大型異線性振動篩的研究與應(yīng)用

付超魁，李 平

（河南平煤股份田莊選煤廠，河南 平頂山 467013）

異線性振動篩是應(yīng)用非線性振動原理，工作在共振點之前的共振區(qū)內(nèi)，而一般直線篩是利用線性振動原理，工作在共振區(qū)之后的區(qū)間。異線性振動篩與其他振動篩相比具有節(jié)能、工作平穩(wěn)、動反力小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。

一、異線性振動篩的原理

異線性振動篩是在接近共振條件下工作的。異線性振動篩所以能在共振區(qū)附近工作，是因為采用了非線性彈簧，使彈性系統(tǒng)的振動，從線性振動變?yōu)榉蔷€性振動。根據(jù)機械振動學(xué)的理論，在非線性振動系統(tǒng)中，篩分機的自振頻率不是定值，它隨篩分機振幅的變化而改變，同時，非線性振動可使篩分在振區(qū)附近工作時的振幅變得穩(wěn)定。圖1為非線性振動篩分機的振幅與頻率特征曲線，亦稱非線性振動曲線。從圖1可知，在非線性振動條件下，異性振動篩能夠得到較為平穩(wěn)的振幅。

異線性振動篩是利用連桿上裝有彈簧的曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動，其構(gòu)造及工作原理見圖2所示。當(dāng)電動機帶動裝置在下機體上的偏心軸轉(zhuǎn)動時，偏心軸使連桿作往復(fù)運動。連桿通過其端的彈簧將作用力傳給篩箱，與此同時下機體也受到相反的作用力，使篩箱和下機體沿著傾斜方向振動。篩箱、彈簧及下機體組成一個雙質(zhì)量的彈性系統(tǒng)，該彈性系統(tǒng)固有的自振頻率與傳動裝置的強迫振動率接近或相同時，使篩子在共振狀態(tài)下沿著一定的方向角作往復(fù)直線運動，物料便沿著篩面進(jìn)行篩分和脫水。異線性振動篩的工作過程就是系統(tǒng)內(nèi)的動能和勢能相互轉(zhuǎn)化的一個過程。當(dāng)篩子和機架的運動速度和動能達(dá)到最大值時，主振彈簧的壓縮量和勢能則減到最小值；當(dāng)篩子和機架的運動速度和動能等于零時，主振彈簧的壓縮量和勢能則達(dá)到最大值，如此反復(fù)變化，使篩子獲得連續(xù)振動。篩子在每次振動中只需補充少量的克服阻尼所需的能量就足夠了，所以異線性振動篩的動力消耗比其他類型的篩子要低的多，且噪聲小，相對傳給基礎(chǔ)的振力也小。

二、大型異線性振動篩的發(fā)展歷程

異線性振動篩具有處理能力大、篩分效率高、耗電少、結(jié)構(gòu)緊湊、能耗小、噪聲低等優(yōu)點。田莊選煤廠大型異線性振動篩是在共振篩（尤其是30m2共振篩） 不斷應(yīng)用、不斷提高的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。共振篩在我國20世紀(jì)60至70年代得到了較多應(yīng)用，但由于當(dāng)時研究水平的局限性，以及一些材料和生產(chǎn)條件的限制，特別是彈性系統(tǒng)的設(shè)計、制造工藝和質(zhì)量水平等發(fā)展較為緩慢，阻滯了共振篩的進(jìn)一步發(fā)展。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計算機在工業(yè)設(shè)計中的廣泛應(yīng)用、非線性振動理論的研究發(fā)展、一些新材料和新工藝的使用以及環(huán)保對噪聲的關(guān)注，新一代的高效低能耗的大型異線性振動篩將引起人們的再次重視，并將得到新的推廣和發(fā)展。同時，目前進(jìn)口大型直線振動篩存在造價高、備配件昂貴、能耗高故障多的問題，國產(chǎn)大型直線振動篩（尤其18m2以上直線振動篩） 在設(shè)計制造上仍存在諸多缺陷，故障率較高，這些也為大型異線性振動篩發(fā)展提供了契機。

平煤股份田莊選煤廠于1970年由我國自行設(shè)計建成投產(chǎn)，設(shè)計處理能力370萬t/年。建廠初期絕大部分篩分設(shè)備采用共振篩，直到20世紀(jì)90年代，15m2和30m2共振篩一直都是主要生產(chǎn)設(shè)備之一。由于前面提及的一些原因，這些共振篩也是問題較多的設(shè)備，由于生產(chǎn)需要，廠里被迫采用多種篩分機械替代，如蘇式篩、ZK系列直線篩等，但均不理想。田莊選煤廠幾十年來堅持不懈對30m2共振篩進(jìn)行研究攻關(guān)，不斷完善，基本滿足原煤分級要求，但對于脫介及單位處理能力上仍亟待提高。

通過30m2共振篩在田莊選煤廠長期的生產(chǎn)、維護和應(yīng)用，為大型異線性振動篩發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗。筆者認(rèn)為影響異線性振動篩發(fā)展的制約因素主要有以下幾個方面。

（1）彈性系統(tǒng)問題。異線性振動篩對彈性系統(tǒng)要求較高，這基本成為制約異線性振動篩發(fā)展的主要因素。彈性系統(tǒng)性能、結(jié)構(gòu)有待于進(jìn)一步優(yōu)化提高；彈性元件使用量大、要求高，由于制造存在不同差異，給設(shè)備調(diào)試、維護工作帶來困難；另外由于市場需求不大，相應(yīng)科研機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)對這方面的研究和投入不多，也影響進(jìn)一步發(fā)展。

（2）對調(diào)試、維護人員要求高。與直線振動篩相比，異線性振動篩彈性系統(tǒng)有一定調(diào)整難度，對維護人員要求較高。以30m2共振篩調(diào)整為例，需要進(jìn)行以下幾個方面的工作：①連桿彈簧調(diào)整。如調(diào)整不正確會造成啟動異常、篩分效果差等結(jié)果；②線性主振彈簧的調(diào)整。如調(diào)整不正確會造成啟動力矩異常、物料走料異常、彈簧和篩框壽命縮短等后果；③篩箱兩側(cè)非線性彈簧間隙的調(diào)整。如調(diào)整不正確會造成振幅超限、支撐板簧折斷或篩分效率差等后果。

（3） 篩子設(shè)計、加工制造、使用中存在的一些問題。如：篩子梁斷、板簧螺栓斷、后篩箱易斷裂、出料舌頭易斷裂、主振彈簧彈性差易老化等。

三、大型雙層異線性振動篩在田莊選煤廠的創(chuàng)新及應(yīng)用

1.田莊選煤廠32m2雙層異線性振動篩的創(chuàng)新點

（1）應(yīng)用非線性動力學(xué)理論提出了大型篩分機械運動學(xué)與動力學(xué)參數(shù)的計算技術(shù),為設(shè)計高效節(jié)能異線性振動篩的工作點（振次和振幅）提供了設(shè)計方法。

（2）給出了大型非線性異線性振動篩組合參數(shù)（線性剛度、非線性剛度、碰振間隙、激勵頻率與幅值、導(dǎo)向剛度、支撐剛度等）的非線性優(yōu)化方法和相應(yīng)技術(shù)。

（3）提出了新的大型非線性異線性振動篩的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整技術(shù)，包括異線性振動篩支撐簧安裝技術(shù)、上下篩體的質(zhì)心和導(dǎo)向板簧調(diào)整技術(shù)、串聯(lián)橡膠線性簧的安裝調(diào)整技術(shù)和非線性碰振簧安裝調(diào)整技術(shù)；改進(jìn)安裝和調(diào)試技術(shù)，如篩體質(zhì)心調(diào)整、各彈性元件安裝方法等，解決了彈性系統(tǒng)元件多，調(diào)整難等問題。

（4）通過簡化模型和非線動力學(xué)理論分析，將理論分析、數(shù)值計算與現(xiàn)場測試相結(jié)合，找到了理想的工作點（振幅，振次）時系統(tǒng)最佳動力學(xué)參數(shù)的設(shè)計方法。并通過試驗結(jié)果對有限元模型進(jìn)行了修正，研究了大型篩分機械的動態(tài)強度和剛度問題，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，并進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計加工。

32m2雙層異線性振動篩（2ZYS4375型） 是目前國內(nèi)最大的新型異線性振動篩。在對原30m2雙層共振篩的計算分析和實驗研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了“三優(yōu)”設(shè)計（包括彈性系統(tǒng)的非線性動力學(xué)參數(shù)設(shè)計、動強度優(yōu)化設(shè)計和剛度優(yōu)化設(shè)計）。通過對32m2雙層異線性振動篩的“三優(yōu)”設(shè)計，給出了結(jié)構(gòu)動應(yīng)力分布規(guī)律和模態(tài)頻率分布規(guī)律，通過動力學(xué)參數(shù)優(yōu)化，最終確定了該異線性振動篩的最佳工作參數(shù)，為設(shè)計制造提供了理論支持。

2.異線性振動篩安裝應(yīng)用

（1）安裝基礎(chǔ)底梁。首先清理基礎(chǔ)水平，安裝底梁，擰緊固定螺栓，并進(jìn)行水平找正。尤其是篩子的橫向水平，必須嚴(yán)格要求，其誤差不超過1/1 000mm。當(dāng)出現(xiàn)底梁與基礎(chǔ)有較大間隙和不水平時，可增加楔鐵，找正、緊固后，可與底梁焊接牢固。

（2）安裝支撐彈簧。按照圖紙要求再次校對各支撐彈簧間距，使間距嚴(yán)格對稱平行。支撐彈簧剛度應(yīng)調(diào)整基本一致，否則將引起篩相橫向擺動和基礎(chǔ)受力不均。

（3）安裝上下篩框，連接板彈簧。在連接固定板彈簧時，應(yīng)按順序?qū)ΨQ組裝，并使上下篩框保持平行一致。①上下篩箱上下對齊，中間距一致，上下篩箱支板彈簧座在一個平面上，上篩箱的主振彈簧座（方鋼座）的中心線必須與下篩箱觸頭座的中心線在一條直線上。②支撐彈簧垂直于篩箱，壓縮尺寸誤差為±1mm。

（4）安裝篩板。下篩箱使用的是扣槽式絕緣質(zhì)篩板，先把扣槽緊固在篩梁上，扣槽間距尺寸誤差0.05mm，下層篩板是用螺栓緊固，篩板下面要鋪一層橡膠板，δ＝10～12mm，防止篩板松，保護篩梁面。

（5）安裝主振彈簧，臨時擰上螺帽，調(diào)主振彈簧用2～3mm鋼板測量出各彈簧間的間隙，必須一致，如不一致可用開口墊片調(diào)整。最后調(diào)試運行后，再緊固好螺帽，并擰緊備帽防松。

（6）安裝電動機和偏心傳動裝置，連接彈性傳動連桿。裝傳動大軸時用鐵墊片把兩邊軸承座找平，緊固后大軸轉(zhuǎn)動應(yīng)靈活無磨損現(xiàn)象。偏心塊的中心線與上篩箱串簧座中心線的誤差±0.05mm。裝上連桿彈簧，戴上螺帽，預(yù)緊量試運行中調(diào)試好后，緊固好螺帽，并擰緊備帽防松。電動機與偏心軸上三角帶輪槽應(yīng)平行一致，其誤差不應(yīng)大于±1mm。

（7）試車。檢查篩箱各部位沒有碰、擦現(xiàn)象，即可以空載8h試車。試車時上下篩箱應(yīng)平穩(wěn)，各部振幅為12～14mm。如振幅有誤差，可調(diào)整主振彈簧間隙，即振幅小，間隙調(diào)大；反之，與其相反。空載試車后，檢查篩子各連接件、緊固件及彈性元件間隙是否正常，如正常，即可加載重負(fù)荷試車，重負(fù)荷連續(xù)運轉(zhuǎn)應(yīng)不少于24h，之后，即可投入正常使用。

田莊選煤廠32m2雙層異線性振動篩（2YZS4375型）2005年3月至2006年5月完成設(shè)計、制造、安裝工作，2006年6月進(jìn)入調(diào)試、試運行階段,并納入正常生產(chǎn)系統(tǒng)投入生產(chǎn)（設(shè)備位置編號315＃原煤分級篩），2YZS4375型篩主要技術(shù)指標(biāo)：篩面尺寸4 300mm×7 500mm，篩面面積32m2，雙層，頻率13.3Hz，振幅（雙）10～16mm，最大給料粒度300mm，處理量400t/h，總重量34.27t。經(jīng)過近4年的現(xiàn)場使用，性能基本滿足生產(chǎn)需要，存在問題主要有橡膠主振彈簧質(zhì)量不穩(wěn)(不同批次質(zhì)量有差異)，給維護帶來一定困難，亟待今后進(jìn)一步完善。

四、結(jié)束語

國內(nèi)最大的32m2異線性振動篩(2YZS4375型)的制造、安裝與應(yīng)用標(biāo)志著田莊選煤廠大型異線性振動篩的研究工作已步入一個新的高度，將對我國異線性振動篩領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)步起到積極的推動作用，為我國篩分機械的大型化、國產(chǎn)化提供新的發(fā)展思路，同時也為選煤廠篩分機械提供了新的選擇。

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