煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置的設(shè)計★

陳 蚺， 秦錄芳， 周 臻， 孫 濤， 曹英華

（1.徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221018；2.江蘇仕能工業(yè)技術(shù)有限公司， 江蘇 徐州 221000）

引言

浮選是煤炭分選階段的一個重要過程，是提高煤炭利用率和煤炭潔凈處理的一個主要環(huán)節(jié)[1]。對浮選后的尾礦漿進(jìn)行機(jī)器視覺檢測，并對浮選藥劑比例加以調(diào)整，可提高整個浮選工藝的利用率[2]。機(jī)器視覺檢測過程中，煤泥浮選尾礦漿表面會產(chǎn)生大量泡沫，同時泥煤混合物會沉于尾礦漿底部會導(dǎo)致尾礦漿表面水質(zhì)變清，這些都不利于機(jī)器視覺檢測。

基于此，設(shè)計煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置，達(dá)到快速清除泡沫和讓泥煤混合物均勻分布的功能，可為后續(xù)的機(jī)械視覺檢測提供可靠的檢測基礎(chǔ)。

1 關(guān)鍵部件設(shè)計

設(shè)計的煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置要滿足兩個需求：一是能高效快速去除煤泥浮選尾礦漿表面產(chǎn)生的泡沫，能讓后續(xù)的機(jī)器視覺檢測裝置能夠快速精確看到液體表面情況；二是能夠?qū)⒊猎谖驳V漿底部的泥煤混合物質(zhì)攪拌起來，使其均勻分布在液體中，避免因泥煤混合物沉于底部導(dǎo)致尾礦漿表面水質(zhì)顏色清淡而產(chǎn)生的識別誤差。

目前市場上的還沒有具體專門去沫前置，個別采用一塊擋板往復(fù)刮去泡沫，可以一定程度減少泡沫，但還是不能高效快速地去除表面的白沫，也沒有攪動底部泥煤混合物的裝置。本文所設(shè)計的煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置采用雙向旋轉(zhuǎn)去沫板去沫，同時中間用電機(jī)加同步帶驅(qū)動傳動軸，帶動底部螺旋槳旋轉(zhuǎn)，攪動底部泥煤混合物，使其浮動于整個液體中。同時底部上升流將表面泡沫向兩側(cè)推動，提高去沫速度。

1.1 去沫傳動軸部分的設(shè)計

軸的失效形式與軸的工作條件有關(guān)。在一般轉(zhuǎn)速和載荷條件下，若設(shè)計不當(dāng)，大多會導(dǎo)致強(qiáng)度或剛度的失效。設(shè)計軸所需要的原始數(shù)據(jù)和條件有：軸系的功率P，軸的轉(zhuǎn)速n、軸上的傳動件的參數(shù)，受力狀況及軸系工作環(huán)境。

先估算軸的最小直徑（mm），軸的強(qiáng)度（MPa）計算根據(jù)軸的承載情況[3]，其強(qiáng)度條件計算公式為：

根據(jù)計算公式（1）改寫成公式（2）：

式中：C 為由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。去沫傳動軸部分的主要零部件采用45 鋼，具體參數(shù)見表1，其裝配結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 去沫傳動軸部分的主要組成零件

鍵槽會削弱軸的強(qiáng)度，當(dāng)截面有一個鍵槽時，需要將軸徑加大3%。軸在運轉(zhuǎn)中受彎矩和扭矩，且多受變應(yīng)力作用。在一般工作條件下，軸采用45 鋼，相比其他合金鋼，價格便宜，對應(yīng)力集中的敏感性較低[4]。

長軸一般采用45 鋼材料，其C 在106～117 之間，取117，電機(jī)選用90S-4 三相異步電機(jī)，額定功率為1.1 kW，轉(zhuǎn)速為20 r/min，將數(shù)值帶入公式（2），計算得出d≥44.5 mm，軸取直徑55 mm，45 鋼材質(zhì)符合其強(qiáng)度要求。

因為去沫劃板主要用于劃走泡沫，其所受阻力可忽略不計，則電機(jī)提供的輸出力矩（N·m）為：

將功率1.1 kW 和轉(zhuǎn)速20 r/min 代入上式，得T=525.25 N·m。

根據(jù)電機(jī)的特點，電機(jī)帶動去沫部分在0.1 s 內(nèi)達(dá)到20 r/min 的轉(zhuǎn)速，此時去沫部分需要的力矩最大。去沫部分中的去沫劃板工作在水平面上，主要用于劃走泡沫，其所受阻力可忽略不計，因此可把去沫部分簡化為軸類零件，則去沫部分旋轉(zhuǎn)需要的最大力矩（N·m）為：

根據(jù)去沫部分旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速20 r/min，得ω=2π×20/60=2.09 rad/s，時間t=0.1 s，去沫部分零件采用的是鋼材，密度取ρ=7.8×103kg/m3，去沫部分簡化為軸（直徑D=0.055 m、軸長h=0.5 m），數(shù)據(jù)代入公式4，則T去沫=0.07 N·m，遠(yuǎn)小于T電，即所選電機(jī)能完全滿足去沫部分旋轉(zhuǎn)所需力矩。

1.2 底部攪拌部分的設(shè)計

底部攪拌部分的裝配結(jié)構(gòu)見上頁圖2。軸的外軸套采用分段設(shè)計，分為上支撐板和下支撐板，便于加工安裝。同時下支撐板固定于儲存箱上的固定板上。軸和軸承固定在套筒中。軸的低端加工一段40 mm的螺紋，安裝上螺旋槳。軸的頂端安裝上V 帶輪，通過同步帶進(jìn)行運動的傳遞。電機(jī)工作時，同時帶動軸的旋轉(zhuǎn)，螺旋槳轉(zhuǎn)動并攪動底部的泥煤混合物。

V 帶輪傳動比較大，結(jié)構(gòu)緊湊，普通V 帶是無接頭的傳動帶，所以傳動較平穩(wěn)，應(yīng)用較為廣泛。它的主要時效形式是打滑和疲勞破壞[5]。帶輪的設(shè)計準(zhǔn)則是在不打滑的條件下，具有一定的疲勞強(qiáng)度。

當(dāng)給定工作功率為9 kW，因為載荷變動小，KA=1，為普通V 帶，小帶輪轉(zhuǎn)速n1=500 r/min。

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，選擇普通帶型為B，傳動比i=2。小帶輪基準(zhǔn)直徑為125 mm，大帶輪基準(zhǔn)直徑250 mm，計算額定功率P'=KAP=9 kW。

2 煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置的工作原理和各部分的功能，將零件按順序裝配起來，總裝配體如圖3 所示。

煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置包括液體儲存箱，中間裝有底部攪拌裝置，外框下支撐架（14）與支撐板（16）固定，下支撐架（14）又固定上支撐架（13），支架里面裝有4 個圓錐滾子軸承，裝有一個長軸（12），長軸（12）底部帶有螺紋，連接攪拌螺旋槳。軸（12）頂裝有一個大徑同步帶輪（11），儲存箱側(cè)邊固定一個鐵板框架（7），用來固定電機(jī)（8），電機(jī)（8）上裝有一個小徑同步帶輪（9），兩個同步帶輪（8）（9）用兩個同步帶（10）進(jìn)行傳動。儲存箱兩側(cè)焊接一個盛沫池（2）（15），在裝置一邊有一個腳支撐架（17），固定著電機(jī)（5），帶動軸的轉(zhuǎn)動，儲存箱左頭兩邊固定著兩個立式軸承座（6），固定軸，軸上套有一個軸套（4），軸套上有六個固定板（1），三三對稱，一邊各有六個固定夾板，將各邊的固定板固定，固定板的上端再固定去沫劃板（3）。儲存箱右頭兩邊固定著兩個立式軸承座，固定軸，軸上套有一個軸套，軸套上有六個固定板三三對稱，一邊各有六個固定夾板，將各邊的固定板固定，固定板的上端再固定去沫劃板。

將泥煤水導(dǎo)入液體儲存箱中，整裝置工作時，電機(jī)（8）運行，使小帶輪（9）開始轉(zhuǎn)動，通過同步帶（10）將功率傳遞到大帶輪（11），使軸（12）開始轉(zhuǎn)動，同時使底部的螺旋槳攪動著水中的泥煤水，使沉在底部的泥煤水浮動于整個水中，攪拌同時產(chǎn)生一些泡沫，從中間往兩邊浮動。電機(jī)（5）通過軸使軸套（4）旋轉(zhuǎn)，固定在軸套（4）上的劃板（3）圍繞著軸套做360°旋轉(zhuǎn)，將水面上的泡沫推入盛沫池（2）中，另一側(cè)同理，將水面上的泡沫推入盛沫池（15）中。

設(shè)計的煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置能消除煤泥浮選尾礦漿泡沫，并且能攪動沉在底部的泥煤混合物使其均勻分布在尾礦漿中，為后續(xù)的機(jī)械視覺檢測提供可靠的檢測基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

采用SolidWorks 軟件，對去沫傳動軸和底部攪拌部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上完成了煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置的三維設(shè)計，該裝置能消除煤泥浮選尾礦漿泡沫，并且能攪動沉在底部的泥煤混合物使其均勻分布在尾礦漿中，為后續(xù)的機(jī)械視覺檢測提供可靠的檢測基礎(chǔ)。