疊層電磁振動篩動力學(xué)及技術(shù)優(yōu)勢分析

趙環(huán)帥 尹德奪

(1.中國冶金礦山細(xì)粒篩分機(jī)械工程技術(shù)研究中心，河北省唐山市，063020; 2.唐山杰斯德科技有限公司，河北省唐山市，063020)

隨著采煤機(jī)械化程度的不斷提高、煤田地質(zhì)條件的復(fù)雜化及原煤品質(zhì)呈多樣化態(tài)勢。原煤中的粉煤含量越來越高，選煤廠煤泥入洗比例不斷提高，因此，許多選煤廠紛紛增設(shè)粗煤泥分選設(shè)備，以提高粗煤泥的分選精度。但又出現(xiàn)了粗精煤泥細(xì)泥夾帶、污染精煤等新問題[1-2]。

目前，現(xiàn)有的弧形篩、高頻篩等傳統(tǒng)的脫泥、脫水設(shè)備已不能滿足市場對粗精煤產(chǎn)品質(zhì)量的要求。由于電磁振動篩適用于各種細(xì)粒物料的干法與濕法篩分，其篩面高頻振動、篩箱不動，具有節(jié)能高效的特點。近些年，部分選煤廠采用電磁振動篩取代弧形篩等傳統(tǒng)篩分設(shè)備，以脫除粗精煤中的高灰細(xì)泥，從而提高精煤質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，取得了良好的應(yīng)用效果[3-4]。但存在的問題是，受目前技術(shù)水平所限，電磁振動篩有效寬度及篩分面積過小，難以滿足選煤廠對大型化設(shè)備及技術(shù)改造的需要。因此，研制開發(fā)了疊層電磁振動篩，在占地面積一定的情況下，通過增加篩面層數(shù)來增加有效篩分面積，進(jìn)而提高篩分效率。

1 疊層電磁振動篩的工作原理與結(jié)構(gòu)特點

1.1 工作原理

疊層電磁振動篩采用電磁激振器作為動力源，通過驅(qū)動傳動裝置帶動振動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)篩網(wǎng)振動，而篩箱基本保持不動。振動系統(tǒng)處于近共振狀態(tài)，可以較小的激振力達(dá)到所需的工作參數(shù)，電磁激振器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1-篩箱(側(cè)板)；2-振動器殼體； 3-電磁鐵； 4-銜鐵； 5-橡膠主振彈簧；6-傳力連桿； 7-橡膠鉸鏈彈簧； 8-振動桿；9-振動軸； 10-橡膠扭轉(zhuǎn)彈簧；11-振動臂；12-快裝振動帽；13-篩網(wǎng)；14-隔振彈簧圖1 電磁激振器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

電磁激振器系統(tǒng)由激振器殼體、電磁鐵、銜鐵傳力螺栓組件、橡膠主振彈簧等組建組成。激振器殼體固定在篩箱側(cè)板外側(cè)，電磁鐵與激振器殼體相聯(lián)，銜鐵傳力螺栓組件串起分別位于殼體內(nèi)外的兩個橡膠主振彈簧，安裝于殼體內(nèi)，在電磁鐵與銜鐵傳力螺栓組件之間留有氣隙δ。

傳力連桿在一端O2點與銜鐵傳力螺栓組件固接，在O1位置處與振動桿的一端由橡膠鉸鏈彈簧鉸接，振動桿的另一端與振動軸固接。振動軸橫穿篩箱，水平置于篩網(wǎng)下面，在其上成一定角度固接若干個振動臂，在振動臂的尾部安裝有快裝振動帽，快裝振動帽沿篩箱寬度方向呈條狀且其頂部與篩網(wǎng)接觸。振動軸的兩端由2個固定在篩箱兩側(cè)板外側(cè)的橡膠扭轉(zhuǎn)彈簧所支撐，由于橡膠扭轉(zhuǎn)彈簧徑向剛度較大，振動軸受其約束，基本上只能作扭轉(zhuǎn)運動。

電流經(jīng)可控硅半波整流輸入線圈，在電磁鐵與銜鐵組成的閉合磁路中產(chǎn)生交變磁通量，電磁鐵產(chǎn)生的交變電磁力使銜鐵以50 Hz的頻率振動。銜鐵的振動通過傳力連桿驅(qū)動振動桿的一端O1振動，振動桿再驅(qū)動振動軸以O(shè)點為轉(zhuǎn)心作扭轉(zhuǎn)振動，從而帶動振動臂及快裝振動帽垂直于振動臂往復(fù)振動，由于快裝振動帽與篩網(wǎng)的接觸激振篩網(wǎng)，而篩箱基本不動。振動系統(tǒng)處于近共振狀態(tài)，用較小的激振力就可達(dá)到所需的工作參數(shù)。電磁振動篩每層篩箱有4組振動系統(tǒng)沿篩箱縱向(長度方向)布置，在激振器的帶動下共同激振篩網(wǎng)，使篩網(wǎng)產(chǎn)生50 Hz的高頻振動。激振器經(jīng)控制裝置設(shè)置，具有瞬時強(qiáng)振功能以隨時清理篩網(wǎng)，減少篩孔堵塞。通過調(diào)整電流的大小，便可隨時調(diào)節(jié)振幅。

1.2 結(jié)構(gòu)特點

疊層電磁振動篩為振網(wǎng)式結(jié)構(gòu)，篩箱基本不動。機(jī)架下端的橡膠減振器及篩箱與機(jī)架的二次減振系統(tǒng)，進(jìn)一步減小了對基礎(chǔ)的動載荷，可近似認(rèn)為只有靜載荷而無動載荷。疊層電磁振動篩總體結(jié)構(gòu)(以四層結(jié)構(gòu)為例)如圖2所示。

疊層電磁振動篩有多層篩箱，依據(jù)人體工程學(xué)，每層篩箱之間的間距既要充分考慮更換篩網(wǎng)等操作所需空間，又要考慮盡量小的占地面積和空間高度。篩箱由兩側(cè)伸出的支撐梁架在機(jī)架上，用橡膠塊進(jìn)行減振，且可根據(jù)使用現(xiàn)場各項篩分指標(biāo)的需要調(diào)節(jié)角度。為了操作方便，兩側(cè)布置檢修臺，以達(dá)到篩機(jī)每個位置操作都很方便的目的。疊層電磁振動篩主要結(jié)構(gòu)件的特點如下所述。

(1)篩箱。篩箱主要包括篩框、篩網(wǎng)、激振器、傳動系統(tǒng)等。疊層電磁振動篩的規(guī)格型號主要體現(xiàn)了篩箱的數(shù)量和結(jié)構(gòu)。篩箱的數(shù)量決定篩機(jī)的層數(shù)。篩箱分單聯(lián)和雙聯(lián)兩種形式，單聯(lián)只有一個通道且只在篩箱一側(cè)裝有激振器，雙聯(lián)有兩個通道且在篩箱兩側(cè)裝有激振器。篩框結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、重量輕。篩網(wǎng)由3層網(wǎng)組成，下面一層與振動帽接觸的為托網(wǎng)，一般為鋼絲繩芯聚氨酯網(wǎng)或大孔徑鋼絲網(wǎng)。上面一層與物料接觸的為工作網(wǎng)，由兩層不同孔徑的篩網(wǎng)粘接在一起組成。此種篩網(wǎng)質(zhì)量輕、開孔率高。托網(wǎng)的安裝主要為縱向張緊在篩箱中單聯(lián)與雙聯(lián)的篩箱復(fù)合網(wǎng)，為了解決雙通道在篩網(wǎng)縱向安裝時中隔板處側(cè)密封的問題，將篩網(wǎng)橫向張緊在篩箱中。

(2)機(jī)架。機(jī)架由左右兩側(cè)架、橫梁與減振彈簧組成，為框架結(jié)構(gòu)。

(3)給料箱。給料箱用于輸送物料，使物料沿篩面均勻分布并充分篩分。依據(jù)給料箱的結(jié)構(gòu)不同，其可以用不同的方式與篩箱聯(lián)接。

(4)收料槽。收料槽用于收集每層篩箱篩分后的篩上和篩下物料，各層篩上料、篩下料分別匯集后導(dǎo)出。收料槽獨立安裝于篩下。

(5)瓦座減振組合。瓦座減振組合是篩箱與機(jī)架聯(lián)接的主要部件，安裝在篩箱兩側(cè)的支撐管梁上。瓦座減振組合1只起篩箱與機(jī)架之間的彈性聯(lián)接，瓦座減振組合2將篩箱與機(jī)架彈性聯(lián)接在一起，同時可以使用調(diào)節(jié)塊調(diào)節(jié)篩箱的安裝角度。

2 振動系統(tǒng)動力學(xué)分析

疊層電磁振動篩振動系統(tǒng)以橡膠主振彈簧和橡膠扭轉(zhuǎn)彈簧的連接為分界，可分為振動部分M1(銜鐵傳力螺栓組件、傳力連桿、橡膠鉸鏈彈簧、振動桿、振動軸、振動臂和快裝振動帽)和固定部分M2(篩箱及其機(jī)架、激振器殼體和電磁鐵)兩大部分。篩箱及機(jī)架通過隔振彈簧支撐于基礎(chǔ)上，振動桿、振動軸、振動臂、快裝振動帽以振動軸的軸心為轉(zhuǎn)心做扭轉(zhuǎn)運動。振動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 振動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

由圖3可知，這是2個自由度的受迫振動系統(tǒng)。由于M2遠(yuǎn)大于M1，所以M2的振幅要遠(yuǎn)小于M1的振幅，M2近似不動，微小的振幅通過隔振彈簧傳給地基的動載荷較小，近似于整個系統(tǒng)的靜載荷。適當(dāng)?shù)卮_定M1和M2之間主振彈簧的剛度，可以使系統(tǒng)的振動處于近共振狀態(tài)，這樣能夠以較小的激振力來獲得所需要的振幅，功率消耗也能夠大大減少。將圖3所示的2個自由度受迫振動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化，可以將其轉(zhuǎn)化為一個誘導(dǎo)質(zhì)量M(即質(zhì)量M1和質(zhì)量M2的當(dāng)量質(zhì)量)的一個自由度的受迫振動系統(tǒng)，受迫振動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4 受迫振動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

由圖4受迫振動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以得到運動的微分方程見式(1)：

Mx″+fx′+kx=F(t)

(1)

f——為相對阻尼系數(shù)，N/(m·s-1)；

k——彈簧剛度，N/m；

F(t)——激振力，N；

x——位移，m。

其特解見式(2)：

x=λsin(ωzt-α)

(2)

式中：λ——M1與M2之間的相對振幅，m；

ωz——振動軸回轉(zhuǎn)的角速度，rad/s；

t——時間，s；

α——相對位移與激振力之間的相位差，(°)。

疊層電磁振動篩中的激振力是經(jīng)可控硅半波整流而產(chǎn)生的電磁力，具有周期性、不連續(xù)、非諧波形式的特點，周期為2π，電磁力由平均電磁力、一次諧波激振力以及二次諧波激振力3部分組成。激振力計算公式見式(3)：

(3)

式中：Fa——基本電磁力，N；

ω——電源角頻率，rad/s；

t1——一次諧波激振力的時間，s；

t2——二次諧波激振力的時間，s。

將式(2)和式(3)代入式(1)進(jìn)行求解可得：

(4)

式中：λ——M1與M2之間的相對振幅，m；

Z0——頻率比，取0.9；

b——相對阻尼比，取0.05。

彈簧剛度為振動系統(tǒng)主振彈簧的剛度與振動軸上2個橡膠扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度之和，設(shè)計時已加以匹配。根據(jù)激振力進(jìn)行電磁鐵的設(shè)計計算，為了使激振器體積小型化，確定電磁鐵的鐵芯硅鋼片型式為“山”型，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，計算磁極面積見式(5)：

(5)

式中：S——磁極面積，m2；

S′——一個氣隙的磁極面積，m2；

Fmax——最大激振力，N；

B0——氣隙磁密交流幅值，T。

由磁極面積確定鐵芯尺寸，電磁線圈的匝數(shù)與線徑計算見式(6)：

(6)

式中：W——線圈匝數(shù)，圈；

U——電源電壓，V；

Boτ——鐵芯磁密，T；

f——振動頻率，Hz；。

采用可控硅半波整流間歇觸發(fā)來設(shè)計控制裝置，通過的電流計算見式(7)：

(7)

式中：I=——平均直流分量，A；

I0——基本電流，A；

γ——隙幅比；取值0.8

ε——力與位移夾角，(°)。

激振力所完成的有功功率計算見式(8)：

(8)

式中：V——電流電壓有效值，取380 V；

I0——基本電流，A；

α——相位差角，(°)。

3 技術(shù)優(yōu)勢分析

3.1 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

(1)多個篩箱單元疊層布置，可有效節(jié)省設(shè)備占地面積，增加物料處理量。

(2)可根據(jù)現(xiàn)場工況對各篩箱單元振幅、頻率等振動參數(shù)單獨調(diào)節(jié)，各篩箱單元也可獨立工作。

(3)電磁激振器通過傳動裝置激振篩網(wǎng)，篩網(wǎng)處于近共振狀態(tài)，且振幅較大，實現(xiàn)了低振動強(qiáng)度下的高效篩分。

(4)各個篩箱單元篩分產(chǎn)物的篩上和篩下出料各自匯集一起導(dǎo)出。

(5)采用數(shù)字控制篩分系統(tǒng)的控制裝置，可對各種篩分系統(tǒng)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。

(6)采用隔振及阻尼的協(xié)同效應(yīng)，降低了篩機(jī)動載荷對基礎(chǔ)的沖擊，達(dá)到了最佳的減振效果。

3.2 與國外同類產(chǎn)品技術(shù)比較

在國內(nèi)，疊層電磁振動篩并無同類產(chǎn)品；在國外，同類產(chǎn)品疊層直線振動篩在工作原理及關(guān)鍵技術(shù)上有較大不同。

(1)驅(qū)動裝置。國外疊層篩分設(shè)備由筒式振動電機(jī)帶動所有篩箱直線振動，功耗較大。而疊層電磁振動篩由電磁激振器驅(qū)動傳動裝置拖動多組振動機(jī)構(gòu)激振篩網(wǎng)，工作中激振力可調(diào)，且易于控制。

(2)篩箱。國外疊層篩分設(shè)備的各層篩箱通過聯(lián)接梁組成一個整體，而疊層電磁振動篩各層篩箱具有電磁激振器， 各層篩箱獨立互不干涉，功耗低且篩網(wǎng)不易堵塞。

(3)篩箱與機(jī)架聯(lián)接。國外疊層篩分設(shè)備在所有篩箱聯(lián)接后，需要由多個橡膠剪切彈簧與機(jī)架進(jìn)行聯(lián)接，安裝難度較大，并且減振后對地基也有一定的動載荷。而疊層電磁振動篩每層篩箱獨立擺放在機(jī)架上，由橡膠塊進(jìn)行二次減振，安裝容易，篩箱單元可獨立進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，由于篩箱本身動載荷較小，因此對地基動載荷較小。

4 結(jié)語

疊層電磁振動篩具有占地面積小、處理能力大及篩分效率高等諸多優(yōu)點，在選煤廠煤泥處理方面，可以較好地對煤泥進(jìn)行細(xì)粒分級。在選礦廠的細(xì)篩再磨工藝中，也可以取代傳統(tǒng)的分級設(shè)備，提高分級效率、改善分選效果；在建材、化工及環(huán)保等領(lǐng)域，也獲得了廣泛推廣應(yīng)用。