李小樂(lè)，張?zhí)煲?，張文亮，鮑玉新

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.唐山國(guó)選精煤有限責(zé)任公司,河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012；4.內(nèi)蒙古匯能煤電集團(tuán)子長(zhǎng)縣甄家溝煤業(yè)有限公司，陜西 延安 716000)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速進(jìn)步,礦山設(shè)備向著大型化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展,大型化能實(shí)現(xiàn)設(shè)備高產(chǎn)、高效和節(jié)能,系列化可使設(shè)備適應(yīng)不同生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)需求,標(biāo)準(zhǔn)化則使設(shè)備的維護(hù)更加便捷[1]。傳統(tǒng)篩分設(shè)備在處理微細(xì)粒時(shí)存在分級(jí)粒度和篩分能力之間的矛盾,較大的占地面積大大制約著企業(yè)的擴(kuò)能、增效和規(guī)模化生產(chǎn)。

在國(guó)外,早在16世紀(jì)就已經(jīng)開始了篩分機(jī)械的研究制造,隨著歐洲進(jìn)入工業(yè)時(shí)代,工業(yè)篩分設(shè)備發(fā)展迅速,發(fā)展到21世紀(jì)，篩分機(jī)械的制造水平已經(jīng)較成熟，例如：德國(guó)申克公司研制的篩分機(jī)械多達(dá)260多種；德國(guó)STK公司提供的篩分設(shè)備較全,技術(shù)水平較高；KHD公司生產(chǎn)了超過(guò)百種的篩分設(shè)備；美國(guó)RNO公司研制了DF11雙頻率篩分設(shè)備；美國(guó)DRK公司開發(fā)制造了多疊層分路給料振動(dòng)篩；前蘇聯(lián)也研制過(guò)一種兼有共振篩和直線篩特點(diǎn)的自同步篩分設(shè)備。

國(guó)內(nèi)篩分設(shè)備的研究進(jìn)程分為引進(jìn)消化、自主研制、發(fā)展研制三個(gè)階段，較為常見的有慣性振動(dòng)篩(圓運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩、直線振動(dòng)篩)，利用共振原理研制的共振篩和其他類型振動(dòng)篩(等厚篩、概率篩、高頻振動(dòng)篩、電磁振動(dòng)旋流篩等)[2]。疊層篩源于德瑞克公司,目前已廣泛應(yīng)用于鐵礦粉磨礦分級(jí)系統(tǒng)。近年來(lái)疊層篩在煤泥水精細(xì)分級(jí)環(huán)節(jié)的優(yōu)勢(shì)得到行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可,逐步成為該環(huán)節(jié)的首選設(shè)備。疊層篩采用一對(duì)振動(dòng)電機(jī)自同步形成直線振動(dòng)以驅(qū)動(dòng)多層篩箱進(jìn)行精細(xì)分級(jí)，疊層篩具有直線振動(dòng)篩、高頻振動(dòng)篩的雙重屬性,主要是針對(duì)鐵礦粉濕法分級(jí)研制的。在鐵礦粉分級(jí)工藝中，篩上粗粒返回球磨機(jī)循環(huán)磨礦，由于該工藝對(duì)分級(jí)效率及水分要求不高,因此疊層篩篩面長(zhǎng)度普遍較短[3]。已建成的選煤廠粗煤泥分級(jí)回收系統(tǒng)大多采用濃縮旋流器+高頻篩、濃縮旋流器+弧形篩+離心機(jī)、弧形篩+離心機(jī)和電磁篩+離心機(jī)工藝,這些工藝一般都存在分級(jí)效率低、產(chǎn)品灰分高等問(wèn)題,若將疊層篩引入上述工藝，則可提高粗煤泥分級(jí)效果。采用疊層篩和高開孔率的聚酯篩網(wǎng),可有效解決篩分處理能力與篩分精度間的矛盾,也可有效解決高頻振動(dòng)細(xì)篩單位面積處理能力低的難題[4]。研究旨在通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析并結(jié)合剪切彈簧剛度測(cè)試試驗(yàn)對(duì)五層高頻疊層篩的參數(shù)進(jìn)行選擇與確定。

1 五層高頻疊層篩簡(jiǎn)介

1.1 工作原理

五層高頻疊層篩外形圖如圖1所示。由圖1可知：該疊層篩分為五層,每層配有獨(dú)立的入料箱,入料箱入口與上端分料器連接,用于為每層供料,入料箱固定在固定機(jī)架上；每層獨(dú)立的篩下料斗將篩下物統(tǒng)一收集到溜槽內(nèi)的中心槽管內(nèi)；多臺(tái)單層篩集成于一臺(tái)設(shè)備上,將各層錯(cuò)開布置,篩面角度為17.5°,篩上物統(tǒng)一匯入集料槽。由布置在頂層篩的兩臺(tái)振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)參振部分進(jìn)行直線振動(dòng)，振動(dòng)方向角為50°,振動(dòng)結(jié)構(gòu)所提供的高頻、小振幅有利于物料松散分層；篩網(wǎng)采用聚氨酯材料,由于聚氨酯篩網(wǎng)開孔率高,透篩性好,壽命較長(zhǎng),提高了設(shè)備的整體使用效率[5]。

圖1 五層高頻疊層篩外形圖Fig.1 Outer appearance of the 5-deck high-frequency fine screen

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)設(shè)備采用兩臺(tái)振動(dòng)電機(jī)平行布置,形成直線振動(dòng),且振動(dòng)方向經(jīng)過(guò)參振部分的質(zhì)心。

(2)篩網(wǎng)采用聚氨酯材料,篩網(wǎng)尺寸為1 445 mm×840 mm,篩孔為0.10 mm,篩絲直徑為0.15 mm,開孔率達(dá)到32%～42%,并且篩網(wǎng)左右通過(guò)張緊裝置拉緊,在托架上形成上拱形,利于物料在篩上分散。

(3)參振部分與固定機(jī)架之間采用剪切式橡膠彈簧,可隔振吸聲。

(4)每層篩網(wǎng)托架面、造漿區(qū)、收集斗的過(guò)流部分均鋪設(shè)耐磨橡膠,以提高疊層篩使用壽命。

(5)每層采用兩塊篩網(wǎng)前后鋪設(shè),以增加篩分面積,兩塊篩網(wǎng)中間設(shè)置造漿區(qū)。

2 五層高頻疊層篩分析

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1.1 受力分析

物料顆粒在篩面上的受力分析如圖2所示。

圖2 物料顆粒在篩面上的受力分析Fig.2 Analysis of the force to which coal particles are subjected on screen surface

由圖2可知：篩面與水平面的傾角為α,設(shè)計(jì)中采用的是17.5°；篩面雙振幅為2A,單振幅設(shè)計(jì)參數(shù)為1 mm；振動(dòng)方向角為β,設(shè)計(jì)中選定為50°,物料在篩面上受到慣性離心力與自身重力的作用,將慣性離心力和重力分別延篩面方向和垂直于篩面方向分解[6]。

2.1.2 拋棄的臨界條件

由圖2的受力分析可知,顆粒脫離篩面被拋出的條件是:

mAω2sinωt·sinβ≥mgcosα，

(1)

式中：m為顆粒質(zhì)量，kg；A為單振幅，m；ω為激振器回轉(zhuǎn)角速度，rad/s；t為時(shí)間，s；β為振動(dòng)方向角弧度，rad；g為重力加速度，m/s2；α為篩面傾角弧度，rad。

顆粒要產(chǎn)生跳動(dòng),激振器的最小轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速(n0min)：

(2)

若篩面振動(dòng)一次的時(shí)間恰好等于顆粒跳動(dòng)一次的時(shí)間，此時(shí)激振器的轉(zhuǎn)速稱為第一臨界轉(zhuǎn)速(n0Ⅰ)[7]：

(3)

若篩面振動(dòng)一次的時(shí)間恰好等于顆粒跳動(dòng)兩次的時(shí)間，此時(shí)激振器的轉(zhuǎn)速稱為第二臨界轉(zhuǎn)速(n0Ⅱ)：

(4)

根據(jù)式(2)—式(4)可得：顆粒跳躍最小臨界轉(zhuǎn)速n0min=1 055 r/min,如果顆粒要產(chǎn)生跳動(dòng),激振器的轉(zhuǎn)速必須大于n0min；顆粒被拋起第一臨界轉(zhuǎn)速n0Ⅰ=2 285 r/min,顆粒被拋起第二臨界轉(zhuǎn)速n0Ⅱ=3 164 r/min,振動(dòng)篩轉(zhuǎn)速應(yīng)介于n0min和n0Ⅰ之間。

2.1.3 拋射強(qiáng)度和振動(dòng)強(qiáng)度

振動(dòng)強(qiáng)度(K)公式為:

(5)

振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度由振動(dòng)強(qiáng)度值決定,在振動(dòng)強(qiáng)度接近的情況下,使用高頻的振動(dòng)篩會(huì)采用較低的振幅[8]。

拋射強(qiáng)度(Kv)公式為:

(6)

Kv是決定物料在篩上的運(yùn)動(dòng)速度和篩分效果的重要參數(shù)。根據(jù)前邊提到的物料被拋起的條件可以知道：當(dāng)Kv<1時(shí),顆粒是不能被拋起而離開篩面的,在篩面上呈平移式運(yùn)動(dòng)；當(dāng)Kv>1時(shí),顆粒才能被拋起并離開篩面作跳躍運(yùn)動(dòng)；當(dāng)Kv=1時(shí),顆粒處于剛要離開篩面的臨界狀態(tài)[9]。

不同拋射強(qiáng)度條件下篩面與顆粒相對(duì)位置如圖3所示。由圖3可以看出：拋射強(qiáng)度越大,顆粒被拋擲移動(dòng)得越遠(yuǎn),但是拋射強(qiáng)度不是越大越好,拋射強(qiáng)度越大，顆粒在篩面上跳躍的時(shí)間會(huì)越長(zhǎng),而跳躍時(shí)間過(guò)長(zhǎng),不利于篩分效率提高。一般顆粒跳躍時(shí)間不宜超過(guò)篩面往復(fù)振動(dòng)一次的時(shí)間,即物料跳躍的時(shí)間等于篩面振動(dòng)一次所需的時(shí)間情況下的拋射強(qiáng)度即為拋射強(qiáng)度的選取上限[10]。

圖3 不同拋射強(qiáng)度條件下篩面與顆粒相對(duì)位置Fig.3 Relative positions of a particle and screen surface at different upthrow intensities

由圖3還可以看出：當(dāng)1.4

2.1.4 激振頻率

直線振動(dòng)篩的激振頻率(f)公式為:

(7)

振動(dòng)強(qiáng)度(Ks)按下式校核:

(8)

式中：KY為預(yù)選振動(dòng)強(qiáng)度；ωj為激振圓頻率,rad/s。

依據(jù)選取的疊層篩參數(shù)和圖3曲線以及振動(dòng)強(qiáng)度公式、振動(dòng)強(qiáng)度校核公式,選用KY=2.025，為該篩的最低振動(dòng)強(qiáng)度,在該振動(dòng)強(qiáng)度下篩機(jī)工藝指標(biāo)及機(jī)械性能具有綜合優(yōu)勢(shì)[12]。經(jīng)計(jì)算,選用25 Hz的激振頻率,激振電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí),符合拋射條件。

2.2 動(dòng)力學(xué)分析

2.2.1 系統(tǒng)固有頻率

根據(jù)JB/T 9022—2012《振動(dòng)篩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，固有頻率與激振圓頻率的關(guān)系,系統(tǒng)固有頻率(ωg)計(jì)算公式為：

(9)

式中：λ為頻率比，一般取值范圍為3～7。

小型篩的頻率比(λ)取小值,大型篩λ取大值。該設(shè)計(jì)λ取4.5，根據(jù)式(9)可得固有頻率為35 rad/s。

2.2.2 彈簧剛度

系統(tǒng)中彈簧的總剛度(Kz)的計(jì)算公式為：

(10)

式中：m為參振質(zhì)量，kg，設(shè)備參振部分質(zhì)量約為3 200 kg。

根據(jù)式(9)和式(10)，可計(jì)算出系統(tǒng)中彈簧的總剛度，為3 899 kN/m。

五層高頻疊層篩的彈簧選用指定廠家制造的剪切式彈簧,根據(jù)剛度的概念,即在受力方向上單位變形量所能承受的力,對(duì)該型號(hào)的彈簧進(jìn)行剛度測(cè)驗(yàn)[13]。試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 彈簧剛度試驗(yàn)裝置Fig.4 Spring stiffness testing rig

通過(guò)試驗(yàn)裝置對(duì)選用的剪切彈簧進(jìn)行施壓試驗(yàn),記錄壓力值以及位移量,試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 剪切彈簧施壓試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Result of test on shear spring under pressure

由表1可知：剪切彈簧剛度在變形量小于25%時(shí)呈現(xiàn)的線性趨勢(shì)較好,即彈簧的安全變形量在15 mm以內(nèi),單個(gè)彈簧剪切剛度約為95 000 N/m。

2.2.3 彈簧數(shù)量

彈簧數(shù)量的計(jì)算公式為:

(11)

式中:n為系統(tǒng)中彈簧的數(shù)量，個(gè)；Kt為試驗(yàn)測(cè)得單個(gè)彈簧剪切剛度。

由式(11)計(jì)算出使用該型號(hào)的彈簧的數(shù)量為42個(gè)。根據(jù)疊層篩的結(jié)構(gòu)，將滿足數(shù)量要求的彈簧對(duì)稱布置在疊層篩的參振部分與固定機(jī)架之間,承載剪切力[14]。

2.2.4 激振力

激振力(F)計(jì)算公式為：

F=mAω2。

(12)

由式(12)計(jì)算出激振器所需提供的總激振力為78 957 kN?？蓞⒄赵摂?shù)值來(lái)選擇振動(dòng)電機(jī)型號(hào)。

根據(jù)上述計(jì)算，確定五層高頻疊層篩主要技術(shù)參數(shù)如下：

彈簧肖式硬度

55

彈簧高度

102 mm

彈簧直徑

112 mm

靜態(tài)剛度(試驗(yàn))

95 000 N/m

參振總質(zhì)量

3 200 kg

彈簧數(shù)量

42 個(gè)

總剛度

3 899 kN/m

參振總質(zhì)量

3 200 kg

靜載荷

5 785.5 N

動(dòng)載荷(穩(wěn)態(tài))

5 785.5 N

最大動(dòng)載荷

28 927.5 N

系統(tǒng)固有頻率

5.56 Hz

激振頻率

25 Hz

頻率比

4.5

激振電機(jī)轉(zhuǎn)速

1 500 r/min

篩面傾角

17.5 °

振動(dòng)方向角

50 °

拋射強(qiáng)度

2.025

振動(dòng)強(qiáng)度

2.521

總激振力

78 957 N

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)疊層篩的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析,設(shè)計(jì)高頻疊層篩時(shí),振動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)在1.9～3.3之間,且振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)大于第一臨界轉(zhuǎn)速,即1 055 r/min。固有頻率的選擇范圍決定了彈簧的選用數(shù)量,應(yīng)根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸,確定剪切彈簧的外形尺寸。

(2)通過(guò)理論和試驗(yàn)的方法，對(duì)疊層篩的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算與分析，確定疊層篩的激振頻率為25 Hz，總剛度為3 899 kN/m。

(3)通過(guò)彈簧剛度試驗(yàn)裝置測(cè)得選用彈簧的剪切剛度約為95 000 N/m，并最終確定疊層篩需選用42個(gè)該型號(hào)剪切彈簧。