五層高頻疊層篩的研發分析

李小樂，張天野，張文亮，鮑玉新

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.唐山國選精煤有限責任公司,河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012；4.內蒙古匯能煤電集團子長縣甄家溝煤業有限公司，陜西 延安 716000)

隨著現代工業的快速進步,礦山設備向著大型化、系列化、標準化方向發展,大型化能實現設備高產、高效和節能,系列化可使設備適應不同生產規模的企業需求,標準化則使設備的維護更加便捷[1]。傳統篩分設備在處理微細粒時存在分級粒度和篩分能力之間的矛盾,較大的占地面積大大制約著企業的擴能、增效和規模化生產。

在國外,早在16世紀就已經開始了篩分機械的研究制造,隨著歐洲進入工業時代,工業篩分設備發展迅速,發展到21世紀，篩分機械的制造水平已經較成熟，例如：德國申克公司研制的篩分機械多達260多種；德國STK公司提供的篩分設備較全,技術水平較高；KHD公司生產了超過百種的篩分設備；美國RNO公司研制了DF11雙頻率篩分設備；美國DRK公司開發制造了多疊層分路給料振動篩；前蘇聯也研制過一種兼有共振篩和直線篩特點的自同步篩分設備。

國內篩分設備的研究進程分為引進消化、自主研制、發展研制三個階段，較為常見的有慣性振動篩(圓運動振動篩、直線振動篩)，利用共振原理研制的共振篩和其他類型振動篩(等厚篩、概率篩、高頻振動篩、電磁振動旋流篩等)[2]。疊層篩源于德瑞克公司,目前已廣泛應用于鐵礦粉磨礦分級系統。近年來疊層篩在煤泥水精細分級環節的優勢得到行業內普遍認可,逐步成為該環節的首選設備。疊層篩采用一對振動電機自同步形成直線振動以驅動多層篩箱進行精細分級，疊層篩具有直線振動篩、高頻振動篩的雙重屬性,主要是針對鐵礦粉濕法分級研制的。在鐵礦粉分級工藝中，篩上粗粒返回球磨機循環磨礦，由于該工藝對分級效率及水分要求不高,因此疊層篩篩面長度普遍較短[3]。已建成的選煤廠粗煤泥分級回收系統大多采用濃縮旋流器+高頻篩、濃縮旋流器+弧形篩+離心機、弧形篩+離心機和電磁篩+離心機工藝,這些工藝一般都存在分級效率低、產品灰分高等問題,若將疊層篩引入上述工藝，則可提高粗煤泥分級效果。采用疊層篩和高開孔率的聚酯篩網,可有效解決篩分處理能力與篩分精度間的矛盾,也可有效解決高頻振動細篩單位面積處理能力低的難題[4]。研究旨在通過運動學和動力學分析并結合剪切彈簧剛度測試試驗對五層高頻疊層篩的參數進行選擇與確定。

1 五層高頻疊層篩簡介

1.1 工作原理

五層高頻疊層篩外形圖如圖1所示。由圖1可知：該疊層篩分為五層,每層配有獨立的入料箱,入料箱入口與上端分料器連接,用于為每層供料,入料箱固定在固定機架上；每層獨立的篩下料斗將篩下物統一收集到溜槽內的中心槽管內；多臺單層篩集成于一臺設備上,將各層錯開布置,篩面角度為17.5°,篩上物統一匯入集料槽。由布置在頂層篩的兩臺振動電機驅動參振部分進行直線振動，振動方向角為50°,振動結構所提供的高頻、小振幅有利于物料松散分層；篩網采用聚氨酯材料,由于聚氨酯篩網開孔率高,透篩性好,壽命較長,提高了設備的整體使用效率[5]。

圖1 五層高頻疊層篩外形圖Fig.1 Outer appearance of the 5-deck high-frequency fine screen

1.2 結構特點

(1)設備采用兩臺振動電機平行布置,形成直線振動,且振動方向經過參振部分的質心。

(2)篩網采用聚氨酯材料,篩網尺寸為1 445 mm×840 mm,篩孔為0.10 mm,篩絲直徑為0.15 mm,開孔率達到32%～42%,并且篩網左右通過張緊裝置拉緊,在托架上形成上拱形,利于物料在篩上分散。

(3)參振部分與固定機架之間采用剪切式橡膠彈簧,可隔振吸聲。

(4)每層篩網托架面、造漿區、收集斗的過流部分均鋪設耐磨橡膠,以提高疊層篩使用壽命。

(5)每層采用兩塊篩網前后鋪設,以增加篩分面積,兩塊篩網中間設置造漿區。

2 五層高頻疊層篩分析

2.1 運動學分析

2.1.1 受力分析

物料顆粒在篩面上的受力分析如圖2所示。

圖2 物料顆粒在篩面上的受力分析Fig.2 Analysis of the force to which coal particles are subjected on screen surface

由圖2可知：篩面與水平面的傾角為α,設計中采用的是17.5°；篩面雙振幅為2A,單振幅設計參數為1 mm；振動方向角為β,設計中選定為50°,物料在篩面上受到慣性離心力與自身重力的作用,將慣性離心力和重力分別延篩面方向和垂直于篩面方向分解[6]。

2.1.2 拋棄的臨界條件

由圖2的受力分析可知,顆粒脫離篩面被拋出的條件是:

mAω2sinωt·sinβ≥mgcosα，

(1)

式中：m為顆粒質量，kg；A為單振幅，m；ω為激振器回轉角速度，rad/s；t為時間，s；β為振動方向角弧度，rad；g為重力加速度，m/s2；α為篩面傾角弧度，rad。

顆粒要產生跳動,激振器的最小轉速為臨界轉速(n0min)：

(2)

若篩面振動一次的時間恰好等于顆粒跳動一次的時間，此時激振器的轉速稱為第一臨界轉速(n0Ⅰ)[7]：

(3)

若篩面振動一次的時間恰好等于顆粒跳動兩次的時間，此時激振器的轉速稱為第二臨界轉速(n0Ⅱ)：

(4)

根據式(2)—式(4)可得：顆粒跳躍最小臨界轉速n0min=1 055 r/min,如果顆粒要產生跳動,激振器的轉速必須大于n0min；顆粒被拋起第一臨界轉速n0Ⅰ=2 285 r/min,顆粒被拋起第二臨界轉速n0Ⅱ=3 164 r/min,振動篩轉速應介于n0min和n0Ⅰ之間。

2.1.3 拋射強度和振動強度

振動強度(K)公式為:

(5)

振動篩的結構強度由振動強度值決定,在振動強度接近的情況下,使用高頻的振動篩會采用較低的振幅[8]。

拋射強度(Kv)公式為:

(6)

Kv是決定物料在篩上的運動速度和篩分效果的重要參數。根據前邊提到的物料被拋起的條件可以知道：當Kv<1時,顆粒是不能被拋起而離開篩面的,在篩面上呈平移式運動；當Kv>1時,顆粒才能被拋起并離開篩面作跳躍運動；當Kv=1時,顆粒處于剛要離開篩面的臨界狀態[9]。

不同拋射強度條件下篩面與顆粒相對位置如圖3所示。由圖3可以看出：拋射強度越大,顆粒被拋擲移動得越遠,但是拋射強度不是越大越好,拋射強度越大，顆粒在篩面上跳躍的時間會越長,而跳躍時間過長,不利于篩分效率提高。一般顆粒跳躍時間不宜超過篩面往復振動一次的時間,即物料跳躍的時間等于篩面振動一次所需的時間情況下的拋射強度即為拋射強度的選取上限[10]。

圖3 不同拋射強度條件下篩面與顆粒相對位置Fig.3 Relative positions of a particle and screen surface at different upthrow intensities

由圖3還可以看出：當1.4

2.1.4 激振頻率

直線振動篩的激振頻率(f)公式為:

(7)

振動強度(Ks)按下式校核:

(8)

式中：KY為預選振動強度；ωj為激振圓頻率,rad/s。

依據選取的疊層篩參數和圖3曲線以及振動強度公式、振動強度校核公式,選用KY=2.025，為該篩的最低振動強度,在該振動強度下篩機工藝指標及機械性能具有綜合優勢[12]。經計算,選用25 Hz的激振頻率,激振電機轉速為1 500 r/min時,符合拋射條件。

2.2 動力學分析

2.2.1 系統固有頻率

根據JB/T 9022—2012《振動篩設計規范》的規定，固有頻率與激振圓頻率的關系,系統固有頻率(ωg)計算公式為：

(9)

式中：λ為頻率比，一般取值范圍為3～7。

小型篩的頻率比(λ)取小值,大型篩λ取大值。該設計λ取4.5，根據式(9)可得固有頻率為35 rad/s。

2.2.2 彈簧剛度

系統中彈簧的總剛度(Kz)的計算公式為：

(10)

式中：m為參振質量，kg，設備參振部分質量約為3 200 kg。

根據式(9)和式(10)，可計算出系統中彈簧的總剛度，為3 899 kN/m。

五層高頻疊層篩的彈簧選用指定廠家制造的剪切式彈簧,根據剛度的概念,即在受力方向上單位變形量所能承受的力,對該型號的彈簧進行剛度測驗[13]。試驗裝置如圖4所示。

圖4 彈簧剛度試驗裝置Fig.4 Spring stiffness testing rig

通過試驗裝置對選用的剪切彈簧進行施壓試驗,記錄壓力值以及位移量,試驗結果見表1。

表1 剪切彈簧施壓試驗結果Table 1 Result of test on shear spring under pressure

由表1可知：剪切彈簧剛度在變形量小于25%時呈現的線性趨勢較好,即彈簧的安全變形量在15 mm以內,單個彈簧剪切剛度約為95 000 N/m。

2.2.3 彈簧數量

彈簧數量的計算公式為:

(11)

式中:n為系統中彈簧的數量，個；Kt為試驗測得單個彈簧剪切剛度。

由式(11)計算出使用該型號的彈簧的數量為42個。根據疊層篩的結構，將滿足數量要求的彈簧對稱布置在疊層篩的參振部分與固定機架之間,承載剪切力[14]。

2.2.4 激振力

激振力(F)計算公式為：

F=mAω2。

(12)

由式(12)計算出激振器所需提供的總激振力為78 957 kN。可參照該數值來選擇振動電機型號。

根據上述計算，確定五層高頻疊層篩主要技術參數如下：

彈簧肖式硬度

55

彈簧高度

102 mm

彈簧直徑

112 mm

靜態剛度(試驗)

95 000 N/m

參振總質量

3 200 kg

彈簧數量

42 個

總剛度

3 899 kN/m

參振總質量

3 200 kg

靜載荷

5 785.5 N

動載荷(穩態)

5 785.5 N

最大動載荷

28 927.5 N

系統固有頻率

5.56 Hz

激振頻率

25 Hz

頻率比

4.5

激振電機轉速

1 500 r/min

篩面傾角

17.5 °

振動方向角

50 °

拋射強度

2.025

振動強度

2.521

總激振力

78 957 N

3 結論

(1)通過對疊層篩的運動學分析和動力學分析,設計高頻疊層篩時,振動強度應在1.9～3.3之間,且振動電機的轉速應大于第一臨界轉速,即1 055 r/min。固有頻率的選擇范圍決定了彈簧的選用數量,應根據設備結構尺寸,確定剪切彈簧的外形尺寸。

(2)通過理論和試驗的方法，對疊層篩的運動學參數和動力學參數進行了計算與分析，確定疊層篩的激振頻率為25 Hz，總剛度為3 899 kN/m。

(3)通過彈簧剛度試驗裝置測得選用彈簧的剪切剛度約為95 000 N/m，并最終確定疊層篩需選用42個該型號剪切彈簧。