大型振动筛减振弹簧刚度反演及梁体动力学问题研究

摘要

煤炭是我国主要能源，而我国原煤质量差、灰分和硫分高，直接燃烧造成了严重的环境污染和资源浪费。选煤是最经济有效的煤炭清洁与高效利用办法，而目前我国原煤入选比例仍远落后于发达国家水平。筛分是选煤的关键环节，被广泛应用的筛分设备是振动筛。处理能力大、筛分效率高的大型振动筛(筛面宽度/横梁跨度大于3.6m、筛分面积大于20m2)符合国家煤炭工业的发展需要，而实际中，大型振动筛频繁出现横梁断裂和侧板开裂等故障，可靠性差，难以满足现代大型选煤厂的生产要求，是制约我国煤炭大规模加工提质的主要瓶颈。
　　针对上述大型振动筛可靠性难题，重点研究了大型振动筛减振弹簧刚度反演、内焊筋板激振梁的动力学特性、筛分过程中承重梁(或加强梁)的振动问题及其表面裂纹特性和检测方法，为大型振动筛结构健康监测与高可靠性设计、保障其安全高效运行提供理论支持。完成的主要工作和取得的研究结论归纳如下：
　　为实现振动筛减振弹簧的定量状态识别，建立了描述振动筛减振弹簧故障的四点弹性支撑刚板动力学模型，在构建的自由振动响应矩阵基础上利用自由振动响应进行了系统刚度矩阵的推导，进而通过刚度矩阵拆解实现了减振弹簧刚度的反演(SIbySMD)；开发了四点弹性支撑刚板减振弹簧刚度反演模拟系统(SSIFRP)，用于高信噪比的反演模拟；采用数值积分和信号处理方法获得系统模拟响应，并用于反演，对所提出原理进行了数值算例验证；最后，在振动筛模型机上实验测试说明了刚度反演方法的有效性。
　　为提高大型振动筛筛体可靠性，提出了在激振梁中心内焊筋板来代替传统的激振梁加厚或外焊筋条；根据区分经典的Euler-Bernoulli梁(EB)和Timoshenko梁(TB)类型的几何尺寸标准，提出了边界连续条件的EB和TB组成的混合梁单元ETE；将内焊筋板激振梁建模成多个ETE构成的混合梁，分析了ETE中EB与TB的振动微分方程；推导了经典边界条件下混合梁的参数化频率方程，提出了获取内焊筋板激振梁固有特性(固有频率和振型)的数值算法，并进行了算例分析，其结果和有限元分析结果进行了比较验证；最后，通过实验测试说明了所提混合梁模型的局限性。
　　为系统研究筛分过程大型振动筛承重梁(或加强梁)动力学特性并改进其设计方法，提出了筛分过程振动筛一般动力学模型；研究了筛体受物料作用下的各态历经平稳随机振动特性，发现了承重梁在筛分过程中，除了经历传统的确定性侧板激励跟随刚体平动(FRT)外，还承受确定性侧板激励弯曲振动(BV)和非确定性侧板激励轴向线性分布随机刚体平动(ALRRT)；推导了基于Rayleigh法的BV运动和基于随机振动统计分析的ALRRT运动的计算公式，并基于此改进传统的承重梁(或加强梁)端部受力情况的计算方法，数值算例和实验测试结果表明了该改进方法较传统方法的优越性。
　　为构建大型振动筛承重梁(或加强梁)表面裂纹检测的理论基础，研究了张开型表面贯穿和非贯穿裂纹空心矩形截面梁的相关特性：引入线弹性断裂力学理论，设计了裂纹等效扭转弹簧刚度的实验测试装置与方法，推导了表面贯穿和非贯穿裂纹空心矩形截面梁的裂纹等效扭转弹簧刚度理论计算公式，并通过实验进行了验证；在此基础上，利用传递矩阵法研究了经典边界条件下裂纹梁的频率方程及其数值求解方法，并通过裂纹空心矩形截面悬臂梁的实验测试验证了上述方法的可行性与准确性；最后，在讨论裂纹梁固有频率与裂纹深度、位置关系的基础上，提出了表面裂纹空心矩形截面梁裂纹检测的等值线法及其实现方式。
　　本论文有图92幅，表33个，参考文献204篇。