大型異線性振動(dòng)篩的研究與應(yīng)用

付超魁，李 平

（河南平煤股份田莊選煤廠，河南 平頂山 467013）

異線性振動(dòng)篩是應(yīng)用非線性振動(dòng)原理，工作在共振點(diǎn)之前的共振區(qū)內(nèi)，而一般直線篩是利用線性振動(dòng)原理，工作在共振區(qū)之后的區(qū)間。異線性振動(dòng)篩與其他振動(dòng)篩相比具有節(jié)能、工作平穩(wěn)、動(dòng)反力小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

一、異線性振動(dòng)篩的原理

異線性振動(dòng)篩是在接近共振條件下工作的。異線性振動(dòng)篩所以能在共振區(qū)附近工作，是因?yàn)椴捎昧朔蔷€性彈簧，使彈性系統(tǒng)的振動(dòng)，從線性振動(dòng)變?yōu)榉蔷€性振動(dòng)。根據(jù)機(jī)械振動(dòng)學(xué)的理論，在非線性振動(dòng)系統(tǒng)中，篩分機(jī)的自振頻率不是定值，它隨篩分機(jī)振幅的變化而改變，同時(shí)，非線性振動(dòng)可使篩分在振區(qū)附近工作時(shí)的振幅變得穩(wěn)定。圖1為非線性振動(dòng)篩分機(jī)的振幅與頻率特征曲線，亦稱非線性振動(dòng)曲線。從圖1可知，在非線性振動(dòng)條件下，異性振動(dòng)篩能夠得到較為平穩(wěn)的振幅。

異線性振動(dòng)篩是利用連桿上裝有彈簧的曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，其構(gòu)造及工作原理見圖2所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)裝置在下機(jī)體上的偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，偏心軸使連桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。連桿通過其端的彈簧將作用力傳給篩箱，與此同時(shí)下機(jī)體也受到相反的作用力，使篩箱和下機(jī)體沿著傾斜方向振動(dòng)。篩箱、彈簧及下機(jī)體組成一個(gè)雙質(zhì)量的彈性系統(tǒng)，該彈性系統(tǒng)固有的自振頻率與傳動(dòng)裝置的強(qiáng)迫振動(dòng)率接近或相同時(shí)，使篩子在共振狀態(tài)下沿著一定的方向角作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，物料便沿著篩面進(jìn)行篩分和脫水。異線性振動(dòng)篩的工作過程就是系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化的一個(gè)過程。當(dāng)篩子和機(jī)架的運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)能達(dá)到最大值時(shí)，主振彈簧的壓縮量和勢(shì)能則減到最小值；當(dāng)篩子和機(jī)架的運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)能等于零時(shí)，主振彈簧的壓縮量和勢(shì)能則達(dá)到最大值，如此反復(fù)變化，使篩子獲得連續(xù)振動(dòng)。篩子在每次振動(dòng)中只需補(bǔ)充少量的克服阻尼所需的能量就足夠了，所以異線性振動(dòng)篩的動(dòng)力消耗比其他類型的篩子要低的多，且噪聲小，相對(duì)傳給基礎(chǔ)的振力也小。

二、大型異線性振動(dòng)篩的發(fā)展歷程

異線性振動(dòng)篩具有處理能力大、篩分效率高、耗電少、結(jié)構(gòu)緊湊、能耗小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。田莊選煤廠大型異線性振動(dòng)篩是在共振篩（尤其是30m2共振篩） 不斷應(yīng)用、不斷提高的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。共振篩在我國(guó)20世紀(jì)60至70年代得到了較多應(yīng)用，但由于當(dāng)時(shí)研究水平的局限性，以及一些材料和生產(chǎn)條件的限制，特別是彈性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造工藝和質(zhì)量水平等發(fā)展較為緩慢，阻滯了共振篩的進(jìn)一步發(fā)展。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用、非線性振動(dòng)理論的研究發(fā)展、一些新材料和新工藝的使用以及環(huán)保對(duì)噪聲的關(guān)注，新一代的高效低能耗的大型異線性振動(dòng)篩將引起人們的再次重視，并將得到新的推廣和發(fā)展。同時(shí)，目前進(jìn)口大型直線振動(dòng)篩存在造價(jià)高、備配件昂貴、能耗高故障多的問題，國(guó)產(chǎn)大型直線振動(dòng)篩（尤其18m2以上直線振動(dòng)篩） 在設(shè)計(jì)制造上仍存在諸多缺陷，故障率較高，這些也為大型異線性振動(dòng)篩發(fā)展提供了契機(jī)。

平煤股份田莊選煤廠于1970年由我國(guó)自行設(shè)計(jì)建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)處理能力370萬t/年。建廠初期絕大部分篩分設(shè)備采用共振篩，直到20世紀(jì)90年代，15m2和30m2共振篩一直都是主要生產(chǎn)設(shè)備之一。由于前面提及的一些原因，這些共振篩也是問題較多的設(shè)備，由于生產(chǎn)需要，廠里被迫采用多種篩分機(jī)械替代，如蘇式篩、ZK系列直線篩等，但均不理想。田莊選煤廠幾十年來堅(jiān)持不懈對(duì)30m2共振篩進(jìn)行研究攻關(guān)，不斷完善，基本滿足原煤分級(jí)要求，但對(duì)于脫介及單位處理能力上仍亟待提高。

通過30m2共振篩在田莊選煤廠長(zhǎng)期的生產(chǎn)、維護(hù)和應(yīng)用，為大型異線性振動(dòng)篩發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。筆者認(rèn)為影響異線性振動(dòng)篩發(fā)展的制約因素主要有以下幾個(gè)方面。

（1）彈性系統(tǒng)問題。異線性振動(dòng)篩對(duì)彈性系統(tǒng)要求較高，這基本成為制約異線性振動(dòng)篩發(fā)展的主要因素。彈性系統(tǒng)性能、結(jié)構(gòu)有待于進(jìn)一步優(yōu)化提高；彈性元件使用量大、要求高，由于制造存在不同差異，給設(shè)備調(diào)試、維護(hù)工作帶來困難；另外由于市場(chǎng)需求不大，相應(yīng)科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)對(duì)這方面的研究和投入不多，也影響進(jìn)一步發(fā)展。

（2）對(duì)調(diào)試、維護(hù)人員要求高。與直線振動(dòng)篩相比，異線性振動(dòng)篩彈性系統(tǒng)有一定調(diào)整難度，對(duì)維護(hù)人員要求較高。以30m2共振篩調(diào)整為例，需要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的工作：①連桿彈簧調(diào)整。如調(diào)整不正確會(huì)造成啟動(dòng)異常、篩分效果差等結(jié)果；②線性主振彈簧的調(diào)整。如調(diào)整不正確會(huì)造成啟動(dòng)力矩異常、物料走料異常、彈簧和篩框壽命縮短等后果；③篩箱兩側(cè)非線性彈簧間隙的調(diào)整。如調(diào)整不正確會(huì)造成振幅超限、支撐板簧折斷或篩分效率差等后果。

（3） 篩子設(shè)計(jì)、加工制造、使用中存在的一些問題。如：篩子梁斷、板簧螺栓斷、后篩箱易斷裂、出料舌頭易斷裂、主振彈簧彈性差易老化等。

三、大型雙層異線性振動(dòng)篩在田莊選煤廠的創(chuàng)新及應(yīng)用

1.田莊選煤廠32m2雙層異線性振動(dòng)篩的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）應(yīng)用非線性動(dòng)力學(xué)理論提出了大型篩分機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算技術(shù),為設(shè)計(jì)高效節(jié)能異線性振動(dòng)篩的工作點(diǎn)（振次和振幅）提供了設(shè)計(jì)方法。

（2）給出了大型非線性異線性振動(dòng)篩組合參數(shù)（線性剛度、非線性剛度、碰振間隙、激勵(lì)頻率與幅值、導(dǎo)向剛度、支撐剛度等）的非線性優(yōu)化方法和相應(yīng)技術(shù)。

（3）提出了新的大型非線性異線性振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整技術(shù)，包括異線性振動(dòng)篩支撐簧安裝技術(shù)、上下篩體的質(zhì)心和導(dǎo)向板簧調(diào)整技術(shù)、串聯(lián)橡膠線性簧的安裝調(diào)整技術(shù)和非線性碰振簧安裝調(diào)整技術(shù)；改進(jìn)安裝和調(diào)試技術(shù)，如篩體質(zhì)心調(diào)整、各彈性元件安裝方法等，解決了彈性系統(tǒng)元件多，調(diào)整難等問題。

（4）通過簡(jiǎn)化模型和非線動(dòng)力學(xué)理論分析，將理論分析、數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合，找到了理想的工作點(diǎn)（振幅，振次）時(shí)系統(tǒng)最佳動(dòng)力學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。并通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)有限元模型進(jìn)行了修正，研究了大型篩分機(jī)械的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和剛度問題，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)加工。

32m2雙層異線性振動(dòng)篩（2ZYS4375型） 是目前國(guó)內(nèi)最大的新型異線性振動(dòng)篩。在對(duì)原30m2雙層共振篩的計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了“三優(yōu)”設(shè)計(jì)（包括彈性系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)、動(dòng)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)和剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)）。通過對(duì)32m2雙層異線性振動(dòng)篩的“三優(yōu)”設(shè)計(jì)，給出了結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律和模態(tài)頻率分布規(guī)律，通過動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化，最終確定了該異線性振動(dòng)篩的最佳工作參數(shù)，為設(shè)計(jì)制造提供了理論支持。

2.異線性振動(dòng)篩安裝應(yīng)用

（1）安裝基礎(chǔ)底梁。首先清理基礎(chǔ)水平，安裝底梁，擰緊固定螺栓，并進(jìn)行水平找正。尤其是篩子的橫向水平，必須嚴(yán)格要求，其誤差不超過1/1 000mm。當(dāng)出現(xiàn)底梁與基礎(chǔ)有較大間隙和不水平時(shí)，可增加楔鐵，找正、緊固后，可與底梁焊接牢固。

（2）安裝支撐彈簧。按照?qǐng)D紙要求再次校對(duì)各支撐彈簧間距，使間距嚴(yán)格對(duì)稱平行。支撐彈簧剛度應(yīng)調(diào)整基本一致，否則將引起篩相橫向擺動(dòng)和基礎(chǔ)受力不均。

（3）安裝上下篩框，連接板彈簧。在連接固定板彈簧時(shí)，應(yīng)按順序?qū)ΨQ組裝，并使上下篩框保持平行一致。①上下篩箱上下對(duì)齊，中間距一致，上下篩箱支板彈簧座在一個(gè)平面上，上篩箱的主振彈簧座（方鋼座）的中心線必須與下篩箱觸頭座的中心線在一條直線上。②支撐彈簧垂直于篩箱，壓縮尺寸誤差為±1mm。

（4）安裝篩板。下篩箱使用的是扣槽式絕緣質(zhì)篩板，先把扣槽緊固在篩梁上，扣槽間距尺寸誤差0.05mm，下層篩板是用螺栓緊固，篩板下面要鋪一層橡膠板，δ＝10～12mm，防止篩板松，保護(hù)篩梁面。

（5）安裝主振彈簧，臨時(shí)擰上螺帽，調(diào)主振彈簧用2～3mm鋼板測(cè)量出各彈簧間的間隙，必須一致，如不一致可用開口墊片調(diào)整。最后調(diào)試運(yùn)行后，再緊固好螺帽，并擰緊備帽防松。

（6）安裝電動(dòng)機(jī)和偏心傳動(dòng)裝置，連接彈性傳動(dòng)連桿。裝傳動(dòng)大軸時(shí)用鐵墊片把兩邊軸承座找平，緊固后大軸轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)靈活無磨損現(xiàn)象。偏心塊的中心線與上篩箱串簧座中心線的誤差±0.05mm。裝上連桿彈簧，戴上螺帽，預(yù)緊量試運(yùn)行中調(diào)試好后，緊固好螺帽，并擰緊備帽防松。電動(dòng)機(jī)與偏心軸上三角帶輪槽應(yīng)平行一致，其誤差不應(yīng)大于±1mm。

（7）試車。檢查篩箱各部位沒有碰、擦現(xiàn)象，即可以空載8h試車。試車時(shí)上下篩箱應(yīng)平穩(wěn)，各部振幅為12～14mm。如振幅有誤差，可調(diào)整主振彈簧間隙，即振幅小，間隙調(diào)大；反之，與其相反?？蛰d試車后，檢查篩子各連接件、緊固件及彈性元件間隙是否正常，如正常，即可加載重負(fù)荷試車，重負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)不少于24h，之后，即可投入正常使用。

田莊選煤廠32m2雙層異線性振動(dòng)篩（2YZS4375型）2005年3月至2006年5月完成設(shè)計(jì)、制造、安裝工作，2006年6月進(jìn)入調(diào)試、試運(yùn)行階段,并納入正常生產(chǎn)系統(tǒng)投入生產(chǎn)（設(shè)備位置編號(hào)315＃原煤分級(jí)篩），2YZS4375型篩主要技術(shù)指標(biāo)：篩面尺寸4 300mm×7 500mm，篩面面積32m2，雙層，頻率13.3Hz，振幅（雙）10～16mm，最大給料粒度300mm，處理量400t/h，總重量34.27t。經(jīng)過近4年的現(xiàn)場(chǎng)使用，性能基本滿足生產(chǎn)需要，存在問題主要有橡膠主振彈簧質(zhì)量不穩(wěn)(不同批次質(zhì)量有差異)，給維護(hù)帶來一定困難，亟待今后進(jìn)一步完善。

四、結(jié)束語

國(guó)內(nèi)最大的32m2異線性振動(dòng)篩(2YZS4375型)的制造、安裝與應(yīng)用標(biāo)志著田莊選煤廠大型異線性振動(dòng)篩的研究工作已步入一個(gè)新的高度，將對(duì)我國(guó)異線性振動(dòng)篩領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)步起到積極的推動(dòng)作用，為我國(guó)篩分機(jī)械的大型化、國(guó)產(chǎn)化提供新的發(fā)展思路，同時(shí)也為選煤廠篩分機(jī)械提供了新的選擇。

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