大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的研制與應(yīng)用

黃 濤，蔣春輝，王來偉，高藝菲

(鞍山重型礦山機(jī)器股份有限公司，遼寧 鞍山 114042)

圓振動(dòng)篩是原煤準(zhǔn)備系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于原煤分級(jí)。20世紀(jì)70年代，我國(guó)在大型篩分機(jī)的研制方面做了大量工作，在使用壽命、篩分效率等方面取得了很大進(jìn)展[1]。根據(jù)振動(dòng)器布置的不同，將其主要分為兩類，一種是振動(dòng)器位于篩框中間的圓振動(dòng)篩，另一種是振動(dòng)器位于篩框上方的圓振動(dòng)篩。常見的振動(dòng)器位于篩框中間的圓振動(dòng)篩為YA型圓振動(dòng)篩[2-3]，其篩框結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械設(shè)計(jì)合理，大游隙軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫升低，運(yùn)行噪聲小，使用壽命長(zhǎng)，安全可靠，易于維護(hù)；但振動(dòng)參數(shù)小，處理能力低，無法滿足選煤廠對(duì)大型設(shè)備處理能力的要求。常見的振動(dòng)器位于篩框上方的圓振動(dòng)篩為YK型圓振動(dòng)篩[2-3]，其能夠有效避免物料在入料端的堆積，并起到檢查篩分作用，處理能力較高；但篩機(jī)質(zhì)量大，采購(gòu)成本高，維修不便，無法實(shí)現(xiàn)大型化設(shè)計(jì)。

隨著選煤廠設(shè)計(jì)能力的不斷增大，要求原煤分級(jí)效率不斷提高，這就對(duì)圓振動(dòng)篩的技術(shù)水平提出了更高要求。鑒于普通圓振動(dòng)篩的篩分面積小、振動(dòng)強(qiáng)度低，無法滿足當(dāng)前選煤生產(chǎn)的需要，在對(duì)圓振動(dòng)篩研制現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，研制出了大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩。

1 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的選取

針對(duì)目前普通圓振動(dòng)篩存在的問題，確定了大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，其中主要包括技術(shù)參數(shù)、設(shè)備材料、篩框結(jié)構(gòu)、振動(dòng)器結(jié)構(gòu)。

1.1 技術(shù)參數(shù)的選取

振動(dòng)篩的技術(shù)參數(shù)包括振幅、振次、篩面傾角等，這些參數(shù)直接影響篩機(jī)的篩分效率和處理能力[4-5]。目前，普通圓振動(dòng)篩的雙振幅為9 mm，振次為750 r/min，篩面傾角為20°，結(jié)合生產(chǎn)需要和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的雙振幅為10 mm，振次為850 r/min，篩面傾角為20°。依據(jù)式(1)、式(2)、式(3)計(jì)算出其處理能力、篩面物料運(yùn)動(dòng)速度、振動(dòng)強(qiáng)度，

Q=3 600B·H·v·γ,

(1)

(2)

(3)

式中:Q為處理能力，t/h；B為篩面寬度，m；H為料層厚度，m；γ為物料堆密度，t/m3；v為物料運(yùn)動(dòng)速度，m/s；K0為修正系數(shù)，計(jì)算中取0.1；A為振幅，mm；n為振次，r/min；α為篩面傾角，(°)；KV為振動(dòng)強(qiáng)度，g；ω為角速度，rad/s；g為重力加速度，取9.80 m/s2。

通過計(jì)算可得出兩種振動(dòng)篩的技術(shù)參數(shù)(表1)，對(duì)二者的技術(shù)參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的振動(dòng)強(qiáng)度比普通圓振動(dòng)篩的振動(dòng)強(qiáng)度高42個(gè)百分點(diǎn)，物料運(yùn)動(dòng)速度高40個(gè)百分點(diǎn)，故大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的篩分效率和處理能力大大提高。

表1 兩種振動(dòng)篩的技術(shù)參數(shù)對(duì)比結(jié)果

1.2 設(shè)備材料的選取

1.2.1 整機(jī)材料的選取

在振動(dòng)篩其它參數(shù)確定的條件下，如果篩面寬度增加1倍，則橫梁應(yīng)變提高16倍，這說明振動(dòng)篩篩面越寬，橫梁撓度變形越大[6]。振動(dòng)篩的篩箱越長(zhǎng)，其側(cè)板的橫向擺動(dòng)變形量越大，這嚴(yán)重影響篩機(jī)運(yùn)行的可靠性，導(dǎo)致其使用壽命縮短。在設(shè)計(jì)中過量加大橫梁和加厚板材，對(duì)于提高篩框的剛度和強(qiáng)度有一定幫助，但動(dòng)力消耗就會(huì)增加，經(jīng)濟(jì)性較差。

在設(shè)備材料選取上，傳統(tǒng)圓振動(dòng)篩采用Q345鋼板，而大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩創(chuàng)新性地選取了高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板。這種專用特殊鋼板具有抗磨損、抗疲勞、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，在保證足夠的剛度和強(qiáng)度條件下，能夠使相同規(guī)格的振動(dòng)篩主機(jī)質(zhì)量明顯下降，有助于減輕振動(dòng)慣性力對(duì)篩框的破壞。

大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩與普通圓振動(dòng)篩所用材料的力學(xué)性能對(duì)比結(jié)果見表2。由表2可知：大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度更大，抵抗變形的能力和抵抗斷裂的能力更強(qiáng)，所以該篩機(jī)能夠承受更多沖擊次數(shù)，使用壽命更長(zhǎng)。

表2 材料力學(xué)性能對(duì)比結(jié)果

1.2.2 篩板材料的選取

表1為5種參數(shù)化方案以及集合平均模擬的24 h、6 h和3 h累積降水的評(píng)估結(jié)果。對(duì)于24 h累積降水,距平相關(guān)系數(shù)和均方根誤差的值均變優(yōu)。相對(duì)于最優(yōu)的單方案結(jié)果,集成后的距平相關(guān)系數(shù)提高了2個(gè)百分點(diǎn),均方根誤差降低了0.2 mm。從TS評(píng)分的結(jié)果可以看出,集成后對(duì)于中雨和暴雨的TS評(píng)分值改進(jìn)較為明顯,優(yōu)于最優(yōu)的單方案,而小雨和大雨的TS值不如最優(yōu)的單方案,但也僅次之。該結(jié)論與陳茂欽等(2012)對(duì)江淮和華南兩次暴雨過程進(jìn)行多微物理方案的集成預(yù)報(bào)試驗(yàn)的結(jié)論相一致,均得出多方案集成后結(jié)果較為優(yōu)異且穩(wěn)定的結(jié)論。

篩板使用壽命的長(zhǎng)短不僅取決于篩面張緊程度，還與其結(jié)構(gòu)形式和材料有關(guān)[7]。大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的篩板(圖1)結(jié)構(gòu)分為輕型和重型兩種。通常上層為重型篩板，采用錳鋼板或聚氨酯板沖孔而成[8]，篩孔尺寸在25～50 mm之間；下層為輕型篩板，采用鋼絲或聚氨酯編織而成[8]，篩孔尺寸在6～25 mm之間；篩孔形狀包括正方形、長(zhǎng)方形、橢圓形等，根據(jù)物料情況而定。篩板長(zhǎng)度均為1 220 mm，具有良好的通用性和互換性，性能可靠，使用壽命長(zhǎng)。

1.3 篩框結(jié)構(gòu)

篩框主要由側(cè)板、篩板支撐橫梁和縱梁組成，是安裝篩板、承載物料篩分的核心部件，其結(jié)構(gòu)布置、剛度強(qiáng)弱均會(huì)影響大型振動(dòng)篩的可靠性[9]。普通圓振動(dòng)篩主要采用焊接加強(qiáng)筋的方式(圖2)對(duì)側(cè)板進(jìn)行加固，篩板支撐橫梁選用無縫鋼管，支撐縱梁選用角鋼型材，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)易使焊接應(yīng)力集中，此外無縫鋼管和角鋼厚度不均也會(huì)導(dǎo)致篩框薄弱處應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致篩框過早失效。

圖1 篩面結(jié)構(gòu)圖

圖2 普通圓振動(dòng)篩的焊接側(cè)板

大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的側(cè)板結(jié)構(gòu)采用整體折彎技術(shù)(圖3)，既能減輕篩框質(zhì)量，又能增強(qiáng)其剛度和強(qiáng)度，且不存在焊接應(yīng)力集中的問題，從而使彈性變形的可能性降至最低。橫梁采用矩形折彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在尺寸相同的條件下，其與側(cè)板的接觸面積增大了27個(gè)百分點(diǎn)，且篩框的整體剛度提高。側(cè)板與所有橫梁全部采用冷鉚(虎克鉚釘)技術(shù)聯(lián)接，能夠有效避免氧氣切割和焊接產(chǎn)生的加熱和應(yīng)力集中問題，從而避免焊接熱應(yīng)力引起的側(cè)板變形和開裂缺陷，這為圓振動(dòng)篩大型化的實(shí)現(xiàn)奠定了技術(shù)支持。

1.4 振動(dòng)器結(jié)構(gòu)

大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩選用兩組振動(dòng)器，能夠減少激振器每個(gè)軸承的動(dòng)載荷，延長(zhǎng)軸承使用壽命。傳統(tǒng)的兩組振動(dòng)器一般通過外接齒輪箱實(shí)現(xiàn)同步振動(dòng)，故障率高，噪聲大；而大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的兩組振動(dòng)器之間通過同步齒形帶連接(圖4)，能夠有效保證兩組振動(dòng)器同步振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生較大的激振合力，從而解決單振動(dòng)器設(shè)計(jì)無法大型化的缺點(diǎn)。

圖3 大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的折彎側(cè)板

`圖4 雙振動(dòng)器同步齒形帶連接圖

普通圓振動(dòng)篩的軸式振動(dòng)器的偏心軸為實(shí)心，存在質(zhì)量過大的問題，導(dǎo)致加工、安裝不便，振動(dòng)器的負(fù)荷和設(shè)備能耗增加，生產(chǎn)成本過高[10]；對(duì)于大中型振動(dòng)篩即使采用實(shí)心直軸，也不能減輕振動(dòng)器的自身質(zhì)量。大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的振動(dòng)器也為軸式結(jié)構(gòu)，其選用輕型振動(dòng)器(已獲專利技術(shù)，專利號(hào)為ZL200720142650.5)，內(nèi)部主軸為空心直軸，振動(dòng)器偏心軸質(zhì)量小，總體質(zhì)量輕，激振力增大，運(yùn)行輕便而靈活，維護(hù)簡(jiǎn)單，加工與生產(chǎn)成本均較低。

2 大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩

2.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩(圖5)主要由篩箱、彈簧支撐裝置、電機(jī)傳動(dòng)裝置、振動(dòng)器等組成，兩組振動(dòng)器均安裝于篩箱側(cè)板，物料進(jìn)入篩面后與篩箱一起作為參振質(zhì)量，在減振彈簧支撐下組成整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)；每組振動(dòng)器的軸上均有對(duì)稱、相等的偏心質(zhì)量，在軸承的支撐作用下，經(jīng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)后產(chǎn)生激振力；兩組振動(dòng)器之間采用同步齒形帶連接，能夠保證兩組振動(dòng)器同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成較大的激振合力，進(jìn)而促使整個(gè)參振系統(tǒng)周期性的往復(fù)振動(dòng)，其振動(dòng)軌跡為圓形。

圖5 大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)示意圖

該振動(dòng)篩的篩面采用傾斜方式布置，篩面傾角為20°。在篩面做圓振動(dòng)時(shí)，物料被反復(fù)拋起而落下，同時(shí)向前滾動(dòng)；小于篩孔尺寸的顆粒通過篩孔被分離到篩下，大于篩孔尺寸的顆粒繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，最后從出料端排出，成為篩上物。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

從設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果來看，大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

(2)與普通圓振動(dòng)篩相比，其振動(dòng)強(qiáng)度高42個(gè)百分點(diǎn)，物料運(yùn)動(dòng)速度高40個(gè)百分點(diǎn)，篩分效率和處理能力均大大提高；根據(jù)物料性質(zhì)和篩分需要選擇不同類型的篩板，能夠保證物料篩分的準(zhǔn)確性和篩分效率。

(3)篩框的側(cè)板、橫梁和縱梁均采用整體折彎技術(shù)，并選用空心直軸輕型振動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)篩的輕型化與高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

(4)減振系統(tǒng)采用內(nèi)外彈簧組合技術(shù)和橫向彈簧阻尼技術(shù)，能夠避免振動(dòng)篩工作時(shí)振動(dòng)不穩(wěn)定和橫向擺動(dòng)問題。

2.3 型號(hào)與技術(shù)參數(shù)

優(yōu)化的大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和振動(dòng)參數(shù)滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，能夠有效解決普通圓振動(dòng)篩篩分面積小、處理能力小等問題。目前，該型振動(dòng)篩已經(jīng)形成系列化產(chǎn)品，設(shè)備的型號(hào)與技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的型號(hào)與技術(shù)參數(shù)

注：生產(chǎn)能力是以煤為物料計(jì)算得到的。

3 應(yīng)用實(shí)例

大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩主要用在原煤或其他礦石的干法篩分環(huán)節(jié)，其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的成功應(yīng)用，不但使企業(yè)的生產(chǎn)能力大幅提升，而且?guī)砹孙@著的經(jīng)濟(jì)效益。2014年5月12日，準(zhǔn)格爾旗弓家塔寶平灣煤炭有限責(zé)任公司選煤廠(處理能力為2.40 Mt/a)選用2YAQ3673大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩對(duì)原煤進(jìn)行篩分，其上層篩孔尺寸為50 mm×50 mm，下層篩孔尺寸為20 mm×20 mm，處理能力為1 100 t/h。

在入選原煤粒度<100 mm，平均水分為8%的條件下，大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的篩分效率為92%，完全能夠滿足選煤廠高效率、大處理能力的篩分要求；在實(shí)際生產(chǎn)過程中，該振動(dòng)篩可以實(shí)現(xiàn)18 h/d的無故障運(yùn)行，穩(wěn)定性很高。

4 結(jié)語(yǔ)

為了提高大型強(qiáng)迫同步圓振動(dòng)篩的性能，在篩

機(jī)研制過程中，引入了模態(tài)分析和運(yùn)動(dòng)分析兩種現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和完善；在樣機(jī)制成后，建立了振動(dòng)篩試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)。目前，該振動(dòng)篩已在國(guó)內(nèi)各大選礦廠(包括選煤廠)成功應(yīng)用50余臺(tái)，生產(chǎn)實(shí)踐表明：該設(shè)備運(yùn)行可靠，停機(jī)時(shí)間短，維修費(fèi)用低，能夠大大提高生產(chǎn)效率。該振動(dòng)篩的成功研制和應(yīng)用，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)振動(dòng)篩行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步具有積極意義。

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