煤礦振動篩鋼簧換裝空氣減振器應用研究

崔曙光 CUI Shu-guang；李晉雄 LI Jin-xiong；王軍利 WANG Jun-li；李永盛 LI Yong-sheng；楊彬 YANG Bin

（①山西潞安礦業（集團）有限責任公司古城煤礦，長治 046000；②太原科技大學，太原 030024）

0 引言

振動篩常用于煤礦以及礦山等行業物料的粒度分級[1-3]。傳統振動篩的底座支腿通常采用螺旋鋼簧或橡膠鋼簧隔振，其剛度、阻尼恒定，在振動篩篩分作業達到共振區間時篩體振動劇增，易傾擺而運行不穩定，嚴重影響了使用壽命[3-5]。空氣減振器具有固有頻率低、阻尼大和變剛度等特性，在車輛的懸架系統上得到了廣泛應用。

本研究提出了在選煤廠振動篩使用空氣減振器隔振的設計方法，并對振動篩和空氣減振器力學模型進行研究，對改裝方案前后的噪聲和共振進行了監測試驗。振動篩換裝空氣減振器可有效衰減振動篩的自由振動，降低作業環境噪聲[6-8]。

1 振動篩換裝空氣減振器改造方案

振動篩原有普通鋼簧換裝空氣減振器系統如圖1 所示，詳細改造方案為：

圖1 振動篩鋼簧換裝空氣減振器三維示意圖

①首先檢測現有振動篩底座水平高度，測量其振幅、速度、加速度，確定安裝高度，以達到理想的效果，便于安裝后的數值比較。

②對振動篩原有普通鋼簧的安裝位置進行測量，并進行結構參數化設計。對空氣減振器的承載性能進行計算分析，對振動篩運動過程中振動頻率以及振幅進行測試分析，對改進后的安裝位置進行布局設計，設計出選煤廠振動篩采用空氣減振器替代鋼簧的整體方案。

③選取山西省長治市古城煤礦選煤廠1 臺振動篩進行改造，將四個基座的原有鋼簧進行拆卸，根據設計計算方案每組基座安裝3 個空氣減振器，并配備安裝恒壓控制系統、氣源控制系統。

④調試環節將空氣減振器充氣口連接好進氣管，壓力調節器，根據所需壓力充氣，調節其壓力值直至使振動篩支腳和空氣減振器基座間達到要求的安裝操作高度，由于振動篩兩端承重不同，可根據用戶壓力調節器，調節到一定范圍的理想高度。

⑤測試試驗環節根據試驗方案對原有普通鋼簧和換裝空氣減振器的噪聲和共振進行測試和對比，評估改裝效果。

2 模型建立

為了研究振動篩振動原理及振動頻率，建立了振動篩二自由度動力學模型及帶附加氣室的空氣減振器力學模型。

2.1 振動篩二自由度動力學模型

根據振動篩結構特征，綜合考慮激振力以及空氣減振器系統的彈性力和阻尼力，可以得到振動篩二自由度動力學微分方程[9]：

上式中，M 為振動篩質量；cx，cy為空氣減振器系統在水平、垂直方向的等效阻尼；kx，ky為水平、垂直方向等效剛度；m 為一組偏心塊的質量；e 為偏心塊的偏心距；δ 為振動篩振動方向角；ω 為偏心塊的轉動角速度；t 為時間。

2.2 帶附加氣室的空氣減振器力學模型

如圖2 所示是帶有附加氣室的空氣減振器，中間通過管道聯通，并加裝節流孔A，空氣減振器安裝在振動篩下振動變形過程中，主、附氣室會產生壓力差，其節流孔在阻尼作用下會吸收部分能量。

圖2 帶附加氣室的空氣減振器力學模型

假設空氣減振器微振動變形，初始主氣室體積V10，微小變化量dV1，主、附氣室壓力變化為 p0+dp1和 p0+dp2。可得兩氣室的多變過程[10]：

式中：V2——附加氣室容積；

γ——空氣密度；

q——流過節流孔的空氣質量。

利用Talor 級數將式（2）、（3）展開，并簡化二次以上微量得：

自標準狀態變形x 后，空氣鋼簧上產生的恢復力為

由式（4）～（6）可得

式中：η——主氣室體積與附加氣室體積之比；

d——節流孔直徑。

3 空氣減振器振動試驗方案

為驗證振動篩換裝空氣減振器的可行性及優勢，特對其噪聲和振動進行換裝前后的測試試驗，如圖3 所示。振動篩在使用中，技術人員現場用噪聲聲級儀和振動測試儀進行測量。技術人員每日隨機時間采集噪聲和振動2 次，連續采集5 日統計采集結果。分別采集鋼簧更換前鋼簧噪聲和振動，以及換裝空氣減振器后的噪聲和振動。

圖3 振動篩換裝空氣減振器試驗系統

3.1 振動篩運行過程噪聲測試結果

表1 為技術人員采集噪聲統計結果。根據數據發現換裝空氣減振器后振動篩整體噪聲低于原有的普通鋼簧噪聲。振動篩啟停和運行過程中的平均噪聲在83.2dB～86.6dB 之間，而普通鋼簧的平均噪聲在92.8dB～109.3dB。普通鋼簧的最大噪聲達到了115dB，達到永久損害聽覺的噪聲水平。振動篩換裝空氣減振器噪聲下降幅度較大，更有利于現場作業人員。

表1 振動篩運行過程噪聲測試對比

3.2 振動篩運行過程共振測試結果

表2 為技術人員采集共振統計結果。根據數據可知空氣減振器共振幅度較低，總體平均值在1.09mm/s～1.864mm/s 之間，而普通鋼簧的平均值在5.129mm/s～7.173mm/s 之間，普通鋼簧的共振遠大于空氣減振器。振動篩共振會導致地面裂縫，振動篩體損壞，降低振動篩使用壽命等危害，因此換裝空氣減振器可提高振動篩使用壽命。

表2 振動篩運行過程共振測試對比

4 結論與討論

本論文對煤礦振動篩鋼簧換裝空氣減振器進行方案設計，并通過對換裝前后的噪聲和共振進行測量試驗觀測，得出如下結論：

①煤礦振動篩鋼簧換裝空氣減振器方案可行，帶有附加氣室的空氣減振器中的節流孔可產生較大阻尼，能有效衰減振動篩的自由振動，降低共振區振幅、動荷載過大和振動篩體嚴重傾擺的問題。

②空氣減振器可有效降低振動篩啟停和運行噪聲，平均噪聲在83.2dB～86.6dB 之間，更有利于保護現場作業人員的聽力。

③空氣減振器的共振平均值在1.09mm/s～1.864mm/s之間遠低于普通鋼簧的5.129mm/s～7.173mm/s，可有效降低出現地面裂縫和振動篩體的損壞頻次，提高振動篩使用壽命。