么 雷，李莉莎，徐英芳，魏子慶

(北京國華科技集團有限公司，北京 101300)

帶有翻轉結構的弧形篩廣泛用于重介質選煤廠的脫介作業(yè)[1]，這類弧形篩的篩框底面與水平面成一定傾角。料漿以一定的速度通過給料箱并沿切線方向進入篩面，在離心力的作用下，料漿層緊貼篩面流動；在料漿層從橫向布置的其中一根篩條流至另一根篩條的過程中，每根篩條的棱邊都對其產生切割作用。實際應用過程中發(fā)現(xiàn)，在使用一段時間后，因料漿的磨損作用，對著來料方向的篩條棱邊就會變成圓角，導致物料分級粒度變小，設備處理能力降低。但由于篩條的斷面具有對稱性，故可在其中一側棱邊受損后將篩板反向安裝，使另一側棱邊對著來料方向。在篩板反向安裝后的使用過程中，由于篩面持續(xù)受損，圓角棱邊的篩條反而會被磨出與新篩條相似或相同的銳邊[2]。因此，此類弧形篩的篩板可以多次換向安裝與使用，且能保持物料的分級粒度基本不變[3]。

在脫介弧形篩翻轉的過程中，先將篩框從傾斜位置翻轉至水平位置，再將其旋轉180°，然后將篩框反向翻轉，使其按設計傾角定位在使用狀態(tài)[4]。目前，脫介弧形篩的翻轉操作主要依靠人力完成，整個操作過程需要20～30 min，既費時費力，又存在較大的安全隱患[5]。為此，基于旋轉氣缸和頂升氣缸設計出自動翻轉弧形篩，其以現(xiàn)場現(xiàn)有氣源作為動力，通過兩個氣缸的共同動作實現(xiàn)脫介弧形篩的自動翻轉。

1 自動翻轉機構的設計

1.1 設計思路

能夠實現(xiàn)脫介弧形篩自動翻轉的傳動形式有蝸輪蝸桿傳動、齒輪齒條傳動、液壓傳動、氣壓傳動等，蝸輪蝸桿傳動、齒輪齒條傳動的制造成本均很高，占用空間大，不便布置與安裝在弧形篩下方；液壓傳動、氣壓傳動的傳動原理相同，只是動力源不同。由于選煤廠無現(xiàn)成的液壓站為液壓傳動提供動力，故以液壓傳動的自動翻轉機構還須配帶液壓站，致使設備采購成本大大提高。但空壓機是選煤廠必不可少的設備之一，這就為氣壓傳動的實現(xiàn)奠定了動力基礎，且有利于消減采購成本。從翻轉機構的功能實現(xiàn)情況、采購成本、現(xiàn)場安裝等因素綜合考慮，采用氣壓傳動形式實現(xiàn)脫介弧形篩自動翻轉機構的設計。

1.2 結構組成

自動翻轉機構(圖1)主要由弧形篩連接座、樞軸、旋轉氣缸、頂升氣缸、中心軸、底座組成，旋轉氣缸通過樞軸帶動弧形篩連接座旋轉，從而實現(xiàn)弧形篩的旋轉功能；頂升氣缸通過其鉸接支撐點帶動弧形篩連接座繞中心軸運動，從而實現(xiàn)弧形篩的翻轉功能。

1—弧形篩連接座；2—樞軸；3—旋轉氣缸；4—頂升氣缸；5—中心軸；6—底座

2 氣缸的選型與計算

2.1 旋轉氣缸的選型與計算

在篩框水平旋轉過程中，旋轉氣缸提供的最大轉矩Tmax要能夠滿足篩框旋轉所需要的轉矩T轉，即Tmax≥T轉[6]。在選型與計算過程中，設定篩框在5 s內由水平靜止狀態(tài)達到1 r/min的正常運轉速度。篩框寬度4.2 m的弧形篩質量約為1 800 kg，現(xiàn)以該型篩機為例詳細介紹具體選型與計算過程。

篩框轉矩計算式為：

T轉=J·ε,

(1)

J=M·i2,

(2)

(3)

式中：J為篩框對回轉軸的轉動慣量，kg·m2；ε為角加速度，rad/s2；M為篩框質量，kg；i為慣性半徑，m；Δω為篩框旋轉的角速度，rad/s。

篩框質量為1 800 kg，慣性半徑為2.158 m，依據(jù)式(2)可計算出篩框對回轉軸的轉動慣量為8 382.5 kg·m2。已知n=1 r/min，Δt=5 s ，聯(lián)立式(1)和式(3)可得出T轉≈176 N·m。

根據(jù)篩框旋轉的需要，結合實際計算數(shù)據(jù)，參照氣缸選型手冊，選擇φ125 mm的氣缸，其完全能夠滿足使用要求。

2.2 頂升氣缸的選型與計算

2.2.1 頂升氣缸行程的計算

將篩框位置和各轉軸相對位置尺寸投影到平面上，可得到篩框不同狀態(tài)下的平面示意圖，如圖2、圖3所示。

圖2 篩框水平狀態(tài)平面示意圖Fig.2 Planimetric diagram of the sieve frame in horizontal state

圖3 篩框工作狀態(tài)平面示意圖

篩框處于水平狀態(tài)時的氣缸鉸接點選擇A1，其翻轉運動可轉化為氣缸鉸接點A1圍繞篩框轉軸O的轉動，轉動幾何半徑R=586 mm；篩框翻轉至工作狀態(tài)時，氣缸鉸接點為A2，其由水平狀態(tài)翻轉至工作狀態(tài)的運動可轉化為A1點繞O點轉到A2點的轉動，轉動半徑R=586 mm，氣缸鉸接點圍繞O點轉動的弧長為614 mm。

綜上分析，氣缸鉸接點處提供的行程應該不小于614 mm，根據(jù)氣缸的實際鉸接頭情況，選擇行程630 mm的氣缸即可滿足要求。

2.2.2 頂升氣缸缸徑的計算

利用Solidworks三維建模軟件，按照1∶1的比例建立弧形篩及其翻轉機構各部件的模型[7]，并將篩框質心與各轉軸相對位置尺寸投影到平面上，如圖4、圖5所示。

圖4 篩框水平狀態(tài)時質心及各轉軸點相對位置尺寸

圖5 篩框傾角為α時質心及各轉軸點相對位置尺寸

由圖4、圖5可知：

(1)篩框處于水平狀態(tài)時，篩框質心繞篩框轉軸O轉動的幾何半徑r=561 mm，質心和篩框轉軸O的連線與豎直方向成30.5°角。氣缸鉸接點A1繞篩框轉軸O轉動的幾何半徑R=586 mm，氣缸固定轉軸至篩框轉軸O的距離L=923 mm。此時，氣缸鉸接點A1、氣缸固定轉軸、篩框轉軸O構成一個三角形，其以篩框轉軸O為頂點的角為15.5°。

(2)篩框在由水平狀態(tài)翻轉至工作狀態(tài)的過程中，傾角為α(α[0,60])時，氣缸鉸接點Aα、氣缸固定轉軸、篩框轉軸O構成一個三角形，其以篩框轉軸O為頂點的角為(15.5°+α)，質心和篩框轉軸O連線與豎直方向成(30.5°-α)角。

在篩框翻轉過程中，篩框自身重力G與頂升氣缸推力F構成力矩平衡[8]，則可得

(4)

式中：D為頂升氣缸推力的力臂，m；d為篩框重力的力臂，m。

通過計算可得到G=18 000 N，根據(jù)三角形計算公式[9]，篩框翻轉角為α時，d和D分別為：

d=γsin(30.5°-α)，

(5)

(6)

聯(lián)立式(4)、式(5)、式(6)可得

(7)

根據(jù)式(7)的計算結果，利用Matlab編程計算[10-11]得到篩框翻轉過程中氣缸驅動力F隨傾角α的變化曲線，如圖6所示。

圖6 氣缸驅動力隨傾角α變化曲線

由圖6可知：當α∈[0,30.5)，F(xiàn)>0，此過程氣缸作用力為推力，最大推力值Fmax=13 865 N；當α=30.5°時，F(xiàn)=0，此過程氣缸瞬時不受力；當α(30.5，60]，F(xiàn)<0，此過程氣缸作用力為拉力，最大拉力值F'max=9 130 N。

綜上所述，在篩框翻轉過程中，水平狀態(tài)啟動時所需推力最大，隨著傾角α的增大，所需推力減?。划敠?30.5°時，推力減小為零；隨著傾角α的繼續(xù)增大，氣缸作用力變?yōu)槔?，且拉力隨傾角α的增大而增大；在工作狀態(tài)下，篩框所需拉力最大。根據(jù)氣缸所需最大推力與最大拉力的計算值，參照氣缸選型手冊，選擇缸徑160 mm的氣缸即可滿足現(xiàn)場使用要求。

3 結語

基于旋轉氣缸和頂升氣缸的自動翻轉弧形篩能夠實現(xiàn)自動翻轉，整個翻轉過程的時間在2 min左右，僅為傳統(tǒng)翻轉時間的1/15～1/10。目前，已有4臺自動翻轉弧形篩在山西永寧選煤廠(處理能力為2.0 Mt/a)投入應用，主要用于脫除介質。生產實踐表明：該設備的使用節(jié)省了大量的人力和時間，同時保證了翻轉動作的安全性，并為選煤廠帶來了一定的經濟效益。該型弧形篩操作簡單，轉動靈活，安全可靠，故障率低，在選煤廠具有廣闊的應用前景。

[1] 王成師.我國選煤技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].選煤技術,2007(6):55-56.

[2] 劉 軍.弧形篩在哈拉溝洗煤廠的作用及存在問題的研究[J].中國新技術新產品,2008 (14):102.

[3] 顧慶豐,鮑玉新.振動弧形篩的應用及技術革新[J].煤礦機械,2009，30(6):142-143.

[4] 單忠橋.回轉型弧形篩[J].選煤技術,1983(1).

[5] 韓春勝，李小樂，孫皆宜.半自動翻轉弧形篩的設計與計算[J].潔凈煤技術，2014(6)：80-82.

[6] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學：第7版 [M].北京：高等教育出版社，2009(7).

[7] 曹延杰,王成學,于傳健,等.基于Solidworks軟件的三維實體建模[J].海軍航空工程學院學報,2004, 19(5):595-597.

[8] 王崇革，付彥坤.理論力學教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2004.

[9] 代 銀. 三角形的一個面積計算公式[J].數(shù)學通訊,2007 (5):24.

[10] 張志涌，楊祖櫻.MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[11] 趙書蘭.MATLAB編程與最優(yōu)化設計應用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.