激振電機振動頻率與布置角度對振動螺旋分選機性能的影響

錢海軍

(中煤科工集團南京設計研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

研究開發和推廣應用干法選煤技術，對于為我國干旱缺水、冬季嚴寒的產煤地區以及其他不適合濕法洗選的煤炭提質具有重要作用；同時，這對提升我國煤炭質量，發展煤炭清潔技術，實現能源節約利用，防止環境污染等具有十分重要的意義[1-2]。目前，國內干法選煤技術應用比較成熟的主要有復合式干法分選技術和流化床重介質分選技術等[3]，但由于工藝結構較復雜，對入料水分要求嚴格等原因，流化床重介質分選技術并未得到較好的推廣[4-5]。現場實際應用發現，分選粒度下限較高是現階段工業應用的干法選煤技術存在的共性問題，其分選粒度下限一般在6～13 mm之間，導致很多細粒煤得不到有效分選。

針對目前我國干法選煤技術分選粒度下限較高的缺陷，選煤工作者設計出了一種新型干法分選機——振動螺旋分選機。為了提高振動螺旋分選機的性能，通過試驗樣機研究激振電機振動頻率與布置角度對設備分選效果和顆粒運動速度的影響。

1 試驗目的與試驗設備

1.1 試驗目的

試驗目的主要是考察激振電機頻率和布置角度對振動螺旋分選機分選效果和顆粒運動速度的影響規律，試驗在制作好的樣機上進行。在分選機正常工作后開始給料，待物料得到充分分選后停機取樣，初步分析設備分選結果；在物料分選過程中仔細觀察，并拍照、攝像、記錄試驗現象，結合試驗現象綜合分析設備分選效果和顆粒運動速度，尋找各因素對分選機性能影響的規律。

采樣點位于螺旋槽面的對稱位置(圖1中的Ⅰ、Ⅱ區域)，在不同分選條件下進行多次分選試驗，于每個采樣區域的外側區、中間區、內側區分別采取三個樣品；將各相同區段的樣品混合形成綜合樣品，對各綜合樣品分別計量、化驗，依據化驗結果和試驗現象綜合分析設備分選效果和顆粒運動速度。

圖1 螺旋槽面采樣點分布圖Fig.1 Distribution of the sampling point along the spiral trough surface

1.2 試驗設備

試驗的主要設備為振動螺旋分選機樣機(圖2)，其主要由支座、振動電機座、振動電機、振動平臺、螺旋床面、螺旋筒體等組成。振動電機是螺旋分選機的振動源，為分選機工作提供源動力；振動體和支座之間布置有橡膠彈簧，能夠有效減弱支座所承受的載荷及扭力[6-7]。

煤炭和矸石的混合物在振動螺旋分選機內運動時，其利用機械振動力實現不同密度物料的分選。該分選機的激振器不僅產生垂直方向的激振力，還產生圍繞垂直軸的激振力矩。物料在垂直方向力的作用下不斷向前運動，并在上下周期性的振動力作用下實現按密度分層；圍繞垂直軸的激振力矩使物料沿螺旋槽面運動，這部分物料同時產生徑向離心力，在離心力和重力等作用下物料按密度分布，從而實現矸石與精煤的分離[8]。

1—集塵罩；2—螺旋筒體；3—螺旋床面；4—振動平臺；5—振動電機；6—振動電機座；7—支座

2 物料來源與性質

從粒度組成來看，玉米和石子的粒度都較小，均在13 mm以下；從密度組成來分析，玉米的堆密度為0.77 t/m3，石子的堆密度為1.50 t/m3，精煤的堆密度在0.90 t/m3左右，矸石的堆密度在1.60 t/m3左右。由于玉米和石子的粒度組成、密度組成與精煤和矸石的相似，故以玉米代表煤炭中的精煤，以石子代表煤炭中的矸石，二者的混合物即為未分選的煤炭。

在試驗過程中，以玉米和石子的混合物替代煤炭作為試驗物料，主要是因為該試驗在設備加工廠中進行，試驗結果檢測條件有限；此外，考慮到玉米和石子較易分開，在便于直接觀察分選過程的同時有利于試驗結果的檢測。

3 試驗結果與分析

3.1 振動頻率對設備分選效果和顆粒運動速度的影響

3.1.1 振動頻率對設備分選效果的影響

激振電機的振動頻率主要影響該分選機的振動強度，研究激振電機相同布置角度時不同振動頻率對設備分選效果的影響，主要是研究設備不同振動強度時的分選規律，結果如圖3所示。

由圖3可知：隨著振動頻率的增大，外側區的輕產物含量先增大后減小，內側區的輕產物含量先減小后增大；在振動頻率為45 Hz時，外側區與內側區的輕產物含量分別達到最大值和最小值；也就是說，該分選機的分選效果先提高后降低，在振動頻率為45 Hz時分選效果最好。就試驗結果來看，Ⅰ區域與Ⅱ區域的試驗結果平行性很好。結合試驗現象發現，在振動頻率較高(50 Hz時)的條件下，排料口處的輕產物含量低于中間區，分選效果較差；在振動頻率較低(35 Hz時)的條件下，分選槽中間區和內側區的輕產物含量均較高，分選效果不理想。

圖3 振動頻率與各區的輕產物含量關系曲線

上述分選現象與設備振動強度存在如下關系：

(1)物料在床層上主要有滑移運動和拋擲運動兩種方式，其運動方式由振動強度決定。在振動強度較小時，物料在床層上處于靜止狀態，隨著振動強度的增大，其開始產生滑動位移[9](即作滑移運動)；此時，由于顆粒之間的間隙較小，且相互之間的相對位移很小，不能實現位置互換，不存在分層和分選作用。在振動強度增大到一定程度時，顆粒開始作拋擲運動，此時運動比較劇烈，顆粒相互之間的空隙逐漸增大；在振動力的周期性作用下，顆粒在按密度分層的同時在各種力的作用下沿著各自的軌跡運動，并開始發生位置轉移，進而實現分層和分選。在振動強度繼續增大時，顆粒的拋擲運動更加劇烈，此時床層處于“沸騰”狀態，即顆粒處于混亂狀態，其位置互換不再明顯，分層和分選過程遭到破壞。

(2)振動頻率為35 Hz時設備分選效果較差，這與振動強度不夠有關；由于振動強度較小，顆粒處于亞拋擲狀態，各顆粒之間的分層不明顯，床層介于運輸與分選的中間狀態。在振動頻率較高時，排料口處的輕產物含量低于中段區，這是因為在較高的振動強度下，外側區的低密度物(玉米)存在“返流”現象，導致中間區的低密度物(玉米)含量升高。在實際生產過程中，在提高振動強度的同時要防止物料“返流”，這也可能與試驗對象(玉米)的形狀特性有關。隨著振動頻率的增大，設備分選效果在達到峰值后下降，這說明隨著振動強度的增大，顆粒運動狀態由靜止轉為活躍再轉為混亂。在活躍運動狀態下，顆粒之間的位置互換較好；而靜止狀態、混亂狀態都不利于顆粒之間的位置互換。

3.1.2 振動頻率對顆粒運動速度的影響

振動頻率不僅影響設備分選效果，還影響顆粒運動速度。在一定試驗條件下，不同振動頻率時的顆粒運動速度曲線如圖4所示。

圖4 不同振動頻率時的顆粒運動速度曲線

由圖4可知：隨著振動頻率的增大，顆粒運動速度隨之增大，其在增加到一定水平后基本不再變化。顆粒運動速度的變化可分為三個階段，在振動頻率小于37 Hz時，其速度增長呈現出線性變化；此時，由于振動強度不足，顆粒在槽面上以滑移方式運動，其加速梯度沿同一方向增大。當振動頻率在37～40 Hz之間時，顆粒運動速度明顯增大，此階段是顆粒從滑移運動轉為拋擲運動的一個突變階段，速度變化梯度很明顯。在振動頻率大于40 Hz后，振動頻率對顆粒運動速度的影響不再明顯，其運動速度基本穩定在0.07 m/s左右，此時顆粒處于拋擲運動狀態。

3.2 布置角度對設備分選效果和顆粒運動速度的影響

3.2.1 布置角度對顆粒運動速度的影響

激振電機的布置角度也會影響槽面顆粒的運動速度，從理論上分析，水平扭力是槽面顆粒作螺旋運動的主要原因，也是直接原因[10]。布置角度越大，顆粒受到的水平切向力越大，其運動速度也越大，試驗中對顆粒運動速度的測定結果也驗證了這一觀點。從兩種布置角度的顆粒運動速度曲線(圖5)可以明顯觀察到，在振動頻率相同時，布置角度48°時的顆粒運動速度大于布置角度42°的顆粒運動速度。

圖5 不同布置角度時的顆粒運動速度曲線

3.2.2 布置角度對設備分選效果的影響

激振電機的布置角度也是影響分選機分選效果的因素，其直接影響垂直方向激振力的大小和水平方向激振扭力的大小，進而影響顆粒運動狀態和設備分選效果。在其他試驗條件相同的條件下，探索了激振電機在兩個布置角度(42°、48°)時的分選情況，不同布置角度時的輕產物含量柱狀圖如圖6所示。

由圖6可知：兩種布置角度時的設備分選效果相差不大，外側區的輕產物含量均在70%左右，中間區的輕產物含量均在18%左右，內側區的輕產物含量均在24%左右；對比各區的輕產物含量可以發現，內側區明顯高于中間區。

圖6 不同布置角度時的輕產物含量柱狀圖Fig.6 Content of lighter materials vs. motor arrangement angle

從理論方面分析，布置角度越小，顆粒在垂直方向上受到的激振力越大，分層效果越好，分選效果也越好。故布置角度42°時設備分選效果應該優于布置角度48°，這是因為小角度時設備的垂直振動強度更大。但設備分選效果與分選時間也有關，布置角度48°時顆粒垂直方向受力較小，物料分層較慢；而在分選時間充分的條件下，顆粒也能實現充分的分層和分選。顆粒分層效果決定分選效果，布置角度48°時顆粒受到的激振力更充分，物料分層效果更好，分選效果能夠得到保證。試驗樣品是在床面物料得到充分分選后停機采取的，所以兩種布置角度時的分選效果差別不大。

4 結論

通過研究振動頻率和布置角度對設備分選效果和顆粒運動速度的影響，可得出如下結論：

(1)隨著振動頻率的增大，該分選機的分選效果先提高后降低，在振動頻率為45 Hz時分選效果最好；隨著振動頻率的增大，顆粒運動速度隨之增大，其在增加到一定水平后基本不再變化。

(2)激振電機布置角度不同，設備分選效果相差不大，這與樣品采取狀態和時間有關；對于兩種不同的布置角度，顆粒運動速度明顯不同，布置角度越大，顆粒運動速度越大。

[1] 陳清如,駱振福. 干法選煤評述[J].選煤技術,2003(6)：34-38.

[2] 邢玉梅.對西部推廣干法選煤技術的幾點建議[J].中國煤炭.2005，31(9)：70.

[3] 石燕峰，盧連永，薛守軍，等.干法選煤技術的發展應用[J].選煤技術,2006(5): 39-42.

[4] 任尚錦，肖永莊.我國幾種風力干選機的開發與應用[J].煤炭加工與綜合利用.2004(5)：7-9.

[5] 楊玉芬，陳清如，黎 強.空氣重介質流化床分選技術分析[J].淮南工業學院學報:自然科學版，2002，22(1)：36-39.

[6] 劉極峰 ,楊小蘭 ,趙敬云，等. 螺旋垂直振動輸送干燥機的研究與設計[J].現代機械,1999(3): 49.

[7] 張永林.渦振螺旋干燥機內物料的運動[J].武漢工業學院學報, 1999(4)：9-12.

[8] 陳建中,隋占峰,沈麗娟. 振動螺旋干法分選機動力學分析與分選機理初探[J].礦山機械,2013，41(4)：90-94.

[9] 丁應生,佘開海.螺旋面斜向扭轉振動的傳動和物料運動分析[J].武漢工業學院學報, 2001(3):55-57.

[10] 張景德,王思悅,王執福. 扭擺振動的力學分析[J].山東工業大學學報，1993(2)：83-87.