浮選機刮泡器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

王鑫才，徐英芳，李鵬飛，么 雷，魏松陽，張玉磊

(1.北京國華科技集團有限公司，北京 101300；2.晉能控股煤業(yè)集團四通煤礦四通選煤廠，山西 臨汾 041099)

實現(xiàn)泡沫浮選的設(shè)備稱之為浮選設(shè)備。自1910年浮選機(泡沫浮選)問世以來，已出現(xiàn)了型號規(guī)格繁多的浮選設(shè)備[1]。刮泡器作為各類型浮選機共有的運轉(zhuǎn)部件，具有舉足輕重的地位，在浮選機大型化設(shè)計和現(xiàn)場改造時出現(xiàn)由于設(shè)計不合理導致故障的情況。生產(chǎn)過程中若出現(xiàn)故障輕則影響浮選指標，造成尾礦中精煤流失，重則導致浮選生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓。

為保證浮選機正常、高效運行，結(jié)合多年來各型號浮選機的研發(fā)、生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝調(diào)試等多方經(jīng)驗，對刮泡器的常見問題進行分析優(yōu)化，并提出相應(yīng)的校核方法。

1 刮泡器的結(jié)構(gòu)及工作原理

浮選機刮泡器由電機減速機、聯(lián)軸器、軸承座、轉(zhuǎn)軸、刮板夾、刮板等組成，如圖1為2槽箱浮選機的刮泡器。每臺浮選機配備2套刮泡器，分別安裝在槽體兩側(cè)上端，各槽箱內(nèi)疏水性煤粒粘附在氣泡上，上浮至液面匯集形成泡沫層，刮板外緣伸入泡沫層一定深度，隨著整套刮板轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，周期性地將泡沫層刮出溢流堰。

1—電機減速機；2—聯(lián)軸器；3—軸承座；4—轉(zhuǎn)軸；5—刮板夾；6—刮板圖1 刮泡器結(jié)構(gòu)

2 刮泡器常見問題

2.1 轉(zhuǎn)軸加工難度大，運轉(zhuǎn)中易損壞

刮泡器轉(zhuǎn)軸屬于細長軸，其兩端軸頭與軸承、聯(lián)軸器的配合面精加工難度較大[2]。因為設(shè)計不合理或組裝不符合要求，轉(zhuǎn)軸在運轉(zhuǎn)過程中易出現(xiàn)扭斷、“嚴重塌腰”等故障[3]。

2.2 滾子鏈聯(lián)軸器需頻繁潤滑，鏈條易崩斷

當每套刮泡器配備多個滾子鏈聯(lián)軸器時，因其緩沖和減振能力差，位移補償能力有限，現(xiàn)場噪聲大。由于制造或安裝的誤差，對接的兩半聯(lián)軸器經(jīng)常難以精準對中，在運行時產(chǎn)生振動導致各軸承磨損加劇，其結(jié)果又致使振動進一步增強，大大縮短減速機以及支撐軸承的壽命。不帶罩殼的滾子鏈聯(lián)軸器需人工頻繁對鏈條潤滑，不太滿足現(xiàn)代化選煤廠進行高效自動化設(shè)計的要求；現(xiàn)場常常因潤滑不到位、安裝時咬合過緊導致鏈條磨損，運行中使節(jié)距變大造成脫節(jié)或鏈條崩斷。

2.3 刮板在運輸和使用中易損壞

由于設(shè)備運輸條件的限制，大部分浮選機在運輸時都需要拆解發(fā)貨，刮板經(jīng)常在運輸和現(xiàn)場安裝時損壞[3]。聚乙烯材料刮板與刮板夾依靠螺栓連接，容易出現(xiàn)松動，刮板在轉(zhuǎn)動時上下竄動，與浮選機溢流堰碰撞，致使刮板被折斷；或因浮選藥劑的長期腐蝕導致聚乙烯刮板老化、變脆，碎片會沉到浮選機槽箱底部。對于噴射式浮選機來說，伴隨著煤槳的流動，碎片被循環(huán)泵吸入，從而導致上料不暢，也可能堵塞噴嘴。清理時需要排空箱體內(nèi)煤槳，再沖刷干凈后取出碎塊，費工、費力、耽誤生產(chǎn)[3]。在大型號浮選機上，由于聚乙烯材質(zhì)剛度較低，存在變形嚴重問題。

2.4 軸承壽命較短

當選用滑動軸承時，雖然有承載能力大、徑向尺寸小等優(yōu)點，但對潤滑要求特別高，一旦潤滑脂不足，很快產(chǎn)生嚴重的磨損，導致軸承失效。由于運轉(zhuǎn)環(huán)境相對較差，煤槳混入潤滑脂加速軸承磨損，對軸承密封性要求高。加工精度難以保證，運行時摩擦阻力大，損失一部分動力，壽命較短，后續(xù)維修更換工作繁瑣。刮泡器轉(zhuǎn)軸屬于細長軸，有一定的彎曲變形，軸承靠近軸的一側(cè)存在偏轉(zhuǎn)角，滑動軸承無調(diào)心功能，導致壓力集中而加速軸承邊緣磨損，潤滑油從擴大的縫隙處流失。安裝時對每段轉(zhuǎn)軸兩端軸承座相互之間的對中度要求很高。

3 優(yōu)化設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)軸的優(yōu)化設(shè)計及校核

3.1.1 實心軸改為空心軸

轉(zhuǎn)軸的近外表面材料是影響傳遞轉(zhuǎn)矩的主要因素，而且在材料相同、截面積相等的情況下，空心軸比實心軸的抗扭轉(zhuǎn)能力強，能夠承受較大的外力矩[3]，所以在很多情況下選用空心軸更為經(jīng)濟。刮泡器屬于細長軸，工作所需轉(zhuǎn)速低、負載輕，軸上雖均勻分布刮板夾及刮板，但質(zhì)量較輕，所受徑向載荷低。從結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟上分析，刮泡器選擇空心軸比較合理，兩端采用實心短軸頭(圖2)精加工后與空心軸裝配并焊接，不僅節(jié)約了成本而且加工便捷，還可以保證加工精度。

圖2 轉(zhuǎn)軸軸頭

3.1.2 空心軸的強度校核

為防止實心軸改空心軸時設(shè)計不合理導致運轉(zhuǎn)中被扭斷，在額定扭矩下對刮泡器轉(zhuǎn)軸進行強度校核。

結(jié)合刮泡器運轉(zhuǎn)工況分析，強度按許用切應(yīng)力計算即可?？紤]到一定彎矩的影響，可在計算時將許用切應(yīng)力適當降低。若軸上帶有鍵槽，單鍵槽則軸徑增大3%，雙鍵槽則軸徑增大7%[4]。轉(zhuǎn)軸的強度計算式如下所示：

扭矩與功率的計算式為：

實心軸的抗扭截面系數(shù)計算式為：

空心軸的抗扭截面系數(shù)計算式為：

受扭矩T的轉(zhuǎn)軸，其切應(yīng)力計算式為：

式中：P——電機功率，kW；

n——轉(zhuǎn)速，r/min；

T——扭矩，N·mm；

D——軸的外徑，mm；

d——軸的內(nèi)徑，mm；

β——軸內(nèi)外徑比，β=d/D；

[τT]——許用切應(yīng)力，MPa。

軸的強度計算式中選用不同常用材料時的許用切應(yīng)力范圍如表1[4]。

表1 不同材料軸的許用切應(yīng)力

3.1.3 空心軸的剛度校核

為防止出現(xiàn)“嚴重塌腰”現(xiàn)象，在靜止狀態(tài)下校核轉(zhuǎn)軸彎曲剛度。彎曲剛度用撓度y和偏轉(zhuǎn)角θ來衡量。由于轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)角的存在，可能出現(xiàn)以下情況：① 會使?jié)L動軸承的內(nèi)外圈相互傾斜，如超過滾動軸承允許的轉(zhuǎn)角，則明顯縮短滾動軸承壽命；② 會使滑動軸承所受壓力集中在軸承的一側(cè)，使軸徑和軸承發(fā)生邊緣接觸，加劇磨損。一般轉(zhuǎn)軸的允許撓度[y]=(0.0003～0.0005L)[4]，滑動軸承處的允許偏轉(zhuǎn)角θP=0.001 rad。

刮板和刮板夾均勻分布在轉(zhuǎn)軸上，可將其簡化為簡支梁來粗略計算剛度[5]。轉(zhuǎn)子重量即為均布載荷。在承受均勻載荷下跨度中點處的最大撓度計算式如下[5]：

式中：I——空心軸的截面慣性矩，mm4；

ymax——均布載荷下的最大撓度，mm；

q——均布線載荷，N/mm；

g——重力常數(shù)，9.8 N/kg；

L——轉(zhuǎn)軸兩支撐點間長度，mm；

E——金屬的彈性模量，MPa(1 MPa=1 N/mm2)。

偏轉(zhuǎn)角的計算公式如下[5]：

3.1.4 計算參數(shù)

基于上文提出的校核方法對單槽容積為28 m3浮選機刮泡器轉(zhuǎn)軸進行強度、剛度計算。其詳細參數(shù)如表2。

表2 單槽容積28 m3浮選機刮泡器參數(shù)

(1)強度計算。計算時考慮到有一定彎矩影響，應(yīng)適當降低許用切應(yīng)力。兩端軸頭為φ70實心軸、單鍵槽，材料為45鋼?？紤]到單鍵槽軸徑放大3%，則實際軸徑D按68 mm計算，代入計算式(1)、式(2)、 式(4)，得τT=19.65 MPa<[τT]=30 MPa。由此可知軸頭強度完全滿足。

中間空心軸為φ70×10厚壁無縫鋼管，D=70 mm，d=50 mm，無鍵槽，材料為35鋼，代入式(3)、 式(4)，得(τT=24.35 MPa)<([τT]=25 MPa)。由此可知中間的空心軸強度在選擇低許用切應(yīng)力的條件下也滿足要求。

(2)剛度計算。轉(zhuǎn)軸材料為35鋼，彈性模量E=2.1×105MPa，將表2參數(shù)代入式(7)，得ymax=5.1 mm>[y]=0.0003×3595=1.0785 mm。結(jié)合刮泡器運轉(zhuǎn)特性分析，作為細長軸其彎曲變形在可接受范圍內(nèi)，不可能出現(xiàn)“嚴重塌腰”狀況，滿足使用要求。

將表2參數(shù)代入式(8)，得θ=0.0045 rad>θP= 0.001 rad。由此可知，原型號滑動軸承出現(xiàn)非正常磨損的部分原因是滑動軸承處的偏轉(zhuǎn)角大于允許偏轉(zhuǎn)角，需要對軸承進行優(yōu)化。

3.2 滾子鏈聯(lián)軸器改為蛇形彈簧聯(lián)軸器

聯(lián)軸器有剛性聯(lián)軸器、撓性聯(lián)軸器兩大類。聯(lián)軸器中安裝的彈性元件，不僅可以補償聯(lián)軸器偏斜和位移，而且具有緩和沖擊和吸收振動的能力。因為非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器尺寸較大，且壽命也較短，需經(jīng)常更換彈性元件，緩沖減震能力不高，所以刮泡器應(yīng)優(yōu)選金屬彈性元件的聯(lián)軸器[6]。

蛇形彈簧聯(lián)軸器(如圖3所示)包含2個半聯(lián)軸器和被分成若干段的蛇形彈簧片[4]。外齒槽均勻分布在半聯(lián)軸器上，彈簧鑲嵌在齒間。為防止彈簧片在運轉(zhuǎn)中脫落，在聯(lián)軸器外部配備罩殼[6]。

圖3 蛇形彈簧聯(lián)軸器

本次優(yōu)化選用JS型—罩殼徑向安裝型(基本型)聯(lián)軸器。為保證聯(lián)軸器選用合理，應(yīng)根據(jù)負荷情況、轉(zhuǎn)矩、軸頭直徑和運轉(zhuǎn)速度等因素選型[6]。

轉(zhuǎn)矩TC由下式求出：

TC=K·T≤Tn

(9)

式中：T——理論轉(zhuǎn)矩，N·m；

Tn——聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩，N·m；

K——工作情況系數(shù)，具體見表3[6]。

表3 工作情況系數(shù)K

刮泡器由電動機做動力源，運行中載荷平穩(wěn)，即轉(zhuǎn)矩變化小、沖擊小、啟動慣性小，且在工作中無逆轉(zhuǎn)，屬于Ι類工作機，同時由于轉(zhuǎn)數(shù)低于50 r/min，無需考慮工作時間影響，所以K值取1，即計算轉(zhuǎn)矩等于理論轉(zhuǎn)矩。

3.3 刮板及刮板夾的優(yōu)化

3.3.1 不銹鋼材質(zhì)刮板及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

不銹鋼材質(zhì)特性為：有較好的耐磨性、耐腐蝕性、韌性、不易粘煤及抗老化性。所以將刮板材料從10 mm厚聚乙烯板優(yōu)化為3 mm厚不銹鋼板。兩種材料每噸價格差距較小，優(yōu)化后成本變化無幾，使用壽命卻大大延長。

刮板外緣向內(nèi)折彎15 mm，使刮板與煤槳層接觸的部分增厚，避免存在機加工后的平面，從而更加耐磨，起到加強筋的作用，進而提高刮板在長度方向的剛度。刮板沿徑向方向開設(shè)長形孔，以便于刮泡器旋轉(zhuǎn)直徑的調(diào)節(jié)。刮板沿軸向長度可依據(jù)浮選槽箱尺寸進行適當分割。優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)考慮到折彎后刮板的回轉(zhuǎn)半徑變大，避免與溢流堰板磕碰，刮板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 刮板結(jié)構(gòu)

3.3.2 可拆卸型刮板夾

部分現(xiàn)場采用焊接方式將刮板夾固定在轉(zhuǎn)軸上[3]，不僅容易導致空心管因焊接應(yīng)力變形、材質(zhì)受損，而且因為不可拆卸對運輸、現(xiàn)場安裝造成不便。每套刮板夾改為由4條相同的異型鋼板條(如圖4所示)通過螺栓連接而成，通過摩擦力箍在轉(zhuǎn)軸上，無需對空心轉(zhuǎn)軸進行后續(xù)加工，可保證其原有質(zhì)量。將刮板夾設(shè)計成可拆卸的結(jié)構(gòu)，可避免在運輸和安裝時因各種操作不當引起刮板夾、刮板的損壞?，F(xiàn)場安裝時也可先將轉(zhuǎn)軸、軸承座、聯(lián)軸器、電機減速機等安裝調(diào)試好之后再進行刮板安裝，減少在安裝時產(chǎn)生的干擾因素。為防止松動，刮板與刮板夾的連接副多加一道螺母進行互鎖防松。

3.4 滑動軸承改為帶座外球面球軸承

每套刮泡器配備多個軸承，轉(zhuǎn)軸屬于細長軸，其因一定彎曲變形而在軸承處有偏轉(zhuǎn)角。結(jié)合現(xiàn)場使用情況，考慮到互換性高、安裝便捷、可調(diào)心等需求，將滑動軸承優(yōu)化為滾動軸承中的帶立式座外球面球軸承(帶頂絲UCP型)。

4 結(jié) 語

(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后刮泡器運行穩(wěn)定，故障率明顯降低。延長了刮泡器的使用壽命，大大減少了因刮泡器故障導致浮選系統(tǒng)停機次數(shù)，進而保證最大的生產(chǎn)效益。

(2)刮泡器可嘗試性的改型應(yīng)用于其他工況相似的設(shè)備上，如在呂家坨選煤廠重介質(zhì)淺槽分選機的出料口處作為輔助排料、排雜機構(gòu)成功應(yīng)用，為刮泡器在其他設(shè)備上的開發(fā)及應(yīng)用提供了思路和經(jīng)驗。優(yōu)化后的刮泡器運行穩(wěn)定，其改型應(yīng)用前景更為廣闊。