o=157 MPa;重力加速度g=9.8
11、m/s?。3.2网格的划分将建好的有限元模型导人SolidWords Simu-lation模块,启动静态仿真分析程序,对其进行前处理:设置材料属性,直接调用软件自有的Q235A材料性能参数;划分结构网格,选择基于曲率的网格划分方式,直接自动生成。生成高质量网格的雅可比点有16 点,最大单元大小是16 6.7 7 mm,最小单元大小是33.35 mm,节点有37 9 2 3个,单元数有17 9 7 7 个。3.3载荷与边界的约束载荷参数:振动方向角8=5 0 电机质量ml=2744kg,激振力F=2175kN,电机转速n=1000r/mim,振动频率f=16.67Hz,振动横梁质量m2=1 2
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