VM1400型振動離心機動態(tài)特性研究

文海麗

（潞安集團蒲縣常興煤業(yè)有限公司，山西臨汾 041207）

0 引言

隨著我國煤礦工業(yè)的快速發(fā)展，選煤機械逐漸向大型化。在選煤廠中臥式離心脫水機作為關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于0～50 mm級煤的脫水工作。相應(yīng)的客戶對精煤產(chǎn)品中含水量也提出了更高的要求，高效率、低成本、高可靠性的脫水設(shè)備市場需求越來越大，世界主要煤炭生產(chǎn)國都在積極研究地發(fā)展離心脫水機，并逐步取代原有的刮刀卸料離心機[1-2]。國內(nèi)大型選煤廠目前使用的離心脫水設(shè)備主要來自進口，國外主要生產(chǎn)廠家有美國的SHARPLES公司、德國的DBT、KHD公司、法國的ALFALAVAL公司。國外臥式離心脫水設(shè)備處理能力大，水分控制在5%～9%，但其價格昂貴。國內(nèi)離心脫水設(shè)備主要使用煤科院研制的WZL-100、WZL-1300型，但是故障率、可靠性始終存在問題。根據(jù)現(xiàn)有的臥式振動離心機均采用二次激振動力的減振原理，可有效增加篩籃振幅，增強入料適應(yīng)性，減小振動對地基的影響[3]。因此，研究二次激振動力的減振原理以及其振動特性，對提高設(shè)備整體性能具有重要指導意義。

1 振動離心機結(jié)構(gòu)

圖1為臥式振動離心機的結(jié)構(gòu)簡圖，其組成主要由主電動機、大小皮帶輪、篩籃、旋轉(zhuǎn)主軸、軸承箱及軸承、橡膠彈簧、入料管等組成。臥式振動離心機的工作過程主要由振動卸料、離心脫水兩部分組成。工作過程中主電動機運轉(zhuǎn)1，帶動小皮帶輪2一起旋轉(zhuǎn)，小皮帶輪通過三角帶3帶動大皮帶輪旋轉(zhuǎn)，帶動旋轉(zhuǎn)主軸5及篩籃一起轉(zhuǎn)動，當物料通過入料口15進入篩籃底部后，物料隨著篩籃一起旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下將其中的水透過篩縫及料層甩向四周，最終通過離心液出口12將水分排出[4]。而脫水后的物料，在振動電機10振動力的作用下，料層分層均勻的向篩籃出口端移動，通過機殼上產(chǎn)品出口14排出。

圖1 VM1400型臥式振動離心機結(jié)構(gòu)

2 振動離心機力學模型的建立

2.1 系統(tǒng)振動模型建立

根據(jù)振動離心機工作原理，建立如圖2所示的力學模型，m1為主要由入料管、機殼及振動電機等質(zhì)量；m2為主要由軸承箱、軸承、篩籃、旋轉(zhuǎn)主軸等質(zhì)量；K1為橡膠彈簧剛度；K2為剪切彈簧剛度；F為作用在m1上的激振力，其振動系統(tǒng)的微分方程如下：

圖2 VM1400型臥式振動離心機力學模型

通過上式兩端取拉普拉斯變化求解其頻率響應(yīng)函數(shù)：

得出傳遞函數(shù)如下：

將s=jω代入上述傳遞函數(shù)可知頻率響應(yīng)函數(shù)如下：

2.2 系統(tǒng)振動原理

當主動電機開始旋轉(zhuǎn)進入工作狀態(tài)時，啟動振動電機，振動電機產(chǎn)生軸向簡諧振動作用在質(zhì)體m1上，此簡諧作用力通過中間剪切橡膠彈簧傳遞給質(zhì)體m2，在設(shè)計計算中，選取m2質(zhì)體的固有頻率要接近振動電機產(chǎn)生的激振頻率，這樣就能保證m2通過中間剪切橡膠彈簧傳遞給m1的力與m1上的激振力相互平衡。m1受到振動電機的激振力大部分被m2吸收，質(zhì)體m1表現(xiàn)為靜止狀態(tài)，不收激振力影響，同時m2受到較大激振力，所以理論上m1對地基不產(chǎn)生激振力。與單級振動離心機相比較其基本原理相同，不同之處主要在于二級振動離心機振動部分分為質(zhì)體m1和質(zhì)體m2，兩質(zhì)體之間通過中間剪切橡膠彈簧和預(yù)壓銷連接在一起。工作過程中m1質(zhì)體通過振動電機使得m2質(zhì)體作軸向振動，而m1與m2質(zhì)體間想過作用最終可使m1產(chǎn)生非常微小振動，從而極大降低強振動對周圍環(huán)境的影響，減少系統(tǒng)對材料性能要求，但同時二次激振離心機的安裝和維修相對單級離心機較為復雜[5-6]。

圖3 m1幅頻特性曲線

3 系統(tǒng)仿真分析

該離心脫水機m1=4 400 kg，m2=1 785 kg，k1=1.33×108N/m，k2=3.83×107N/m，振動電機的轉(zhuǎn)速n=1 400 r/min，將各參數(shù)代入上式后，通過Matlab進行數(shù)學仿真，得出質(zhì)量m1、m2幅頻特性曲線如圖3、4所示。從圖可知建立的振動模型中出現(xiàn)兩個共振頻率，約在120 Hz左右出現(xiàn)同相位共振，在210 Hz左右出現(xiàn)反相位共振；約在150 Hz左右質(zhì)體m1振幅為0，只有m2振動，通常將新系統(tǒng)中出現(xiàn)的振幅為0的現(xiàn)象稱之為反共振。

圖4 m2幅頻特性曲線

為了進一步研究反共振現(xiàn)象中系統(tǒng)的振動情況，對系統(tǒng)中兩質(zhì)體m1、m2求相對位移量，即 || X1(ω)|- | X2(ω)| |，

計算結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出在150 Hz左右系統(tǒng)的相對位移比較小，與兩個不同共振點相比較，中間彈簧的壓縮量大幅減小，可以有效的延長彈簧的使用壽命。

圖5 反共振離心機相對位移與頻率的關(guān)系曲線圖

圖6 ω1與隔振彈簧剛度k1的關(guān)系曲線圖

設(shè)備生產(chǎn)制造過程中，在滿足生產(chǎn)要求的前提下，設(shè)備質(zhì)量越小，其綜合成本越低。通過上述分析可知質(zhì)體m1、m2質(zhì)量一定時，如果所選用的激勵電機型號及頻率選定后，剪切彈簧剛度K2隨之確定，那么只能通過改變橡膠彈簧剛度K1來調(diào)整系統(tǒng)幅頻特性，從而滿足某些工藝要求[7-8]。

由式子：

得出固有頻率與隔振彈簧的關(guān)系如圖6、7所示。從圖可以看出，隨著隔振彈簧剛度k1的增大，固有頻率都隨著增加，但是ω2開始時增加很快，但隨后逐漸平緩接近穩(wěn)定值，在ω2=146 Hz左右為漸近線；但是ω1隨著k1的增大逐漸增大，k1趨于無限大時，就相當于質(zhì)體m1與基礎(chǔ)剛性連接。

圖7 ω2與隔振彈簧剛度k1的關(guān)系曲線圖

4 結(jié)語

通過對臥式離心脫水機的工作原理和振動原理的研究分析，得出了離心脫水機兩部分質(zhì)體的幅頻特性曲線，以及固有頻率與隔振彈簧剛度之間變化規(guī)律曲線，分析可知建立的振動模型中出現(xiàn)兩個共振頻率，一處為120 Hz左右出現(xiàn)同相位共振，另一處為210 Hz左右出現(xiàn)反相位共振，并且系統(tǒng)在反共振現(xiàn)象時，質(zhì)體m1振幅很小，但是二級振動的振幅很大，有效的提高了離心機的處理能力，同時減少了對地基及周圍環(huán)境的不良影響。但是二次激振的臥式離心機在維修及型號大小上都存在不少問題，實際生產(chǎn)中仍然無法滿足大型選煤廠的要求，因此研究其振動原理就為設(shè)計及制造提供理論依據(jù)，對提高振動離心機的整機性能起到重要作用。