VM1400型振動離心機動態特性研究

文海麗

（潞安集團蒲縣常興煤業有限公司，山西臨汾 041207）

0 引言

隨著我國煤礦工業的快速發展，選煤機械逐漸向大型化。在選煤廠中臥式離心脫水機作為關鍵設備之一，主要用于0～50 mm級煤的脫水工作。相應的客戶對精煤產品中含水量也提出了更高的要求，高效率、低成本、高可靠性的脫水設備市場需求越來越大，世界主要煤炭生產國都在積極研究地發展離心脫水機，并逐步取代原有的刮刀卸料離心機[1-2]。國內大型選煤廠目前使用的離心脫水設備主要來自進口，國外主要生產廠家有美國的SHARPLES公司、德國的DBT、KHD公司、法國的ALFALAVAL公司。國外臥式離心脫水設備處理能力大，水分控制在5%～9%，但其價格昂貴。國內離心脫水設備主要使用煤科院研制的WZL-100、WZL-1300型，但是故障率、可靠性始終存在問題。根據現有的臥式振動離心機均采用二次激振動力的減振原理，可有效增加篩籃振幅，增強入料適應性，減小振動對地基的影響[3]。因此，研究二次激振動力的減振原理以及其振動特性，對提高設備整體性能具有重要指導意義。

1 振動離心機結構

圖1為臥式振動離心機的結構簡圖，其組成主要由主電動機、大小皮帶輪、篩籃、旋轉主軸、軸承箱及軸承、橡膠彈簧、入料管等組成。臥式振動離心機的工作過程主要由振動卸料、離心脫水兩部分組成。工作過程中主電動機運轉1，帶動小皮帶輪2一起旋轉，小皮帶輪通過三角帶3帶動大皮帶輪旋轉，帶動旋轉主軸5及篩籃一起轉動，當物料通過入料口15進入篩籃底部后，物料隨著篩籃一起旋轉，在離心力作用下將其中的水透過篩縫及料層甩向四周，最終通過離心液出口12將水分排出[4]。而脫水后的物料，在振動電機10振動力的作用下，料層分層均勻的向篩籃出口端移動，通過機殼上產品出口14排出。

圖1 VM1400型臥式振動離心機結構

2 振動離心機力學模型的建立

2.1 系統振動模型建立

根據振動離心機工作原理，建立如圖2所示的力學模型，m1為主要由入料管、機殼及振動電機等質量；m2為主要由軸承箱、軸承、篩籃、旋轉主軸等質量；K1為橡膠彈簧剛度；K2為剪切彈簧剛度；F為作用在m1上的激振力，其振動系統的微分方程如下：

圖2 VM1400型臥式振動離心機力學模型

通過上式兩端取拉普拉斯變化求解其頻率響應函數：

得出傳遞函數如下：

將s=jω代入上述傳遞函數可知頻率響應函數如下：

2.2 系統振動原理

當主動電機開始旋轉進入工作狀態時，啟動振動電機，振動電機產生軸向簡諧振動作用在質體m1上，此簡諧作用力通過中間剪切橡膠彈簧傳遞給質體m2，在設計計算中，選取m2質體的固有頻率要接近振動電機產生的激振頻率，這樣就能保證m2通過中間剪切橡膠彈簧傳遞給m1的力與m1上的激振力相互平衡。m1受到振動電機的激振力大部分被m2吸收，質體m1表現為靜止狀態，不收激振力影響，同時m2受到較大激振力，所以理論上m1對地基不產生激振力。與單級振動離心機相比較其基本原理相同，不同之處主要在于二級振動離心機振動部分分為質體m1和質體m2，兩質體之間通過中間剪切橡膠彈簧和預壓銷連接在一起。工作過程中m1質體通過振動電機使得m2質體作軸向振動，而m1與m2質體間想過作用最終可使m1產生非常微小振動，從而極大降低強振動對周圍環境的影響，減少系統對材料性能要求，但同時二次激振離心機的安裝和維修相對單級離心機較為復雜[5-6]。

圖3 m1幅頻特性曲線

3 系統仿真分析

該離心脫水機m1=4 400 kg，m2=1 785 kg，k1=1.33×108N/m，k2=3.83×107N/m，振動電機的轉速n=1 400 r/min，將各參數代入上式后，通過Matlab進行數學仿真，得出質量m1、m2幅頻特性曲線如圖3、4所示。從圖可知建立的振動模型中出現兩個共振頻率，約在120 Hz左右出現同相位共振，在210 Hz左右出現反相位共振；約在150 Hz左右質體m1振幅為0，只有m2振動，通常將新系統中出現的振幅為0的現象稱之為反共振。

圖4 m2幅頻特性曲線

為了進一步研究反共振現象中系統的振動情況，對系統中兩質體m1、m2求相對位移量，即 || X1(ω)|- | X2(ω)| |，

計算結果如圖5所示，從圖中可以看出在150 Hz左右系統的相對位移比較小，與兩個不同共振點相比較，中間彈簧的壓縮量大幅減小，可以有效的延長彈簧的使用壽命。

圖5 反共振離心機相對位移與頻率的關系曲線圖

圖6 ω1與隔振彈簧剛度k1的關系曲線圖

設備生產制造過程中，在滿足生產要求的前提下，設備質量越小，其綜合成本越低。通過上述分析可知質體m1、m2質量一定時，如果所選用的激勵電機型號及頻率選定后，剪切彈簧剛度K2隨之確定，那么只能通過改變橡膠彈簧剛度K1來調整系統幅頻特性，從而滿足某些工藝要求[7-8]。

由式子：

得出固有頻率與隔振彈簧的關系如圖6、7所示。從圖可以看出，隨著隔振彈簧剛度k1的增大，固有頻率都隨著增加，但是ω2開始時增加很快，但隨后逐漸平緩接近穩定值，在ω2=146 Hz左右為漸近線；但是ω1隨著k1的增大逐漸增大，k1趨于無限大時，就相當于質體m1與基礎剛性連接。

圖7 ω2與隔振彈簧剛度k1的關系曲線圖

4 結語

通過對臥式離心脫水機的工作原理和振動原理的研究分析，得出了離心脫水機兩部分質體的幅頻特性曲線，以及固有頻率與隔振彈簧剛度之間變化規律曲線，分析可知建立的振動模型中出現兩個共振頻率，一處為120 Hz左右出現同相位共振，另一處為210 Hz左右出現反相位共振，并且系統在反共振現象時，質體m1振幅很小，但是二級振動的振幅很大，有效的提高了離心機的處理能力，同時減少了對地基及周圍環境的不良影響。但是二次激振的臥式離心機在維修及型號大小上都存在不少問題，實際生產中仍然無法滿足大型選煤廠的要求，因此研究其振動原理就為設計及制造提供理論依據，對提高振動離心機的整機性能起到重要作用。