新型高效三軸橢圓振動篩分設備

秦雙迎

(福建南方路面機械有限公司,福建泉州 362021)

新型高效三軸橢圓振動篩分設備

秦雙迎

(福建南方路面機械有限公司,福建泉州 362021)

對透篩理論以及橢圓篩分理論進行了研究與分析,介紹了STK系列三軸橢圓篩,闡述了其篩分物料適應能力強、設計橢圓沖程大(16～19 mm可調)、頻率(725～850 rpm)及振動方向角度(30°～60°)可調等優點,兼有圓振篩和直線篩的特點.通過試驗驗證,三軸橢圓篩分設備具有結構緊湊、處理量大、生產效率高、功耗小等突出優勢,適用于篩分機制砂這種難篩分的物料,可有效解決傳統的制砂篩分難題.

三軸橢圓篩;篩分效率;頻率;機制砂

0 引 言

經過幾十年的發展,中國建筑用砂資源在逐步減少,機制砂的需求量越來越大,但目前機制砂設備、技術落后,機制砂產品針片狀多、含粉量高,現有的篩分技術極易發生篩網堵塞,篩分精度低,產能低下[1-4],造成制砂過程中資源、能源消耗大.

通過市場調研發現,國內機制砂篩分通常采用直線以及圓振動篩[5],存在篩分產量較小、能耗大、不同物料篩分適應性差、易堵篩等缺點.為了推動國內制砂篩分技術的發展,筆者所在公司與海西裝備所合作開發一種新型高效的三軸橢圓篩分設備,既符合中國節能減排的政策要求,對篩分技術的發展也具有重要意義.

高效三軸橢圓篩為國際上先進的篩分成套裝備產品[6],能根據不同物料特性調整工作參數,達到最優篩分狀態.該技術推廣應用到其他類型篩分裝備中,可以提高產量、降低能耗,延長使用壽命[7].

1 振動篩及顆粒運動模型

1．1 機制砂振動篩分設備

篩分作業是目前應用最廣泛和最有效的將物料按粒度分類的方法,中國的制砂篩分通常采用直線振動篩或圓振動篩[8].

直線振動篩具有能耗低、效率高、結構簡單等特點[9],且容易密封,環保性好,但用在制砂場合時,由于成品砂含粉量大(通常0.15 mm粒徑以下的占比不小于15%),在原料含水率高于1%時,篩網容易堵塞,從而導致篩分效率急劇下降,篩分效果不理想.圓振篩以圓形軌跡的篩分動作推動物料通過篩網[10]實現篩分,其采購、運行成本相對較低,具有篩網不容易堵塞的特點;但用于制砂時容易導致粉塵飛揚,環保性能差.圓振動篩正常工作時傾角一般在20°以上,這也會導致篩體布置高度較高,不利于設備實現緊湊布置.無論直線篩或圓振動篩,其結構型式、軌跡參數以及振動頻率的調整范圍均較小,難以適應不同物料的篩分[11].下面以直線振動篩為例,對篩分透篩理論作簡單介紹.

1．2 直線振動篩透篩理論

篩面上的物料是由大小不同的顆粒組成的群體,當篩面處于運動狀態時,所有顆粒都受到篩面運動的影響,但是直接與篩面接觸的是粒群中最下面的那部分顆粒.由于眾多顆粒雜亂無章地聚在篩面上,它們既能單獨運動,又相互干擾,加之顆粒形狀各異以及存在一定水分,所以物料在篩面上的運動狀態十分復雜.

為了尋找篩分機工作參數與物料在篩面上運動狀態的關系,可將物料在篩面上的復雜運動簡化成1個顆粒在篩面上的運動.直線振動篩的篩面沿振動方向作簡諧振動(圖1),篩面的位移方程式為S＝A sin(ωt) (1)式中:S為篩面的位移;A為振幅;ω為振動的角頻率;t為振動時間.

圖1 篩粒在篩面上的受力分析

篩面運動的位移、速度、加速度在x方向(平行于篩面)和y方向(垂直于篩面)的分量為

式中:Sx、Sy為篩面在x和y方向的位移;β為振動方向角,稱拋射角,即顆粒的瞬間運動方向與篩面的夾角;vx、vy分別為篩面在x和y方向的運動速度; ax、ay分別為篩面在x和y方向的加速度.

物料在篩面上的運動主要取決于篩的振幅A和振動頻率ω.當篩面以不同的頻率和振幅作連續振動時,篩面上的顆粒可能出現相對靜止、正向滑動、反向滑動和跳動等不同的運動狀態.在振動篩工作時,為了獲取較好的篩分效率和生產率,一般采用較大的振動頻率使物料呈現跳動狀態.

顆粒跳離篩面的臨界條件是:顆粒對篩面的法向力為0,即

式中:Kv為拋料系數,表明物料跳動的急劇程度;φ為物料開始跳動的初始相位角;K為振動強度;a0為篩面傾角;g為重力加速度;m為物料質量.

圖2為篩面傾角a0、振動方向角β和Kv的關系曲線(其中振幅A取4 mm,ω取16π,g取9.8 m·s－2).

圖2 拋料系數曲線

直線振動篩上顆粒跳動的終止角φd是指顆粒跳動1次后,落回到篩面上所產生的諧激振角.

式中:δ為跳動角.

由式(2)～(4)可知:當Kv＞1時,顆粒能被篩面拋起,即顆粒出現跳動的運動狀態;當Kv＜1時,φ無解,顆粒不能被篩面拋起;若Kv＝1,φ＝90°.

但也不是Kv＞1的任何值都比較好,理想的條件是充分發揮篩分機的工作效率,即顆粒跳動1次的時間不超過篩面振動1次的時間[12].因此將跳動角δ＝2π代入式(6),可以得17°40′.將φd＝17°40′代入式(2)～(4)可以得到Kv＝3.3.

因此當拋料指數Kv＝3.3時,篩面的1個振動周期正好等于物料的1個跳動周期,此時物料與篩面接觸的時間最短,對減輕篩面的磨損是有利的[13].為了獲得較好的篩分效率,最好使物料顆粒在篩機的每一個振動周期都能和篩面接觸,所以在一般情況下,選取Kv＜3.3.拋料指數的選取還與被篩物料的性質有關:對于易篩物料,Kv取2～2.5;對于中等顆粒的物料,Kv取2.5～3;對于難篩物料,Kv取3～5.

2 三軸橢圓篩

2．1 國內外三軸橢圓篩技術

從研究動向上看,國外的振動篩分機研究主要是致力于現有篩分機械的運動分析和結構調整,探求合理的結構型式、動力配置和動力學參數,以便進一步推動篩分機械的應用;通常采用三軸塊偏心激振器為激振源,齒輪強制同步,以金屬彈簧或橡膠支撐彈簧為彈性元件,橢圓長軸振幅大,結構緊湊、穩定,能耗低,如圖3所示.目前國內主要的橢圓篩生產廠家有鞍山重工、南昌礦機、中冶等[14].其中,鞍山重工的雙軸橢圓篩適用于煤炭及冶金等大、中粒度的篩分;南昌礦機采用的是自同步TSK系列三軸橢圓篩,動力源由6套NJ激振器組成,水平安裝,適用于大、中、小物料篩分,如圖4所示.

圖3 杰弗朗TTH系列橢圓篩

2．2 STK系類高效三軸橢圓篩振動

圖5為福建南方路面機械有限公司開發的STK系類高效三軸橢圓篩.該橢圓篩動力由電機經皮帶傳遞至主動軸,再經過同步齒輪傳動,保持一個穩定的相位差角,從而產生激振力,使篩箱作強制連續的橢圓運動.

圖4 南昌礦機TSK系列橢圓篩

圖5 STK系列新型高效橢圓篩結構

2．2．1 三軸激振結構

三軸橢圓篩最核心的設計就是篩箱中心的三軸激振結構(圖6).該結構以三軸塊偏心激振器為激振源,2根軸同向運動,另外1根軸反向運動.在1個周期內3根軸有2次方向一致,此時的激振力最大.當處于另外的2個位置時,2根軸的激振力會相互抵消,只有1根軸提供激振力.這種結構最突出的優勢就是改善了篩框的受力狀態,減輕了單個軸承的負荷,使側板受力均勻,提高了篩機的可靠性和壽命.

圖6 三軸激振結構

2．2．2 橢圓方向角和沖程的調整

三軸橢圓篩偏心塊通過齒輪強制同步,3個偏心塊的結構一致,因此三軸的偏心塊質量以及偏心半徑是一致的,主動軸以及從動一軸偏心塊存在一個穩定的相位角,和從動二軸方向角也一致[15].從圖7可以看出,通過調整多定位螺栓孔位,可以調整相位角30°～60°,每個孔位的增量為5°,通常設置角度是45°.

圖7 橢圓方向角調整

由于配重采用圓柱形結構并通過螺栓固定于軸承座上,因此沖程可以通過增加或者移除配重進行調整,安裝或拆除便捷可靠,且不會影響篩分機振動方向角,如圖8所示.

圖8 橢圓沖程調整

2．2．3 頻率的調整

一般說來,粗、細物料篩分所需要的振幅及振動頻率是不一樣的[16],粗物料的篩分需要較大的振幅、較小的頻率和振動方向角,而細物料則需要較高的頻率、較低的振幅、較大的振動方向角[17].如圖9所示,為了達到物料適應性,使頻率調整便捷,水平篩主動輪采用位置可調皮帶輪,通過改變其直徑實現頻率的調整.

圖9 振動頻率調整

2．3 橢圓篩分理論研究

STK系類高效三軸橢圓篩的工作原理如圖10所示.

圖10 三軸橢圓篩振動原理

假設三軸橢圓篩的激振偏心塊的偏心質量為m1,偏心半徑為r,篩箱的總質量為M,主動軸超前從動軸1個相位角為Δ,則有主動軸方向角Φ1＝πωt－Δ,Φ2＝ωt;將3個偏心質量產生的激振力F1、F2、F3,按照x、y軸方向分解,可以得到Fx、Fy

通過化解,F3用F1替代,可以得到

由以上的力學模型得到篩箱體的振動微分方程為(由于振動篩情況下阻尼一般很小,因此忽略阻尼系數)

式中:Kx為x方向的剛度系數;Ky為y方向的剛度系數;X、Y分別為篩面在x和y方向的位移.

則篩箱穩定工作時有

對式(13)、(14)進行坐標轉換,使δ＝(π－Δ)/ 2,同時考慮Kx、Ky遠小于Mω2,可以得出

將式(15)、(16)相加后整理可以得

這是一個標準的橢圓方程,而且由于F1＝F2,則長軸與短軸的比為3∶1,振動方向角為(π－Δ)/2.這也從理論上驗證了三軸橢圓篩的設計.

2．4 試驗驗證

為了驗證水平篩的實際處理能力,進行水平篩的帶料試驗,表1是3STK1960的篩分粒度.本次試驗物料的篩分規格分別為25、13、4 mm;原始物料組成為:粒徑大于25 mm的顆粒占19.8%,13～25 mm的顆粒占20.6%,4～13 mm的顆粒占22.2%,小于4 mm的顆粒占37.4%,0.15 mm以下占15.2%.3STK1960的振動方向角為45°,長軸振幅為16 mm,頻率為810 rpm,總通過量為400 t·h－1.從表1中可以看出,水平篩的篩分精度能達到90%以上,而且篩網不容易堵塞.

表1 3STK1960篩分粒度

3 結 語

3STK1960高效三軸橢圓篩采用三軸強制同步驅動,能使篩機產生理想的橢圓運動,對機制砂等難篩分物料具有優勢;同樣的篩分面積,采用橢圓篩產量可以提高1.3～2倍.

(1)高效三軸橢圓篩兼有圓振篩和直線篩的優點,解決了直線振動篩篩網容易堵塞的難題,也解決了圓振動篩篩分效率較低、能耗較大且安裝高度較高的問題.

(2)新型三軸橢圓篩整體結構緊湊,處理量大,生產效率高,功耗小,符合國家節能減排的政策要求.

(3)該技術能有效解決機制砂在原料篩分領域的技術瓶頸,同時能方便地根據不同物料特性調整自身結構參數,代表著新一代篩分技術的發展趨勢.

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[責任編輯:杜衛華]

New Efficient Triaxial Elliptical Vibration Screening Equipment

Q
IN Shuang-ying
(Fujian South Highway Machinery Co．,Ltd．,Quanzhou 362021,Fujian,China)

The screening theory and elliptical screening theory were studied and analyzed．The STK series of triaxial elliptical sieve was introduced．The advantages of high adaptability to the materials,large elliptical stroke(16～19 mm,adjustable)and adjustable frequency(725～850 rpm)and vibration angle(30°～60°)were described,suggesting the triaxial elliptical sieve has the characteristics of both circular vibrating sieve and linear sieve．The test proves that the triaxial elliptical screening equipment has the advantages of compact structure,large processing capacity,high production efficiency and low power consumption,making it suitable for materials like manufactured sand,and the problem of sand screening is solved．

triaxial elliptical sieve;screening efficiency;frequency;manufactured sand

U415．51

B

1000-033X(2017)05-0103-05

2016-11-24

福建省科技計劃項目(2016H4010)

秦雙迎(1984-),男,湖南婁底人,工學碩士,工程師,研究方向為瀝青攪拌設備、干混砂漿攪拌設備以及機制砂生產設備中篩分部分的設計.