新型高效三軸橢圓振動(dòng)篩分設(shè)備

秦雙迎

(福建南方路面機(jī)械有限公司,福建泉州 362021)

新型高效三軸橢圓振動(dòng)篩分設(shè)備

秦雙迎

(福建南方路面機(jī)械有限公司,福建泉州 362021)

對(duì)透篩理論以及橢圓篩分理論進(jìn)行了研究與分析,介紹了STK系列三軸橢圓篩,闡述了其篩分物料適應(yīng)能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)橢圓沖程大(16～19 mm可調(diào))、頻率(725～850 rpm)及振動(dòng)方向角度(30°～60°)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),兼有圓振篩和直線篩的特點(diǎn).通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,三軸橢圓篩分設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、處理量大、生產(chǎn)效率高、功耗小等突出優(yōu)勢(shì),適用于篩分機(jī)制砂這種難篩分的物料,可有效解決傳統(tǒng)的制砂篩分難題.

三軸橢圓篩;篩分效率;頻率;機(jī)制砂

0 引 言

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,中國(guó)建筑用砂資源在逐步減少,機(jī)制砂的需求量越來(lái)越大,但目前機(jī)制砂設(shè)備、技術(shù)落后,機(jī)制砂產(chǎn)品針片狀多、含粉量高,現(xiàn)有的篩分技術(shù)極易發(fā)生篩網(wǎng)堵塞,篩分精度低,產(chǎn)能低下[1-4],造成制砂過(guò)程中資源、能源消耗大.

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)機(jī)制砂篩分通常采用直線以及圓振動(dòng)篩[5],存在篩分產(chǎn)量較小、能耗大、不同物料篩分適應(yīng)性差、易堵篩等缺點(diǎn).為了推動(dòng)國(guó)內(nèi)制砂篩分技術(shù)的發(fā)展,筆者所在公司與海西裝備所合作開(kāi)發(fā)一種新型高效的三軸橢圓篩分設(shè)備,既符合中國(guó)節(jié)能減排的政策要求,對(duì)篩分技術(shù)的發(fā)展也具有重要意義.

高效三軸橢圓篩為國(guó)際上先進(jìn)的篩分成套裝備產(chǎn)品[6],能根據(jù)不同物料特性調(diào)整工作參數(shù),達(dá)到最優(yōu)篩分狀態(tài).該技術(shù)推廣應(yīng)用到其他類(lèi)型篩分裝備中,可以提高產(chǎn)量、降低能耗,延長(zhǎng)使用壽命[7].

1 振動(dòng)篩及顆粒運(yùn)動(dòng)模型

1．1 機(jī)制砂振動(dòng)篩分設(shè)備

篩分作業(yè)是目前應(yīng)用最廣泛和最有效的將物料按粒度分類(lèi)的方法,中國(guó)的制砂篩分通常采用直線振動(dòng)篩或圓振動(dòng)篩[8].

直線振動(dòng)篩具有能耗低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[9],且容易密封,環(huán)保性好,但用在制砂場(chǎng)合時(shí),由于成品砂含粉量大(通常0.15 mm粒徑以下的占比不小于15%),在原料含水率高于1%時(shí),篩網(wǎng)容易堵塞,從而導(dǎo)致篩分效率急劇下降,篩分效果不理想.圓振篩以圓形軌跡的篩分動(dòng)作推動(dòng)物料通過(guò)篩網(wǎng)[10]實(shí)現(xiàn)篩分,其采購(gòu)、運(yùn)行成本相對(duì)較低,具有篩網(wǎng)不容易堵塞的特點(diǎn);但用于制砂時(shí)容易導(dǎo)致粉塵飛揚(yáng),環(huán)保性能差.圓振動(dòng)篩正常工作時(shí)傾角一般在20°以上,這也會(huì)導(dǎo)致篩體布置高度較高,不利于設(shè)備實(shí)現(xiàn)緊湊布置.無(wú)論直線篩或圓振動(dòng)篩,其結(jié)構(gòu)型式、軌跡參數(shù)以及振動(dòng)頻率的調(diào)整范圍均較小,難以適應(yīng)不同物料的篩分[11].下面以直線振動(dòng)篩為例,對(duì)篩分透篩理論作簡(jiǎn)單介紹.

1．2 直線振動(dòng)篩透篩理論

篩面上的物料是由大小不同的顆粒組成的群體,當(dāng)篩面處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),所有顆粒都受到篩面運(yùn)動(dòng)的影響,但是直接與篩面接觸的是粒群中最下面的那部分顆粒.由于眾多顆粒雜亂無(wú)章地聚在篩面上,它們既能單獨(dú)運(yùn)動(dòng),又相互干擾,加之顆粒形狀各異以及存在一定水分,所以物料在篩面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜.

為了尋找篩分機(jī)工作參數(shù)與物料在篩面上運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系,可將物料在篩面上的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化成1個(gè)顆粒在篩面上的運(yùn)動(dòng).直線振動(dòng)篩的篩面沿振動(dòng)方向作簡(jiǎn)諧振動(dòng)(圖1),篩面的位移方程式為S＝A sin(ωt) (1)式中:S為篩面的位移;A為振幅;ω為振動(dòng)的角頻率;t為振動(dòng)時(shí)間.

圖1 篩粒在篩面上的受力分析

篩面運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度在x方向(平行于篩面)和y方向(垂直于篩面)的分量為

式中:Sx、Sy為篩面在x和y方向的位移;β為振動(dòng)方向角,稱(chēng)拋射角,即顆粒的瞬間運(yùn)動(dòng)方向與篩面的夾角;vx、vy分別為篩面在x和y方向的運(yùn)動(dòng)速度; ax、ay分別為篩面在x和y方向的加速度.

物料在篩面上的運(yùn)動(dòng)主要取決于篩的振幅A和振動(dòng)頻率ω.當(dāng)篩面以不同的頻率和振幅作連續(xù)振動(dòng)時(shí),篩面上的顆?？赡艹霈F(xiàn)相對(duì)靜止、正向滑動(dòng)、反向滑動(dòng)和跳動(dòng)等不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).在振動(dòng)篩工作時(shí),為了獲取較好的篩分效率和生產(chǎn)率,一般采用較大的振動(dòng)頻率使物料呈現(xiàn)跳動(dòng)狀態(tài).

顆粒跳離篩面的臨界條件是:顆粒對(duì)篩面的法向力為0,即

式中:Kv為拋料系數(shù),表明物料跳動(dòng)的急劇程度;φ為物料開(kāi)始跳動(dòng)的初始相位角;K為振動(dòng)強(qiáng)度;a0為篩面傾角;g為重力加速度;m為物料質(zhì)量.

圖2為篩面傾角a0、振動(dòng)方向角β和Kv的關(guān)系曲線(其中振幅A取4 mm,ω取16π,g取9.8 m·s－2).

圖2 拋料系數(shù)曲線

直線振動(dòng)篩上顆粒跳動(dòng)的終止角φd是指顆粒跳動(dòng)1次后,落回到篩面上所產(chǎn)生的諧激振角.

式中:δ為跳動(dòng)角.

由式(2)～(4)可知:當(dāng)Kv＞1時(shí),顆粒能被篩面拋起,即顆粒出現(xiàn)跳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);當(dāng)Kv＜1時(shí),φ無(wú)解,顆粒不能被篩面拋起;若Kv＝1,φ＝90°.

但也不是Kv＞1的任何值都比較好,理想的條件是充分發(fā)揮篩分機(jī)的工作效率,即顆粒跳動(dòng)1次的時(shí)間不超過(guò)篩面振動(dòng)1次的時(shí)間[12].因此將跳動(dòng)角δ＝2π代入式(6),可以得17°40′.將φd＝17°40′代入式(2)～(4)可以得到Kv＝3.3.

因此當(dāng)拋料指數(shù)Kv＝3.3時(shí),篩面的1個(gè)振動(dòng)周期正好等于物料的1個(gè)跳動(dòng)周期,此時(shí)物料與篩面接觸的時(shí)間最短,對(duì)減輕篩面的磨損是有利的[13].為了獲得較好的篩分效率,最好使物料顆粒在篩機(jī)的每一個(gè)振動(dòng)周期都能和篩面接觸,所以在一般情況下,選取Kv＜3.3.拋料指數(shù)的選取還與被篩物料的性質(zhì)有關(guān):對(duì)于易篩物料,Kv取2～2.5;對(duì)于中等顆粒的物料,Kv取2.5～3;對(duì)于難篩物料,Kv取3～5.

2 三軸橢圓篩

2．1 國(guó)內(nèi)外三軸橢圓篩技術(shù)

從研究動(dòng)向上看,國(guó)外的振動(dòng)篩分機(jī)研究主要是致力于現(xiàn)有篩分機(jī)械的運(yùn)動(dòng)分析和結(jié)構(gòu)調(diào)整,探求合理的結(jié)構(gòu)型式、動(dòng)力配置和動(dòng)力學(xué)參數(shù),以便進(jìn)一步推動(dòng)篩分機(jī)械的應(yīng)用;通常采用三軸塊偏心激振器為激振源,齒輪強(qiáng)制同步,以金屬?gòu)椈苫蛳鹉z支撐彈簧為彈性元件,橢圓長(zhǎng)軸振幅大,結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定,能耗低,如圖3所示.目前國(guó)內(nèi)主要的橢圓篩生產(chǎn)廠家有鞍山重工、南昌礦機(jī)、中冶等[14].其中,鞍山重工的雙軸橢圓篩適用于煤炭及冶金等大、中粒度的篩分;南昌礦機(jī)采用的是自同步TSK系列三軸橢圓篩,動(dòng)力源由6套NJ激振器組成,水平安裝,適用于大、中、小物料篩分,如圖4所示.

圖3 杰弗朗TTH系列橢圓篩

2．2 STK系類(lèi)高效三軸橢圓篩振動(dòng)

圖5為福建南方路面機(jī)械有限公司開(kāi)發(fā)的STK系類(lèi)高效三軸橢圓篩.該橢圓篩動(dòng)力由電機(jī)經(jīng)皮帶傳遞至主動(dòng)軸,再經(jīng)過(guò)同步齒輪傳動(dòng),保持一個(gè)穩(wěn)定的相位差角,從而產(chǎn)生激振力,使篩箱作強(qiáng)制連續(xù)的橢圓運(yùn)動(dòng).

圖4 南昌礦機(jī)TSK系列橢圓篩

圖5 STK系列新型高效橢圓篩結(jié)構(gòu)

2．2．1 三軸激振結(jié)構(gòu)

三軸橢圓篩最核心的設(shè)計(jì)就是篩箱中心的三軸激振結(jié)構(gòu)(圖6).該結(jié)構(gòu)以三軸塊偏心激振器為激振源,2根軸同向運(yùn)動(dòng),另外1根軸反向運(yùn)動(dòng).在1個(gè)周期內(nèi)3根軸有2次方向一致,此時(shí)的激振力最大.當(dāng)處于另外的2個(gè)位置時(shí),2根軸的激振力會(huì)相互抵消,只有1根軸提供激振力.這種結(jié)構(gòu)最突出的優(yōu)勢(shì)就是改善了篩框的受力狀態(tài),減輕了單個(gè)軸承的負(fù)荷,使側(cè)板受力均勻,提高了篩機(jī)的可靠性和壽命.

圖6 三軸激振結(jié)構(gòu)

2．2．2 橢圓方向角和沖程的調(diào)整

三軸橢圓篩偏心塊通過(guò)齒輪強(qiáng)制同步,3個(gè)偏心塊的結(jié)構(gòu)一致,因此三軸的偏心塊質(zhì)量以及偏心半徑是一致的,主動(dòng)軸以及從動(dòng)一軸偏心塊存在一個(gè)穩(wěn)定的相位角,和從動(dòng)二軸方向角也一致[15].從圖7可以看出,通過(guò)調(diào)整多定位螺栓孔位,可以調(diào)整相位角30°～60°,每個(gè)孔位的增量為5°,通常設(shè)置角度是45°.

圖7 橢圓方向角調(diào)整

由于配重采用圓柱形結(jié)構(gòu)并通過(guò)螺栓固定于軸承座上,因此沖程可以通過(guò)增加或者移除配重進(jìn)行調(diào)整,安裝或拆除便捷可靠,且不會(huì)影響篩分機(jī)振動(dòng)方向角,如圖8所示.

圖8 橢圓沖程調(diào)整

2．2．3 頻率的調(diào)整

一般說(shuō)來(lái),粗、細(xì)物料篩分所需要的振幅及振動(dòng)頻率是不一樣的[16],粗物料的篩分需要較大的振幅、較小的頻率和振動(dòng)方向角,而細(xì)物料則需要較高的頻率、較低的振幅、較大的振動(dòng)方向角[17].如圖9所示,為了達(dá)到物料適應(yīng)性,使頻率調(diào)整便捷,水平篩主動(dòng)輪采用位置可調(diào)皮帶輪,通過(guò)改變其直徑實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)整.

圖9 振動(dòng)頻率調(diào)整

2．3 橢圓篩分理論研究

STK系類(lèi)高效三軸橢圓篩的工作原理如圖10所示.

圖10 三軸橢圓篩振動(dòng)原理

假設(shè)三軸橢圓篩的激振偏心塊的偏心質(zhì)量為m1,偏心半徑為r,篩箱的總質(zhì)量為M,主動(dòng)軸超前從動(dòng)軸1個(gè)相位角為Δ,則有主動(dòng)軸方向角Φ1＝πωt－Δ,Φ2＝ωt;將3個(gè)偏心質(zhì)量產(chǎn)生的激振力F1、F2、F3,按照x、y軸方向分解,可以得到Fx、Fy

通過(guò)化解,F3用F1替代,可以得到

由以上的力學(xué)模型得到篩箱體的振動(dòng)微分方程為(由于振動(dòng)篩情況下阻尼一般很小,因此忽略阻尼系數(shù))

式中:Kx為x方向的剛度系數(shù);Ky為y方向的剛度系數(shù);X、Y分別為篩面在x和y方向的位移.

則篩箱穩(wěn)定工作時(shí)有

對(duì)式(13)、(14)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,使δ＝(π－Δ)/ 2,同時(shí)考慮Kx、Ky遠(yuǎn)小于Mω2,可以得出

將式(15)、(16)相加后整理可以得

這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的橢圓方程,而且由于F1＝F2,則長(zhǎng)軸與短軸的比為3∶1,振動(dòng)方向角為(π－Δ)/2.這也從理論上驗(yàn)證了三軸橢圓篩的設(shè)計(jì).

2．4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證水平篩的實(shí)際處理能力,進(jìn)行水平篩的帶料試驗(yàn),表1是3STK1960的篩分粒度.本次試驗(yàn)物料的篩分規(guī)格分別為25、13、4 mm;原始物料組成為:粒徑大于25 mm的顆粒占19.8%,13～25 mm的顆粒占20.6%,4～13 mm的顆粒占22.2%,小于4 mm的顆粒占37.4%,0.15 mm以下占15.2%.3STK1960的振動(dòng)方向角為45°,長(zhǎng)軸振幅為16 mm,頻率為810 rpm,總通過(guò)量為400 t·h－1.從表1中可以看出,水平篩的篩分精度能達(dá)到90%以上,而且篩網(wǎng)不容易堵塞.

表1 3STK1960篩分粒度

3 結(jié) 語(yǔ)

3STK1960高效三軸橢圓篩采用三軸強(qiáng)制同步驅(qū)動(dòng),能使篩機(jī)產(chǎn)生理想的橢圓運(yùn)動(dòng),對(duì)機(jī)制砂等難篩分物料具有優(yōu)勢(shì);同樣的篩分面積,采用橢圓篩產(chǎn)量可以提高1.3～2倍.

(1)高效三軸橢圓篩兼有圓振篩和直線篩的優(yōu)點(diǎn),解決了直線振動(dòng)篩篩網(wǎng)容易堵塞的難題,也解決了圓振動(dòng)篩篩分效率較低、能耗較大且安裝高度較高的問(wèn)題.

(2)新型三軸橢圓篩整體結(jié)構(gòu)緊湊,處理量大,生產(chǎn)效率高,功耗小,符合國(guó)家節(jié)能減排的政策要求.

(3)該技術(shù)能有效解決機(jī)制砂在原料篩分領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸,同時(shí)能方便地根據(jù)不同物料特性調(diào)整自身結(jié)構(gòu)參數(shù),代表著新一代篩分技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).

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[責(zé)任編輯:杜衛(wèi)華]

New Efficient Triaxial Elliptical Vibration Screening Equipment

Q
IN Shuang-ying
(Fujian South Highway Machinery Co．,Ltd．,Quanzhou 362021,Fujian,China)

The screening theory and elliptical screening theory were studied and analyzed．The STK series of triaxial elliptical sieve was introduced．The advantages of high adaptability to the materials,large elliptical stroke(16～19 mm,adjustable)and adjustable frequency(725～850 rpm)and vibration angle(30°～60°)were described,suggesting the triaxial elliptical sieve has the characteristics of both circular vibrating sieve and linear sieve．The test proves that the triaxial elliptical screening equipment has the advantages of compact structure,large processing capacity,high production efficiency and low power consumption,making it suitable for materials like manufactured sand,and the problem of sand screening is solved．

triaxial elliptical sieve;screening efficiency;frequency;manufactured sand

U415．51

B

1000-033X(2017)05-0103-05

2016-11-24

福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016H4010)

秦雙迎(1984-),男,湖南婁底人,工學(xué)碩士,工程師,研究方向?yàn)闉r青攪拌設(shè)備、干混砂漿攪拌設(shè)備以及機(jī)制砂生產(chǎn)設(shè)備中篩分部分的設(shè)計(jì).