雙質(zhì)體臥式振動卸料離心機主振彈簧的研究

張雙江，石永超，董曉磊，闞曉平

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

雙質(zhì)體臥式振動卸料離心機主振彈簧的研究

張雙江，石永超，董曉磊，闞曉平

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

介紹了雙質(zhì)體臥式振動卸料離心機的振動原理，研究了WZYT1500雙質(zhì)體臥式振動卸料離心機彈簧性能，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了WZYT1600臥式振動卸料離心機彈簧，研究了剪切、正壓力、溫度、動剛度等因素對彈簧剛度的影響和變化規(guī)律。運用有限元技術(shù)對彈簧性能進行了分析，并對其進行單機和帶煤調(diào)試。研究結(jié)果表明，雙質(zhì)體臥式振動卸料離心機的彈簧設(shè)計方法可行，為此系列彈簧的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

雙質(zhì)體；振動；離心機；主振彈簧

雙質(zhì)體臥式振動卸料離心機是選煤廠處理0.5～50mm 煤炭脫水的關(guān)鍵設(shè)備[1-2]，由于其具有處理量大、入料上限大、易損件少、煤粉碎率低等諸多優(yōu)點，各國都在積極發(fā)展臥式振動卸料離心機[3]。臥式振動卸料離心機主振彈簧的性能直接決定離心機的工作性能[4]，為了開發(fā)處理量更大，性能更穩(wěn)定的臥式振動卸料離心機，有必要對臥式振動卸料離心機主振彈簧進行研究。

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

雙質(zhì)體臥式振動卸料離心機主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作時物料從入料管經(jīng)篩座進入到篩籃底部，在離心力作用下物料緊貼篩面，細顆粒及水通過物料層透過篩縫被甩到機殼內(nèi)壁，在機殼內(nèi)壁上匯集經(jīng)出水口排出機殼，物料則在振動力的作用下由小端向大端移動，最后從大端經(jīng)排料口卸出機殼，完成脫水過程。

1—底架；2—旋轉(zhuǎn)電機；3—皮帶輪；4—主振彈簧；5—振動電機；6—篩籃；7—入料管；8—排料口；9—出水口

2 振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

2.1 振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙質(zhì)體臥式振動卸料離心機采用亞共振原理[5]，以振動電機做激振源，激振結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為初級和二級振動體。初級振動體主要由外箱體、機殼組成，二級振動體主要由內(nèi)箱體、主軸、皮帶輪、軸承、篩籃等組成。

1—振動電機;2—外箱體;3—橡膠彈簧;4—內(nèi)箱體;5—主軸

2.2 振動原理

雙質(zhì)體振動是一種雙自由度的振動系統(tǒng)，系統(tǒng)中含有兩個質(zhì)體m1和m2，質(zhì)體m1和m2的阻尼分別為c1、c2，兩個彈簧剛度分別為k1、k2，聯(lián)接剛度與阻尼模型圖如圖3所示。質(zhì)體m1受到諧波激勵，產(chǎn)生較小的振動并通過k2傳遞給m2，m2獲得較大的振幅，即以較小的激振力獲得較大振幅，將能量進行有效的傳遞，此過程實際是系統(tǒng)振動的放大過程[6-7]。此系統(tǒng)是帶有阻尼的雙自由度受迫振動系統(tǒng)。

圖3 雙質(zhì)體受迫振動原理模型圖Fig.3 Model graph showing the principle of the double-mass forced vibration

圖4 振動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)曲線

3 彈簧試驗研究

以WZYT1500臥式振動離心機橡膠彈簧為模型，分別對其進行剪切、正壓力、溫度、動剛度等因素進行研究，探究影響彈簧剛度的因素及其變化規(guī)律，為彈簧系列化設(shè)計提供參考。橡膠彈簧構(gòu)件如圖5所示。

3.1 剪切試驗

從彈簧的不同部位切下三個相同尺寸的試件進行剪切試驗(試件尺寸：120 mm×40 mm×40 mm)，在無壓力情況下，采用恒位移加載的方式加載，加載時采用不同的速率對彈簧進行剪切方向施力，試件位移與載荷關(guān)系如圖6所示，從圖6可以看出：試件的剪切剛度隨著位移量的增加而增加，當(dāng)位移量增加到一定值(通常為變形量的20%左右)時，其剛度成指數(shù)形式增大。

圖5 雙質(zhì)體臥式振動卸料離心機主振彈簧

圖6 試件位移與載荷關(guān)系曲線

在有壓力情況下對橡膠彈簧進行剪切試驗，在剪切力垂直面上施加恒位移載荷，分別對其施加1、2、3 mm的位移量，其中彈簧位移和載荷關(guān)系曲線如圖7所示，即隨著壓縮量的增加彈簧的剪切剛度也增加。在壓縮量為1 mm時位移-載荷曲線出現(xiàn)了拐動，這是由于在1 mm壓縮量下，剪切力克服了彈簧與壓板之間的摩擦力，產(chǎn)生了滑移現(xiàn)象，因此彈簧壓縮量必須達到一定的預(yù)緊力才能保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。

圖7 不同壓縮量下的位移與載荷關(guān)系曲線

3.2 正壓力試驗

正壓力試驗檢驗彈簧在恒位移條件下，施加正壓力作用下的變化規(guī)律，試件1、試件2、試件3在正壓力作用下的位移與載荷曲線如圖8所示，從圖8中可以看出：在變形量小于20%時，曲線呈現(xiàn)線性變化，當(dāng)變形量大于20%時，曲線則呈指數(shù)形式增加。對于厚度相同面積不同的彈簧剛度測定時，取一試件4(尺寸：120 mm×80 mm×40 mm)與試件1進行恒位移加載試驗，單位面積位移與載荷關(guān)系如圖9所示，從圖9可知：相同厚度的彈簧，在相同壓縮量時，單位面積上的力增大即隨著面積的增加單位面積上壓縮剛度增加。

圖8 試件位移與載荷關(guān)系曲線

圖9 正壓力下單位面積位移與載荷關(guān)系曲線

3.3 溫度試驗

鑒于橡膠彈簧的工作溫度，分別對橡膠彈簧在15℃，25℃，30℃，35℃的情況下進行剛度測試，測試結(jié)果如表1所示，由表1可知：橡膠彈簧在以上溫度范圍內(nèi)的剛度變化很小，說明在試驗溫度范圍內(nèi)，彈簧的剛度變化不大，彈簧屬于正常工作。

表1 彈簧平均剛度數(shù)據(jù)

3.4 動剛度試驗

在常溫下對試件進行動剛度測試試驗。將其以沿著激振力方向為法線的兩個面進行固定，并在這個方向上進行激振，研究不同頻率下，不同激振力所獲得的振幅變化。通過處理試驗數(shù)據(jù)，獲取試件的動剛度。試驗中施加正弦位移載荷x(t)=Asin(wt)+x0，A為±0.2 mm。

對于不同頻率下試件的載荷與位移關(guān)系曲線如圖10所示。從圖10中可以看出：在同一頻率下隨著加載力的增大，動剛度值增加。在20%變形量的位置是動剛度線性與非線性的區(qū)分點。24 Hz處的動剛度值最小，這是因為在24 Hz處彈簧出現(xiàn)共振現(xiàn)象所致。

圖10 試件1的載荷與位移關(guān)系曲線

4 有限元分析

以試驗彈簧作為試驗研究對象，并建立了符合試驗彈簧的有限元模型，建模時采用非線性五參數(shù)Mooney-Rivlin模型建模[9-10]，模型圖如圖11所示。將實驗結(jié)果與有限元結(jié)果進行對比分析，對比曲線如圖12所示，經(jīng)計算得出均方根誤差為0.015%，即所建立的有限元模型是可行的。

圖11 橡膠彈簧試件的分析模型

圖12 試驗與模擬對比曲線

采用相似放大原理，依據(jù)橡膠彈簧試件五參數(shù)Mooney-Rivlin的模型，建立WZYT1600臥式振動卸料離心機彈簧參數(shù)，并進行了模擬分析。將WZYT1600振動電機激振力轉(zhuǎn)化到橡膠彈簧有限元模型上進行模擬分析，結(jié)果表明最大位移為6.5mm，完全滿足臥振實際工況的需要。

5 整機測試

將設(shè)計完成的彈簧應(yīng)用到WZYT1600臥式振動卸料離心機，并進行單機和帶煤調(diào)試，檢測彈簧是否滿足設(shè)計需要。具體測試如下：

5.1 單機調(diào)試

在整機測試過程中主要測試如下參數(shù)：

(1)機殼軸向振幅。設(shè)計要求0～1.5 mm，實測 0.2 mm。

(2)機殼橫向振幅。設(shè)計要求≤0.5m，實測0.2 mm。

(3)篩籃振幅。設(shè)計要求2～6 mm，實測2.8～5.6 mm。

(4)篩籃頻率。24.3(1±2.5%)Hz，實測24.8 Hz。

(5)噪聲。標(biāo)準(zhǔn)要求≤85 dB(A)，實測75 dB(A)。

5.2 帶煤調(diào)試

對現(xiàn)場整機帶煤運轉(zhuǎn)過程中進行整機測試，主要測試如下參數(shù)：

(1)機殼軸向振幅。設(shè)計要求0～1.5 mm，實測0.3 mm。

(2)機殼橫向振幅。設(shè)計要求≤0.5 mm，實測0.2 mm。

(3)篩籃振幅。設(shè)計要求2～6 mm，實測3.2 mm。

(4)篩籃頻率：24.3(1±2.5%) Hz，實測24.5 Hz。

(5)噪聲。標(biāo)準(zhǔn)要求≤85 dB(A)，實測 78 dB(A)。

根據(jù)測試結(jié)果可以看出，所設(shè)計的彈簧完全符合整機性能要求。

6 結(jié)論

以WZYT1500臥式振動離心機橡膠彈簧為模型，并在此基礎(chǔ)上分析了主振彈簧剪切、正壓力、溫度、動剛度等因素對彈簧剛度影響，得出如下結(jié)論：

(1)橡膠彈簧的非線性剛度是呈指數(shù)冪增長，不同的加載速度、不同的壓縮量及不同的彈簧面積對橡膠彈簧剛度有比較大的影響。

(2)彈簧需要有足夠的預(yù)緊力，才能保證橡膠彈簧正常工作。

(3)對比試驗和有限元分析結(jié)果表明：在誤差允許范圍內(nèi)，運用五參數(shù)Mooney-Rivlin模型，確定了WZYT1600臥式振動卸料離心機橡膠彈簧的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，試驗方法可行，同時為系列化彈簧的優(yōu)化提供依據(jù)。

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A study on the primary vibration spring of the double-mass horizontal vibrational discharge centrifuge

ZHANG Shuang-jiang, SHI Yong-chao, DONG Xiao-lei, KAN Xiao-ping

(Tangshan Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology & Engineering Group, Tangshan, Hebei 063012, China)

Following an introduction to the principle of vibration of the double-mass vibrational-discharge centrifuge , the paper goes to elaborate on the design of the springs for use on the WZYT 1500 horizontal vibrational-discharge centrifuge based on the study of the performance of the springs used on the WZYT 1500 version. The studies made involve the effects on rigidity of spring produced by such factors as shear, positive pressure, temperature and dynamic stiffness, and the laws of their variation. Finally, an analysis is made of the performance of the spring designed using finite-element method. As evidenced by test made with the spring on the WZYT 1600 double-mass horizontal vibrational-discharge centrifuge which runs either individually or under load-up condition, the method for the design of the spring for use on such a kind of centrifuge is feasible. This may provide the basis and direction for realizing optimum design of series springs.

double-mass; vibration; centrifuge; primary vibration spring

1001-3571(2016)06-0025-05

TD455+.5

A

2016-06-28

10.16447/j.cnki.cpt.2016.06.007

中煤科工集團有限公司科技創(chuàng)新基金青年基金項目(2014QN048)

張雙江(1983—)，男，浙江省金華市人，助理研究員，碩士，從事離心脫水設(shè)備的研究與開發(fā)工作。

E-mail：sjzhang83@163.com Tel：0315-7759410

張雙江，石永超，董曉磊，等. 雙質(zhì)體臥式振動卸料離心機主振彈簧的研究[J]. 選煤技術(shù)，2016(6)：25-29.