進(jìn)口工業(yè)應(yīng)用弛張篩結(jié)構(gòu)分析

段旭升，張俊山，雷曉樹(shù)，李 旭

(1.河南中平魯陽(yáng)煤電有限公司，河南 平頂山467312；2. 神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司選煤廠， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯010300；3. 平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 田莊選煤廠，河南 平頂山467013)

在我國(guó)選煤廠原煤篩分階段，潮濕原煤深度篩分(<13 mm粒級(jí)的干法篩分)是當(dāng)今篩分技術(shù)中亟需解決的難題。煤炭在進(jìn)行深度篩分時(shí)，由于潮濕細(xì)粒煤粘性較大，極易粘附在篩板上造成堵孔，或是粘附在大顆粒上成為篩上物[1-2]。普通振動(dòng)篩的篩板隨篩機(jī)同步運(yùn)動(dòng)，弛張篩采用柔性篩面對(duì)物料進(jìn)行篩分，改變了篩面在篩機(jī)上的運(yùn)動(dòng)方式，可徹底解決煤炭深度篩分的堵孔問(wèn)題[3]。

由于我國(guó)裝備制造業(yè)水平的限制，目前在工業(yè)應(yīng)用中較為成熟的弛張篩大多為進(jìn)口設(shè)備，筆者結(jié)合其中兩種弛張篩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

1 弛張篩工作原理

馳張篩篩分原理如圖1所示，l為弛張篩篩板，O1和O2為弛張篩篩梁，w為篩板最大撓度，篩板由柔性聚氨酯材料制造，在篩分過(guò)程中篩板可發(fā)生變形，篩梁O1和O2的間距也可變化。在篩分過(guò)程中，O1、O2的間距在物料運(yùn)動(dòng)方向上(x方向)循環(huán)變化，從而帶動(dòng)篩板做弛張運(yùn)動(dòng)。在弛張運(yùn)動(dòng)過(guò)程中篩面上的篩孔略微變形，可使卡在篩孔中的煤炭顆粒穿過(guò)篩面進(jìn)入篩下物，或是由于篩面較大的彈性被彈離篩面；當(dāng)篩面達(dá)到平衡位置時(shí)，在垂直于x方向的速度達(dá)到最大，篩面對(duì)物料的拋射強(qiáng)度也達(dá)到最大，此時(shí)粘附在篩面的粘性細(xì)小顆粒被揉碎并彈離篩面[4]，因此，弛張篩可解決潮濕細(xì)粒煤篩分過(guò)程中的堵孔現(xiàn)象。

圖1 弛張篩結(jié)構(gòu)篩分原理圖

篩面達(dá)到平衡位置時(shí)，被篩顆粒受到的拋射強(qiáng)度可達(dá)50g[5]，與普通振動(dòng)篩相比(普通振動(dòng)篩由于篩面為剛性，不可變形，物料所受到的拋射強(qiáng)度和篩機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度相等，一般為4～6g)，物料所受到的拋射力顯著提高，被篩顆粒在篩面上可彈升0.5 m甚至更高，因此可很大地提高物料在篩面上的運(yùn)動(dòng)速度和弛張篩的處理能力。同時(shí)，由于篩面在弛張過(guò)程中發(fā)生彎曲，篩面不同位置的相位和振幅各不相同，顆粒在脫離篩面時(shí)的速度和方向也各不相同，使被篩顆粒在空中產(chǎn)生激烈碰撞，粘附聚集的物料充分被打散，有利于物料的離析分層，為下一步的透篩過(guò)程做好準(zhǔn)備。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同，我國(guó)選煤廠中應(yīng)用的弛張篩主要有兩種：一種是以海茵雷曼公司為代表生產(chǎn)的曲柄連桿驅(qū)動(dòng)式的LIWELL弛張篩，另一種是以?shī)W地利賓得公司為代表生產(chǎn)的激振器驅(qū)動(dòng)式的賓得弛張篩。

2 LIWELL弛張篩

2.1 結(jié)構(gòu)

LIWELL弛張篩主要由兩個(gè)篩箱組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)篩箱1通過(guò)橡膠彈簧4安裝在篩機(jī)支架5上；外篩箱2通過(guò)導(dǎo)向彈簧3懸掛在內(nèi)篩箱上。弛張篩工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)部分產(chǎn)生的力使兩篩箱做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于篩板兩端分別固定在內(nèi)外篩箱的橫梁上，因此可以帶動(dòng)篩板做弛張運(yùn)動(dòng)[6]。

1—內(nèi)篩箱；2—外篩箱；3—導(dǎo)向彈簧；4—橡膠彈簧；5—篩機(jī)支架

2.2 驅(qū)動(dòng)原理

如圖3所示，LIWELL弛張篩的驅(qū)動(dòng)原理可簡(jiǎn)化為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其中O點(diǎn)代表驅(qū)動(dòng)軸(即內(nèi)篩箱)，固定在篩機(jī)支架上，偏心軸承中心A點(diǎn)與O點(diǎn)之間的偏心距構(gòu)成曲柄。篩機(jī)工作過(guò)程中，曲柄OA沿驅(qū)動(dòng)軸O以ω的角速度旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)外篩箱與內(nèi)篩箱做相互運(yùn)動(dòng)。

圖3 LIWELL弛張篩曲柄連桿模型

連接內(nèi)外篩框的推拉彈簧如圖4所示，推拉彈簧可簡(jiǎn)化為連桿AP，在沿物料方向上(即OP方向)可將曲柄OA的驅(qū)動(dòng)力傳遞至外篩框P；由于推拉彈簧自身特性，在物料垂直方向上可產(chǎn)生微小變形而不影響其他力學(xué)性能，曲柄OA傳遞到外篩框P的驅(qū)動(dòng)力可忽略不計(jì)，因此LIWELL弛張篩內(nèi)外篩框僅在沿物料方向上產(chǎn)生弛張運(yùn)動(dòng)。

圖4 連接內(nèi)外篩框的推拉彈簧

根據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系，外篩框的速度為

v=ωrsinωt。

(1)

式中：v為外篩框的速度，m/s；r為偏心半徑(即曲柄長(zhǎng)度)，m；ω為主軸角速度，rad/s；t表示開(kāi)機(jī)時(shí)間(此處定義開(kāi)機(jī)時(shí)曲柄OA從N點(diǎn)沿逆時(shí)針運(yùn)動(dòng))，s。

根據(jù)式(1)得到外篩框的運(yùn)動(dòng)速度曲線，如圖5所示。

圖5 外篩框的速度曲線

由圖5可知，當(dāng)曲柄OA達(dá)到平衡位置時(shí)(即與MN垂直的位置)外篩框的速度最大，此時(shí)其速度與偏心中心點(diǎn)A的線速度相等，都為ωr。曲柄到達(dá)M點(diǎn)和N點(diǎn)時(shí)外篩框速度為零，達(dá)到極限位置，因此MN即為該篩機(jī)的振幅。

3 賓得弛張篩

3.1 結(jié)構(gòu)

賓得弛張篩由主篩框、浮動(dòng)篩框、激振器、篩板、剪切彈簧與隔振彈簧等部件組成(圖6)，主篩框?yàn)橘e得弛張篩的主要結(jié)構(gòu)，通過(guò)減振彈簧安裝在基礎(chǔ)支架上；浮動(dòng)篩框通過(guò)剪切彈簧安裝在主篩框的下部；激振器安裝在主篩框的中間；篩板兩端分別安裝在兩篩框上[7]。篩機(jī)工作時(shí)，激振器產(chǎn)生激振力帶動(dòng)主篩框做圓振動(dòng)，同時(shí)浮動(dòng)篩框通過(guò)二次激振做橢圓運(yùn)動(dòng)，在物料運(yùn)動(dòng)方向上主篩框與浮動(dòng)篩框的運(yùn)動(dòng)方向相反，從而帶動(dòng)篩板做弛張運(yùn)動(dòng)[8-9]。

1—主篩框；2—浮動(dòng)篩框；3—激振器；4—固定篩梁；5—浮動(dòng)篩梁；6—隔振彈簧

3.2 振動(dòng)機(jī)理

用質(zhì)量集中法建立賓得弛張篩的力學(xué)模型，如圖7所示，由于阻尼很小，此模型忽略了弛張篩運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的阻尼。m1為主篩框，通過(guò)橡膠彈簧k1與基礎(chǔ)支架相連，并安裝有激振器，在x方向上所產(chǎn)生的激振力為fcosωt(由激振器偏心塊產(chǎn)生的激振力f在x軸的分量所得)，m2為浮動(dòng)篩框，通過(guò)剪切彈簧k2與主篩框相連[10-11]。

圖7 賓得弛張篩力學(xué)模型

根據(jù)圖7所示的力學(xué)模型，建立弛張篩的振動(dòng)的微分方程為：

m11+(k1+k2)x1-k2k1=fcosωt
m22-k2x1+k2x2=0。

(2)

此方程式為二階線性常系數(shù)非齊次微分方程組，它的解由齊次方程的通解和非齊次方程的特解疊加而成。齊次方程的通解對(duì)此問(wèn)題無(wú)意義，特解為穩(wěn)定階段的等幅振動(dòng)，可通過(guò)方程組的特解得到所需各參數(shù)的值。設(shè)方程組的特解為：

x1=A1cosωt
x2=A2cosωt，

(3)

式中：A1為主篩框的振幅，m；A2為浮動(dòng)篩框的振幅，m。

設(shè)a=k1+k2m1，b=k2m1，c=fm1，d=k2m2。將a、b、c、d和式(3)分別代入式(1)，可得方程組的解：

A1=c(d-ω2)(a-ω2)(d-ω2)-bd
A2=cd(a-ω2)(d-ω2)-bd。

(4)

當(dāng)m1、m2、k1、k2和f值確定后，可得到振幅A1、A2隨頻率ω變化的幅頻特性曲線，如圖8所示。

圖8 賓得弛張篩幅頻特性曲線

由圖8可知，ω1和ω2為弛張篩振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率，當(dāng)理論振動(dòng)頻率ω0接近這兩點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生共振。而當(dāng)弛張篩的工作頻率接近ω0時(shí)，m1、m2的振幅比較穩(wěn)定，且主篩框和浮動(dòng)篩框的振動(dòng)方向始終相反，此時(shí)系統(tǒng)可以以較小的激振力獲得較大的振幅，使弛張篩篩面產(chǎn)生較大的振動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(1)弛張篩采用柔性篩面對(duì)物料進(jìn)行篩分，通過(guò)篩分過(guò)程中篩面及篩孔的微小變形，可徹底解決潮濕粘煤深度篩分容易堵孔的現(xiàn)象。

(2)LIWELL弛張篩基本原理可簡(jiǎn)化為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，外篩框的振幅和速度與曲柄的長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)速相關(guān)；由賓得弛張篩幅頻特性曲線可知，當(dāng)工作頻率接近ω0時(shí)，可以以較小的激振力使主篩框和浮動(dòng)篩框得到較大的穩(wěn)定振幅。