XJM-KS60型浮選機的機械結構設計與應用

劉萬超

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

隨著采煤機械化程度的提高，原煤中煤泥含量越來越高，而浮選是目前煤泥分選的最有效方法。在眾多煤泥浮選設備中，以天地科技股份有限公司唐山分公司XJM-S系列浮選機的市場占有率最高。近年來，選煤廠大型化發展的趨勢[1，2]迫切需要選煤設備大型化。為此，天地科技股份有限公司唐山分公司研究人員通過采用模擬放大方法，在單槽容積為45 m3的基礎上，研制成功了XJM-KS60型浮選機，并在潞安集團司馬煤業選煤廠成功投入應用。

1 XJM-KS60型浮選機設計方法

采用模擬放大方法[3]設計了XJM-KS60型浮選機的關鍵技術參數。

1.1 設計結構參數

采用幾何相似準則來確定XJM-KS60浮選機主要結構參數：

(1)

式中：De為槽體當量圓面積直徑，m；D為葉輪直徑，m；V為槽體容積，m3；H為槽體深度，m；式中的幾個常數是XJM系列浮選機的經驗系數。

設定浮選機槽體容積V=60 m3時，由方程組(1)可計算得到：D=1.25 m，De=5.5 m，H=2.1 m。

XJM-KS60型浮選機浮選槽水平斷面采用圓形結構，故槽體內徑為De=5.5 m。

1.2 動力參數設計

采用運動相似和動力相似準則[4]來確定XJM-KS60型浮選機的動力參數:

(2)

式中: 常數為XJM系列浮選機的經驗系數；U2為葉輪圓周線速度，m/s；NQa為氣流數，無因次；Qa為充氣量，m3/s；Np為功率因數，無因次；N為葉輪轉速，r/s；P為攪拌功率，kW；ρ為礦漿的密度，103kg/m3。

將式(1)結構參數值帶入式(2)，可以得到：N=U2/(πD)=2.46 r/s(即147 r/min)；Qa=0.07×ND3=0.336 m3/s；P=1.70×(ρN3D5)=77.23 kW。

計算得單位面積充氣速率qa=4Qa/(πD2e)×60=0.85 m3/(m2·min)。

將以上參數計算結果匯總，可以得到表1所示的XJM-KS60型浮選機關鍵技術參數。

表1 XJM-KS60型浮選機關鍵技術參數

2 XJM-KS60型浮選機機械結構設計

XJM-KS60型浮選機主要由礦化器、驅動裝置、攪拌機構、槽體、尾礦箱、假底穩流板、刮泡機構、走臺等組成[5]，其常規配置是4個槽體，為了清晰表達，將尾礦箱和礦化器布置在同一槽體內，見圖1。

1—礦化器；2—驅動裝置；3—攪拌機構；4—槽體；5—尾礦箱；6—假底穩流板；7—刮泡機構；8—走臺

2.1 礦化器結構設計

礦化器由壓力室、混合室、噴射器、藥劑霧化器、壓力表等組成，其中壓力室和混合室由螺栓相連接，見圖2。在工作過程中，礦漿以0.08～0.15 MPa的壓力給到礦化器的壓力室，在均勻分布的礦化噴嘴噴出形成射流產生“文丘里管”效應[6]，在噴嘴附近形成一定的真空度，將藥劑和空氣從吸入管吸入，并在吸入管中霧化，然后隨同高速礦漿一同進入喉管；在喉管內，空氣、霧化藥劑和礦漿通過礦漿流的相互撞擊來傳遞能量并混合，在混合過程中產生大量紊態渦流，強渦流使空氣、霧化藥劑和礦漿充分混合，從而實現精煤顆粒的預礦化，之后預礦化礦漿直接由入料管進入浮選機分選。

1—壓力室；2—入料口；3—噴嘴；4—混合室；5—大錐板；6—霧化器；7—大錐管；8—法蘭

2.2 驅動裝置結構設計

驅動裝置(圖3)主要由電機、小皮帶輪、調整螺栓、電機座、皮帶輪罩、大皮帶輪、三角皮帶等組成。考慮到使用、運輸、現場安裝檢修的方便，電機安裝形式選用V1[7]，電機座采用具有調節皮帶松緊功能的結構。

1—電機；2—小皮帶輪；3—調整螺栓；4—電機座；5—皮帶輪罩；6—大皮帶輪；7—三角皮帶

2.3 槽體的結構設計

XJM-KS60型浮選機槽體為圓形，由Q235鋼板彎制，采用內置式精礦溜槽。其槽體主要由筒體、小溜槽、大溜槽、放礦口、減速機座板、精礦出料口等組成，如圖4所示。為了解決圓柱形槽體浮選機強行刮泡的難題，在槽體中間增設兩個溜槽，呈“一”字形分布，省去了方形浮選機兩側的溜槽，溜槽兩側增設刮泡機構，共用中間的溜槽，并在槽體筒壁上增設精礦出口法蘭，現場只需用管道將精礦出口和精礦池連接即可。

1—槽體；2—小溜槽；3—大溜槽；4—放礦口；5—減速機座板；6—精礦出料口

2.4 攪拌機構結構設計

攪拌機構由皮帶輪、攪拌軸承座、吸氣管、套管架體、軸、上調節環、鐘形罩、葉輪、定子、定子蓋板、特殊螺母等組成[8]，見圖5。

1—大皮帶輪；2—軸承座；3—吸氣管；4—加藥管；5—套管架體；6—軸；7—鐘形罩；8—上調節環；9—定子蓋板；10—葉輪；11—特殊螺母；12—定子

攪拌機構的核心部件是葉輪、定子組。XJM-KS60型浮選機采用分體式葉輪定子結構，這也是本浮選機設計的一大亮點，可為浮選機的制作、運輸、安裝及檢修帶來很大的方便。葉輪為傘形結構，分上、下兩層葉片，并通過和有導流功能的特殊螺母組合安裝，將葉輪腔體分成吸氣室和吸漿室；定子蓋板也呈傘形結構，傘形面上設有20個礦漿循環孔，葉輪與定子蓋板的軸向間隙為10±2 mm，可通過增減軸承座與套管架體之間的墊片來調整間隙；定子周邊設有均勻分布的與徑向成60°角的20塊導向葉片，起到均勻導流和穩流作用，葉輪與定子的徑向間隙也為10±2 mm。

此外，上調節環是由兩個半環構成，便于安裝和調換，它的作用是調節葉輪上腔體的循環量和充氣量；鐘形罩呈“喇叭口”狀，作用是將空氣導入葉輪上腔體的負壓區；吸氣管安裝在套管架體上，起吸入空氣的作用，調節風片用于調節吸氣量；加藥管安裝在套管架體上，并和吸氣管左右分布，用于點式加藥。

2.5 刮泡機構的結構設計

刮泡機構用于刮取精煤泡沫，在槽體上部內置溜槽兩側對稱安裝。刮泡機構由減速機、聯軸器、刮板、十字卡板、刮泡軸、軸承座等組成(圖6)。刮板由減速機驅動，靠卡板與軸連接，兩套刮泡機構轉向相反，同時將精煤泡沫刮入內置溜槽。XJM-KS60型浮選機刮泡軸未設軸間聯軸器，結構緊湊，運轉可靠，不存在傳統浮選機刮泡軸同心度不好的問題。

1—減速機；2—聯軸器；3—刮板；4—十字卡板；5—刮泡軸；6—軸承座

2.6 假底穩流板結構設計

假底穩流裝板(圖7)的結構組成為：在距槽底上面一定高處安裝一假底鋼板，假底鋼板四周與槽壁有一定距離。在假底上焊有20塊具一定彎曲弧度的導流板，并與定子的20塊導向葉片相對應[9]，起到延長導流距離的作用；在導向板對應葉輪出料高度增焊耐磨板；為了防止導向板根部焊接點長時間沖刷而失去導流功能，增加3道閉環加強筋。此外，還設有錐形吸漿管，布置在假底鋼板中心和葉輪下吸口大小相配套，用來吸入假底下面的礦漿。與以往傳統的直筒型吸漿管相比，采用錐形吸漿管能減弱礦漿在真底正中形成的“漩渦”效應。

1—假底鋼板；2—導向板；3—加強筋；4—吸漿管；5—耐磨鋼板

2.7 尾礦箱結構設計

浮選機尾礦箱上裝有液位調節裝置，通過調節尾礦閘板的升降高度來控制浮選機槽內液位[5]。XJM-KS60型浮選機采用絲杠升降機(圖8)來提升尾礦閘板，并通過技術改造，為絲杠升降機配備了就地控制箱，固定在升降機體上。此方式提升閘板的優點是：升降機機構外形尺寸小，提升力大，穩定可靠，操作方便，既可電動也可手動，既可就地控制，也能納入全廠集控。

1—電機；2—蝸輪蝸桿變速箱；3—齒輪減速箱；4—電控箱；5—手輪

尾礦閘板采用新型迂回式閘板(圖9)，這種設計不僅擺脫了浮選機槽體寬度的限制，還較大程度地延長了過流長度，從而降低了閘板處過流斷面高度，使得礦漿平穩溢流，降低了尾礦對箱體的沖擊，延長了尾礦箱的使用壽命。

1—閘板鋼板； 2—溢流槽；3—連接板

3 槽底的有限元分析

傳統的XJM系列方槽浮選機槽底采用8～10 mm厚的鋼板網格狀布置雙面斷續焊，四角有座板；XJM-KS60型浮選機槽底為圓形，在改用輻射狀網格的前提下，增加座板數量至16塊，為了校核槽底的強度，進行了有限元分析，其等效應力云圖如圖10所示，位移矢量和圖如圖11所示。

圖10 等效應力云圖

圖11 位移矢量和圖

應力計算結果：σmax=91.90 MPa<[σ]，滿足強度要求[10]。由圖11可知，最大位移矢量和為0.440 mm，位移量遠遠低于設計許可的5 mm，說明結構剛度較好。

4 產品檢驗與清水性能試驗

XJM-KS60型浮選機樣機試制并安裝后，委托國家選煤機械質量監督檢驗中心在現場進行了產品檢驗和清水試驗。檢驗方法符合國家標準GB/T3686.2—1999《煤用浮選機清水試驗方法》及相關文件的規定。XJM-KS60型浮選機質量檢驗與清水試驗主要數據如表2所示。

表2 XJM-KS60型浮選機質量檢驗和清水試驗結果

此外，該機外觀無缺陷，槽體密封沒有滲漏現象，其他各項參數均符合設計要求。

5 工業應用

潞安礦業集團公司司馬選煤廠是一座設計能力為2.00 Mt/a的礦井型選煤廠，后通過整改和優化，具備3.00 Mt/a的生產潛力，入選煤種為瘦煤、貧瘦煤，在煤泥浮選工藝環節，該廠原配置4臺WPF-5000型微泡浮選機。生產實踐表明，該微泡浮選機對>0.3 mm粒級較粗煤粒浮選效果不佳，其最佳浮選粒度上限為0.3 mm，并且當入料濃度較高(>100 g/L)時，浮選效果較差，僅在入料濃度在80 g/L左右時，才能較好地進行浮選作業。

為此，在不改變司馬選煤廠原浮選車間土建和生產的基礎上，采用四臺XJM-KS60型浮選機對四臺微泡浮選機進行了替換改造。四臺XJM-KS60型浮選機采用 “2+2”組合方式布置，即2臺為一組，可以2組并聯使用，也可4臺串聯成一組使用，綜合礦漿處理能力為1 500 m3/h。

2012年10月，四臺XJM-KS60型浮選機在司馬選煤廠安裝調試成功。由表3的數據對比可知，XJM-KS60型浮選機投產后，礦漿處理能力達1 500 m3/h，在入料灰分增加1.74個百分點的情況下，精煤灰分為9.34%(僅提高了0.98個百分點，但可滿足精煤灰分<9.5%的要求)，精煤產率和尾煤灰分大幅提高，精煤產率提高了36.69個百分點，尾煤灰分增加25.02個百分點，浮選完善指標提高了20.36個百分點。

表3 原微泡浮選機與XJM-KS60型浮選機分選指標對比Table 3 Comparison of the performances of the micro-bubble type flotation cell originally usedand the XJM-KS 60 flotation cell %

此外，XJM-KS60型浮選機在節約用電方面成效也很顯著：改造后浮選系統(含浮選入料泵)裝機功率為707.60 kW，比原來的1 883 kW減少1 175.40 kW，裝機功率降低62.42%，每年可節約用電約370.25萬kW·h，每度電價按0.5元計算，那么每年可節省電費185.13萬元，經濟效益相當可觀。

[1] 程宏志，張孝鈞，石 煥，等. XJM-(K)S系列浮選機研究現狀與展望[J].選煤技術，2008(8)：122.

[2] 葉大武.2006年中國選煤和煤炭質量概況[J].選煤技術,2007(4):1-4.

[3] 程宏志.機械攪拌式浮選機充氣機理的探討[J].選煤技術,1993(增刊)：164-171.

[4] 程宏志.機械攪拌式浮選機相似轉換原理[J].煤炭學報,2000,25(Sup)：182-185.

[5] 劉萬超.XJM-S28浮選機的設計[J].選煤技術,2010(4):4-6.

[6] 程宏志.張孝鈞，石 煥,等.XJM-KS20大型浮選機的研究[J].選煤技術，2006(5):20-22.

[7] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊(新版)[M].北京:機械工業出版社，2004:4-36.

[8] 史英祥.XJM-S45型浮選機的研制與工業應用[J]. 選煤技術，2013(2):1-4.

[9] 史英祥.XJM-S28浮選機的工業應用[J].選煤技術，2011(1):23-26.

[10] 李紅旗. XJM-S60浮選機槽底有限元分析及優化[J].選煤技術，2014(2):23-26.