馬魯豪，張玉華，梅克明，鄭燕武

(1.天津理工大學(xué) 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300384; 2.天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

新技術(shù)新設(shè)備

新型振動(dòng)篩分機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

馬魯豪1,2，張玉華1,2，梅克明1,2，鄭燕武1,2

(1.天津理工大學(xué) 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300384; 2.天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

振動(dòng)篩分是礦業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要組成部分，振動(dòng)篩分裝置主要是用于對(duì)礦物質(zhì)的篩分和去雜，是使用頻率最高、應(yīng)用范圍最廣的生產(chǎn)設(shè)備。新型振動(dòng)篩分機(jī)對(duì)傳統(tǒng)篩分機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新改進(jìn)，加入初步篩分裝置，提高了篩分裝置的自動(dòng)化程度及其篩分效率；同時(shí)，該設(shè)備通過(guò)移動(dòng)一體化設(shè)計(jì)，其工作適應(yīng)能力強(qiáng)，主要適用于臨時(shí)性、工作周期短、工作地點(diǎn)不斷變化的場(chǎng)合。

新型振動(dòng)篩分機(jī)；創(chuàng)新改進(jìn)；篩分裝置；效率

0 前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)于礦產(chǎn)品的需求正在不斷地提高。2015年，我國(guó)年礦產(chǎn)資源總產(chǎn)量超過(guò)90億噸，年礦業(yè)利潤(rùn)總額(不含油氣)突破2000億元。在礦業(yè)生產(chǎn)中，振動(dòng)篩分裝置主要是用于對(duì)礦物質(zhì)的篩分和去雜，是使用頻率最高、應(yīng)用范圍最廣的生產(chǎn)設(shè)備[1]?？梢哉f(shuō)，篩分裝置在一定程度上決定了礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此研究篩分裝置具有重要的意義及其必要性。本文通過(guò)對(duì)礦物篩分中進(jìn)料、輸送、篩分等過(guò)程的分析，設(shè)計(jì)出了特定的進(jìn)料、輸送、篩分機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出移動(dòng)一體式的新型篩分機(jī)。

1 傳統(tǒng)振動(dòng)篩分裝置的結(jié)構(gòu)組成及其局限性

傳統(tǒng)振動(dòng)篩分機(jī)在大型礦業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。如圖1所示，該裝置結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，與傳送帶相結(jié)合，共同組成傳統(tǒng)式振動(dòng)篩分機(jī)。然而隨著生產(chǎn)實(shí)際的逐步變化，傳統(tǒng)篩分機(jī)逐漸顯示出了其局限性：傳統(tǒng)振動(dòng)篩分機(jī)往往采用的是“串聯(lián)式單層篩分”結(jié)構(gòu)，體型較為龐大，且各設(shè)備均固定于地面，工作地點(diǎn)不可變，因此傳統(tǒng)振動(dòng)篩分機(jī)并不適用于工作地點(diǎn)不斷變化或小型礦業(yè)生產(chǎn)的場(chǎng)合。

1.橫梁 2.前支座 3.前耳軸 4.加強(qiáng)梁5.激振器 6.側(cè)板 7.后支座 8.后耳軸圖1 傳統(tǒng)篩分裝置

2 新型振動(dòng)篩分機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

新型篩分機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由進(jìn)料篩分裝置、輸送裝置、篩分機(jī)構(gòu)和支撐車(chē)架四大部分組成。進(jìn)料篩分裝置1通過(guò)螺柱安裝在支撐車(chē)架的左側(cè)，由篩分板、液壓裝置和箱體等組成，主要起到進(jìn)料和初步篩分的作用；輸送裝置可分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)輸送機(jī)構(gòu)，其中Ⅰ級(jí)輸送機(jī)構(gòu)2位于進(jìn)料箱1的正下方，其功能為傳送經(jīng)進(jìn)料箱初步篩分后的礦物至下一環(huán)節(jié)；Ⅱ級(jí)輸送機(jī)構(gòu)3位于Ⅰ級(jí)輸送機(jī)構(gòu)2和篩分機(jī)構(gòu)5之間，有30°傾斜角，左下端固定在支撐車(chē)架底盤(pán)上，右上端通過(guò)四根支撐架支撐，主要是將礦物運(yùn)至篩分機(jī)構(gòu)進(jìn)行篩分環(huán)節(jié)；Ⅲ級(jí)輸送機(jī)構(gòu)又可分為Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3和Ⅲ-4輸送機(jī)構(gòu)，分別為圖中的4、13、12和7，主要是將篩分后的礦物運(yùn)往指定地點(diǎn)，其中Ⅲ-4輸送機(jī)構(gòu)可通過(guò)液壓桿進(jìn)行一定程度的折疊，從而減少了非工作狀態(tài)下的機(jī)構(gòu)空間；篩分機(jī)構(gòu)5安裝在支撐車(chē)架的工作板上，主要由篩箱、篩分網(wǎng)、激振器等組成，本篩分機(jī)構(gòu)具有三層篩網(wǎng)，可最終分選出四種礦物；支撐車(chē)架主要由車(chē)架14、車(chē)輪13和液壓裝置組成，其中液壓裝置由八個(gè)液壓支撐桿8組成，主要起到支撐保護(hù)作用。

1.進(jìn)料篩分裝置 2.Ⅰ級(jí)輸送機(jī)構(gòu) 3.Ⅱ級(jí)輸送機(jī)構(gòu) 4.Ⅲ-1輸送機(jī)構(gòu) 5.篩分機(jī)構(gòu) 6.輸送機(jī)構(gòu)異步電機(jī) 7.Ⅲ- 4輸送機(jī)構(gòu) 8.液壓支撐桿 9.扶梯 10.篩分裝置異步電機(jī) 11.護(hù)欄 12.Ⅲ- 3輸送機(jī)構(gòu) 13.Ⅲ- 2輸送機(jī)構(gòu) 14.車(chē)架 15.車(chē)輪圖2 新型篩分機(jī)

新型篩分機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程包括四個(gè)階段。第一階段(即前期準(zhǔn)備)，車(chē)架下的八個(gè)液壓支撐桿啟動(dòng)并延伸至地面，與車(chē)輪一起支撐起整個(gè)車(chē)體；與此同時(shí)，Ⅲ- 4輸送機(jī)構(gòu)7中的液壓裝置也開(kāi)始工作，使輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)行到工作位置。第二階段(即初步篩分)，將未經(jīng)過(guò)篩分的礦物送入進(jìn)料篩分裝置中，篩分板通過(guò)微小振動(dòng)將較大的無(wú)用礦物分離出來(lái)，其余通過(guò)篩分板進(jìn)入進(jìn)料箱體，并落入Ⅰ級(jí)輸送機(jī)構(gòu)送入下一環(huán)節(jié)；同時(shí)，進(jìn)料篩分裝置上的液壓系統(tǒng)啟動(dòng)，推動(dòng)篩分板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，最大轉(zhuǎn)角為55°，此時(shí)遺留在其上面的無(wú)用物料將順勢(shì)滑落至無(wú)用物料回收裝置，然后篩分板通過(guò)回程過(guò)程恢復(fù)至原位，等待物料的再次進(jìn)入。第三階段(即二次篩分)，經(jīng)過(guò)初步篩分后的礦物途徑Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)輸送機(jī)構(gòu)到達(dá)篩分機(jī)構(gòu)中，通過(guò)三層篩網(wǎng)篩選出四種礦物，并將四種礦物送入Ⅲ級(jí)輸送機(jī)構(gòu)。最后Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3和Ⅲ-4輸送機(jī)構(gòu)分別運(yùn)送四種礦物至指定地點(diǎn)。

3 新型振動(dòng)篩分機(jī)的創(chuàng)新改進(jìn)

與傳統(tǒng)振動(dòng)篩分機(jī)相比，新型振動(dòng)篩分機(jī)對(duì)其進(jìn)行了“移動(dòng)一體化”創(chuàng)新設(shè)計(jì)，加入了初步篩分裝置，并對(duì)篩分機(jī)構(gòu)做了改進(jìn)，經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

3.1 “移動(dòng)一體化”創(chuàng)新設(shè)計(jì)

如圖2所示，新型振動(dòng)篩分機(jī)采用“移動(dòng)一體化”創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想，將進(jìn)料裝置、輸送裝置、篩分機(jī)構(gòu)和車(chē)體進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，這種創(chuàng)新改進(jìn)相比于傳統(tǒng)振動(dòng)篩分機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)集成化、自動(dòng)化程度高，工作生產(chǎn)效率高，且初次工作無(wú)需對(duì)設(shè)備進(jìn)行選址、定位及裝配，節(jié)約了時(shí)間，有利于后續(xù)工作的推進(jìn)；

(2)具有可移動(dòng)性。新型篩分機(jī)通過(guò)車(chē)載的方式很容易實(shí)現(xiàn)異地之間的運(yùn)送，更加適用于臨時(shí)性、工作周期短、工作地點(diǎn)不斷變化的場(chǎng)合，傳統(tǒng)篩分裝置較難實(shí)現(xiàn)；

(3)體型小，費(fèi)用低，適用于小型礦業(yè)生產(chǎn)。

3.2 進(jìn)料裝置的改進(jìn)

新型振動(dòng)篩分機(jī)對(duì)傳統(tǒng)式進(jìn)料箱進(jìn)行了改進(jìn)，即加入初步篩分機(jī)構(gòu)。這種改進(jìn)不僅可以讓裝備實(shí)現(xiàn)進(jìn)料功能，也可對(duì)物料進(jìn)行初步篩分，有利于之后篩分機(jī)構(gòu)的工作；并且提前去除掉體積過(guò)大的礦物，也可防止篩分機(jī)構(gòu)的過(guò)載，對(duì)篩分機(jī)構(gòu)有著保護(hù)作用。

1.進(jìn)料箱 2.支撐平臺(tái) 3.左側(cè)液壓桿 4.篩分板 5.右側(cè)液壓桿 6.支撐架圖3 新型進(jìn)料篩分裝置

改進(jìn)后的進(jìn)料篩分裝置如圖3所示，其由初步篩分機(jī)構(gòu)(篩分板4、升降機(jī)構(gòu)(由液壓系統(tǒng)組成))和進(jìn)料箱1等組成。由于改進(jìn)多集中于初步篩分機(jī)構(gòu)，故需要對(duì)篩分板4和升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。

3.2.1 篩分板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

篩分板的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由篩分板體4、方柱1、左擋板2、右擋板6和支架(3、5)等組成，十一根方柱1通過(guò)螺栓7固定在篩分板體4上，形成了篩分板的主體部分。根據(jù)工作場(chǎng)合和工程實(shí)際的不同，每?jī)蓚€(gè)方柱1之間間隔有所不同。本文以每?jī)蓚€(gè)方柱1之間間隔為200 mm為例進(jìn)行分析，即篩分板可篩分分離出長(zhǎng)、寬、高任意一方向超過(guò)200 mm的礦物。左右兩側(cè)各有4個(gè)支架(3、5)，支撐起左、右擋板(2、6)，擋板主要起到保護(hù)和防止物料意外滑落的作用。

1.方柱 2.左擋板 3.左支架 4.板體 5.右支架 6.右擋板 7.螺栓圖4 篩分板

3.2.2 篩分板最大傾斜角θmax的設(shè)計(jì)計(jì)算

最大傾斜角θmax的設(shè)計(jì)計(jì)算，需要考慮到兩種情況。

(1)第一種情況。礦物各個(gè)方向尺寸都大于200 mm，此時(shí)可以設(shè)定礦物與篩分板之間的接觸為面接觸。設(shè)某塊礦物的質(zhì)量為M，密度均勻，則可對(duì)其進(jìn)行受力分析如圖5a所示。

圖5 礦物受力分析圖

以平行于斜面和垂直于斜面建立平面直角坐標(biāo)系，可得到力學(xué)平衡表達(dá)式

Mgsinθ=f

f=uFn

Fn=Mgcosθ

其中，f為靜摩擦力；u為摩擦系數(shù)，由工程實(shí)際和篩分板材料(鋼結(jié)構(gòu))，可以選取u為0.7；Fn為篩分板對(duì)礦物的支持力；g為重力加速度。

則可以得出θ=35°。

(2)第二種情況。礦物只有若干方向尺寸大于200mm，此時(shí)可以設(shè)定礦物與篩分板之間的接觸為雙點(diǎn)接觸。假設(shè)某塊礦物的質(zhì)量為m，密度均勻，雙點(diǎn)對(duì)物塊的支持力相等，則可對(duì)其進(jìn)行受力分析如圖5b所示。

以平行于斜面和垂直于斜面建立平面直角坐標(biāo)系，可得到力學(xué)平衡表達(dá)式

mgsinθ=f

f=2uFn

2Fnsinα=mgcosθ

α的大小由物塊的重心決定，由實(shí)際工況(物塊的各向尺寸相差不大)，則α的范圍為30°～90°，選取u為0.7，則可以得出θ的取值范圍為35°～54.5°。

綜合上述兩種情況，可選取θmax=55°，即當(dāng)篩分板逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)55°時(shí)，其上的被分離出的無(wú)用礦物便可以全部自動(dòng)滑落下來(lái)。

3.2.3 升降機(jī)構(gòu)最大行程的計(jì)算

升降機(jī)構(gòu)的最大行程，即為進(jìn)料箱左右兩側(cè)液壓桿的最大伸長(zhǎng)量(即初、末位置液壓桿長(zhǎng)度之差)。末位置時(shí)，液壓桿長(zhǎng)度可以通過(guò)篩分板最大傾斜角θmax=55°來(lái)計(jì)算。通過(guò)計(jì)算計(jì)算升降機(jī)構(gòu)的最大行程，可用來(lái)確定液壓裝置的行程，進(jìn)而選在液壓裝置型號(hào)。

如圖7所示，為升降機(jī)構(gòu)初、末位置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

1.活塞桿 2.液壓缸 3.篩分板圖6 升降機(jī)構(gòu)初、末位置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(1)初位置狀態(tài)為圖6實(shí)線(xiàn)部分所示。

LAB=1 356.5mm，LBC=2 300mm，

LAC=1 268.9mm，β=30°

(2)末位置狀態(tài)為圖6虛線(xiàn)部分所示，由余弦公式得

γ=β+θmax

3.3 篩分機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

篩分機(jī)構(gòu)是新型篩分機(jī)的核心裝置，主要完成“細(xì)篩”的過(guò)程。新型振動(dòng)篩分機(jī)摒棄了傳統(tǒng)礦用篩分機(jī)構(gòu)常用的“串聯(lián)式單層篩分”形式(如圖1所示)，采用“并聯(lián)式多層篩分”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可減小設(shè)備體積，降低成本，提高篩分效率。

按照篩箱運(yùn)動(dòng)軌跡的不同，篩分機(jī)構(gòu)可分為直線(xiàn)振動(dòng)篩、圓振動(dòng)篩和橢圓振動(dòng)篩等[3]。其中，圓振動(dòng)篩是指當(dāng)篩分機(jī)構(gòu)工作時(shí)篩箱的運(yùn)動(dòng)軌跡近似圓形的一種高效慣性振動(dòng)篩，可利用篩箱的振動(dòng)特性完成對(duì)物料的篩選、分級(jí)、脫水等環(huán)節(jié)[4]。其具有結(jié)構(gòu)可靠，激振力強(qiáng)，篩分效率高和維修方便等特點(diǎn)[5]，廣泛應(yīng)用于礦山、能源等行業(yè)。故本設(shè)計(jì)選用圓振動(dòng)篩，采用三層篩分方式，其整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.篩網(wǎng) 2.出料口 3.前支撐彈簧組 4.篩箱5.主動(dòng)激振器6.后支撐彈簧組 7.從動(dòng)激振器圖7 篩分機(jī)構(gòu)

4 改進(jìn)前后的振動(dòng)篩分機(jī)參數(shù)比較

新型振動(dòng)篩分機(jī)主要適用于工作場(chǎng)地不斷改變或小型礦業(yè)生產(chǎn)的場(chǎng)合。本文選擇小型礦業(yè)生產(chǎn)的場(chǎng)合，對(duì)改進(jìn)前后的振動(dòng)篩分機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行比較。

4.1 改進(jìn)前后的振動(dòng)篩分機(jī)相關(guān)參數(shù)

通過(guò)實(shí)地調(diào)研，傳統(tǒng)振動(dòng)篩分機(jī)(以“三級(jí)單層篩分”結(jié)構(gòu)為例)的主要參數(shù)如表1所示。其中，初次工作前期準(zhǔn)備考慮初次裝配、選址等工作，平時(shí)工作不再考慮；篩分工作時(shí)間為篩分10 t礦物所用時(shí)間。

表1 傳統(tǒng)振動(dòng)篩分機(jī)主要參數(shù)

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，新型振動(dòng)篩分機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。其中，篩分工作時(shí)間為篩分10 t礦物所用時(shí)間。

表2 新型振動(dòng)篩分機(jī)主要參數(shù)

(1)傳統(tǒng)型篩分機(jī)構(gòu)功耗的計(jì)算。根據(jù)功耗公式W=P·t及表1中的數(shù)據(jù), 一級(jí)篩分機(jī)構(gòu)功耗W1=15×0.83 kW·h=12.45 kW·h； 二級(jí)篩分機(jī)構(gòu)功耗W2==7.5×0.83 kW·h=6.225 kW·h 三級(jí)篩分機(jī)構(gòu)功耗W3=2.2×0.83 kW·h=1.826 kW·h總功耗W=W1+W2+W3=20.501 kW·h

(2)新型篩分機(jī)構(gòu)功耗的計(jì)算。由W=P·t及表2中的數(shù)據(jù),總功耗W=P·t=22.5×0.75=16.875 kW·h。

4.2 參數(shù)比較

通過(guò)表1、表2中的數(shù)據(jù)可以看出：新型振動(dòng)篩分機(jī)的總工作時(shí)間和篩分機(jī)構(gòu)總功耗比傳統(tǒng)篩分機(jī)小很多，初次工作總時(shí)間由3.25 h減少到0.633 h，減少了413.43%，平時(shí)工作總時(shí)間由0.917 h減少到0.633 h，減少了44.87%；篩分機(jī)構(gòu)功耗由20.501 kW·h減少到16.875 kW·h，減少了21.5%。此外，新型振動(dòng)篩分機(jī)篩分效率提高明顯，占地面積及其設(shè)備成本均有大幅度減少，雖篩分有效率有所減少，但減小幅度較小，仍可滿(mǎn)足生產(chǎn)實(shí)際要求。故比起傳統(tǒng)型篩分機(jī)，新型振動(dòng)篩分機(jī)更加符合并滿(mǎn)足小型礦業(yè)生產(chǎn)的要求。

5 結(jié)論

新型振動(dòng)篩分機(jī)是一種創(chuàng)新設(shè)備，主要針對(duì)傳統(tǒng)振動(dòng)篩分裝置難以實(shí)現(xiàn)異地運(yùn)送的缺點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了“移動(dòng)一體化”創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使之更適合于臨時(shí)性的、工作周期短、工作地點(diǎn)不斷變化的場(chǎng)合；同時(shí)，該裝置體型小，減少了傳統(tǒng)篩分裝置中的多余工作環(huán)節(jié)，增大了篩分效率，減少了工作成本。

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[2] 左建民．液壓與氣壓傳動(dòng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3] 段志善.我國(guó)振動(dòng)篩分設(shè)備的現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].礦山機(jī)械，2009,37(4):1-4.

[4] 洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院．GB/T7679.6-2003礦山機(jī)械術(shù)語(yǔ)(第6部分)：礦用篩分設(shè)備[S]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004:5.

[5] 徐文彬．圓振動(dòng)篩的發(fā)展及其技術(shù)分析[J]．礦山機(jī)械，2016,44(4):47-53.

Innovative design of the new vibrating screen machine

MA Lu-hao1,2, ZHANG Yu-hua1,2, MEI Ke-ming1,2, ZHENG Yan-wu1,2

(1.Tianjin Key Laboratory for the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China ; 2.School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

Vibrating screen plays an important role in the mining industry production. The installation of vibrating screen machine mainly focuses on screening and removing the impurity in the mineral, and it is the device which is highest frequently and widely used in the area. The new vibrating screen machine innovates and modifies the structures on the basis of traditional screens, the primary screen device is adopted to promote the degree of automation and its efficiency in screening. Meanwhile, the integrated design of the device consists of multiple advantages, however, the utility model can be operated in the short-term or the temporary situations, which reveals the wide usage of the new equipment.

new vibrating screen machine; innovate and modify; screening device; efficiency

2016-09-08；

2016-11-18

馬魯豪(1991-)，男，天津理工大學(xué)碩士研究生。

TH237+.6

A

1001-196X(2017)02-0007-05