振動篩的一、二次隔振與反共振技術的應用

馬 超

(山西晉煤集團 晉城乾泰安全技術有限責任公司,山西 晉城 048006)

振動篩的一、二次隔振與反共振技術的應用

馬 超

(山西晉煤集團 晉城乾泰安全技術有限責任公司,山西 晉城 048006)

振動篩是近些年來全國各洗煤廠對物料進行篩分,以及對選后產品進行脫水與脫介的必要機械設備之一。通常使用一、二次隔振以減少其工作時對地基的動負荷及其所產生的噪音。普通一次隔振振動篩的隔振裝置可以減小其帶給地基振動的85%～90%,二次隔振振動篩的隔振效果甚至可以達到90%～95%。反共振機械因為有其獨特的反共振原理,可以很好地滿足系統對振動頻率、幅值的要求,并減少對地基的損害以及工作噪聲。反共振振動機械在工作時傳給基礎的動負荷,可以比普通一次隔振振動篩減小大約57%,甚至比一般的二次隔振振動篩還要小。

振動篩;一次隔振;二次隔振;反共振理論

近些年,我國各地洗煤廠都在穩步提升各自的年處理量。隨著旋流器、溜槽等重介質選礦的逐步普及,各大選煤廠都越來越重視對選后介質的回收以及煤炭的分級。篩分設備是用于物料的分級及對其脫水、脫介的設備。當振動篩用于脫水、脫介時,可以大量回收附著在選后的精煤、中煤或矸石表面的重介質和水并循環使用,從而避免了資源的浪費。此外重介質和水的有效循環利用還提高了精煤、中煤的發熱量和質量,從而降低選煤的成本增加企業的經濟效益[1]。

振動機械在設計的時候必須考慮到兩個問題:第一,振幅和工作頻率要達到設計初值;第二,盡量減少其工作時對地基的動負荷和所產生的噪音[2]。在振動工程中,首先要利用機械所產生的穩定的振動來達到工作的目的,同時還要努力使用隔振來減小該振動給地基帶來的動負荷[3]。振動篩的減振主要是指對地基的減振和啟、停車時過共振區產生劇烈振動的減振,共振是指當激振器產生的激振頻率等于整機的固有頻率時所產生的一種劇烈振動的現象。振動篩工作時還會產生很大的噪音,這些噪音主要來源于各零部件(如軸承)工作時產生的噪聲、篩面上的顆粒與篩面發生接觸碰撞時產生的噪聲以及金屬彈簧伸縮運動時產生的聲音, 相關設計人員針對這些問題提出了使用隔振彈簧以及阻尼等方式進行改進[4]。

1 振動篩一次隔振技術

普通一次隔振單質體振動篩的力學模型如圖1所示。

圖1 一次隔振振動篩力學模型Fig.1 Mechanical model of the one-stage vibration isolation vibrating sieve machine

其中M為篩機與篩上物料的總質量,安裝在篩機側幫上的激振器工作時產生Psinωt的正弦激振力帶動振動篩工作。整機工作時通過彈性系數為k的隔振彈簧和阻尼系數為c的阻尼進行隔振處理,從而達到降低噪聲及減輕基地動負荷的目的。普通一次隔振振動篩的隔振裝置可以減小其帶給地基振動的85%～90%。

2 振動篩二次隔振技術

普通二次隔振雙質體振動篩的力學模型如圖2所示。

二次隔振振動篩的工作原理與一次隔振相同,只是在其彈簧下安裝了下質體與二次隔振彈簧進行進一步消振處理。目前已開始大量使用的二次隔振振動篩的隔振效果甚至可以達到90%～95%,且可以不錯的克服振動平衡點的困難[5]。

圖2 二次隔振振動篩力學模型Fig.2 Mechanical model of the two-stage vibration isolation vibrating sieve machine

3 反共振技術

對于兩個或兩個以上自由度的振動系統,當其激振力的頻率達到某一個定值的時候其中一個自由度的振動會靜止,這種現象叫做反共振現象。反共振機械因為有其獨特的反共振原理,可以很好地滿足系統對振動頻率、幅值的要求,并減少對地基的損害以及工作噪聲[6]。反共振振動機械在工作時傳給基礎的動負荷,可以比普通一次隔振振動篩減小大約57%,甚至比一般的二次隔振振動篩還要小[7]。目前在我國洗煤廠中,應用反共振技術較為廣泛的是煤用反共振離心脫水機。

反共振振動篩的力學模型為雙自由度物體在某激振力下的受迫振動,其力學模型如圖3所示。

圖3 原點型反共振振動篩的力學模型Fig.3 Mechanical model of driving point anti-resonant vibrating sieve machine

圖中上質體重量m2，為工作質體,慣性激振器裝在重m1的下質體上,提供大小為Fsinωt的簡諧激振力,k1和k2、c1和c2分別為下質體和地基之間、下質體和上質體之間的彈簧剛度系數和阻尼系數。由該力學模型可得出系統的運動微分方程為

反共振振動篩包括上質體和下質體兩個大部分。上質體即工作質體,由篩框、篩板以及大梁等組成,是反共振振動篩的主要工作部分,其質量為m2,kg;下質體質量為m1,kg,并且在下質體上安裝有激振器,激振器工作時產生大小為Fsinωt的簡諧激振力。x1、x2分別為m1和m2的響應位移,m。k1和k2分別為橡膠彈簧和螺旋彈簧的剛度系數,N/m;c1和c2為下質體m1和地基之間、m1和m2之間的黏性阻尼系數,N·s/m。

設彈簧的阻尼系數很小可以忽略,即c1=c2=0,此時由式1可知系統在忽略阻尼下的振動微分方程為:

.

(2)

為簡便運算帶入符號:

K11=k1+k2,K12=K21=-k2,K22=k2,

則式2可變為

.

(3)

式3是一個二階線性常系數非齊次微分方程,其解由齊次方程的通解加方程(3)的特解組成。由于有微小阻尼的存在,系統的自由振動在一段時間后衰減為零,非齊次方程的特解則為穩定階段的等幅振動,系統在與激振力相同的頻率下作受迫振動[8]。設方程的特解為

(4)

則有,

.

(5)

式中：A1、A2分別為質體m1和m2受迫振動下的穩態振幅,m。

將式(4)和式(5)代入式(3)后簡化可得

.

(6)

解方程組(6)后即可得到系統在激振力Fsinωt作用下的響應為：

(8)

反共振振動篩工作時,由激振器產生的簡諧激振力通過上、下質體之間的螺旋彈簧傳入上質體中,從而帶動上質體以一定振幅振動,而下質體保持不動或輕微振動,激振器也不參與振動,大大減小了參振質量(其中參振質量可減少約30%～50%)。下質體與地面之間的圓柱形橡膠彈簧工作時非線性強且阻尼系數大,可消除工作時下質體的輕微振動以及整機起停車過共振區時的劇烈振動對地基的影響,從而減小地基的動負荷。

對于反共振振動篩的外觀,筆者已初步設計出的三維模型如圖4所示[9]。

1-篩箱;2-下質體;3-激振器;4-電機;5-圓柱型隔振金屬螺旋彈簧.圖4 反共振振動篩的初步設計Fig.4 Preliminary design of anti-resonant vibrating sieve machine

4 結語

反共振理論在振動機械領域的使用面可以更加寬闊,但現在在該方向的研究卻不是很多。由于較二次隔振而言,反共振振動篩的激振器安裝在下質體上,這樣就大大簡化了工作質體的結構,并且整機質量和參振質量都可以有很大程度的減輕,這樣激振力也可以相應地減小。而且設計下質體時因為其幾乎不振動所以更方便確保其在剛度和強度方面的要求, 激振器不需考慮振動時整機和地基的動負荷,同時整機工作時產生的噪聲也會有明顯減小;此外工作質體不用受激振力的直接帶動作用,因此篩箱的使用壽命相應可以延長很多。但是反共振振動篩的振幅容易被篩面上顆粒質量的變化而影響,因此對其激振頻率穩定性的要求十分嚴格。在后續研究中,筆者將綜合考慮一些如材料的節省、結構的精簡和一些零部件的更換,對反共振振動篩進行精簡,并對存在問題進行改進。

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LI Yongqiang,LI Jie,LIU Jie,etal.Analytic Study on 1:3 Internal Resonance Dynamics of Driving Point Anti-resonant Vibrating Machine[J].Journal of Northeastern University,2012,33(5):715-718.

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ApplicationofOne-stage/Two-stageVibrationIsolationandAnti-resonantVibrationTechnologyinVibratingSieve

MAChao
(QiantaiSafetyTechnologyCo.,Ltd.,JinchengCoalGroup,Jincheng048006,China)

In recent years, vibrating sieve has been widely used in coal preparation plants to sieve materials and it is also one of necessary machines for dehydration and medium-removing for the selected materials. Under normal conditions, one-stage and two-stage vibration isolation are used to reduce the dynamic load of the machine on its foundation and reduce the noise. The vibrating sieve of the one-stage vibration isolation could reduce the vibration by 85%～90% and the two-stage vibration isolation could reduce by 90%～95%. With its unique anti-resonant vibration theory, the anti-resonant vibration machine could satisfy the requirement of the vibration frequency and amplitude of the system and reduce its damage and noise. When the machine is working, the dynamic load of the anti-resonant vibration machine is about 57% smaller than that of the one-stage vibration isolation, even smaller than that of the two-stage vibration isolation.

vibrating sieve; one-stage vibration isolation; two-stage vibration isolation; anti-resonant vibration theory

1672-5050(2017)03-0056-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.016

2017-04-05

馬 超(1988-),男,山西晉城人,碩士,從事礦山機電的研究。

TD452

A

(編輯:楊 鵬)