新型高效三轴椭圆振动筛分设备

秦双迎

(福建南方路面机械有限公司,福建泉州 362021)

新型高效三轴椭圆振动筛分设备

秦双迎

(福建南方路面机械有限公司,福建泉州 362021)

对透筛理论以及椭圆筛分理论进行了研究与分析,介绍了STK系列三轴椭圆筛,阐述了其筛分物料适应能力强、设计椭圆冲程大(16～19 mm可调)、频率(725～850 rpm)及振动方向角度(30°～60°)可调等优点,兼有圆振筛和直线筛的特点.通过试验验证,三轴椭圆筛分设备具有结构紧凑、处理量大、生产效率高、功耗小等突出优势,适用于筛分机制砂这种难筛分的物料,可有效解决传统的制砂筛分难题.

三轴椭圆筛;筛分效率;频率;机制砂

0 引 言

经过几十年的发展,中国建筑用砂资源在逐步减少,机制砂的需求量越来越大,但目前机制砂设备、技术落后,机制砂产品针片状多、含粉量高,现有的筛分技术极易发生筛网堵塞,筛分精度低,产能低下[1-4],造成制砂过程中资源、能源消耗大.

通过市场调研发现,国内机制砂筛分通常采用直线以及圆振动筛[5],存在筛分产量较小、能耗大、不同物料筛分适应性差、易堵筛等缺点.为了推动国内制砂筛分技术的发展,笔者所在公司与海西装备所合作开发一种新型高效的三轴椭圆筛分设备,既符合中国节能减排的政策要求,对筛分技术的发展也具有重要意义.

高效三轴椭圆筛为国际上先进的筛分成套装备产品[6],能根据不同物料特性调整工作参数,达到最优筛分状态.该技术推广应用到其他类型筛分装备中,可以提高产量、降低能耗,延长使用寿命[7].

1 振动筛及颗粒运动模型

1．1 机制砂振动筛分设备

筛分作业是目前应用最广泛和最有效的将物料按粒度分类的方法,中国的制砂筛分通常采用直线振动筛或圆振动筛[8].

直线振动筛具有能耗低、效率高、结构简单等特点[9],且容易密封,环保性好,但用在制砂场合时,由于成品砂含粉量大(通常0.15 mm粒径以下的占比不小于15%),在原料含水率高于1%时,筛网容易堵塞,从而导致筛分效率急剧下降,筛分效果不理想.圆振筛以圆形轨迹的筛分动作推动物料通过筛网[10]实现筛分,其采购、运行成本相对较低,具有筛网不容易堵塞的特点;但用于制砂时容易导致粉尘飞扬,环保性能差.圆振动筛正常工作时倾角一般在20°以上,这也会导致筛体布置高度较高,不利于设备实现紧凑布置.无论直线筛或圆振动筛,其结构型式、轨迹参数以及振动频率的调整范围均较小,难以适应不同物料的筛分[11].下面以直线振动筛为例,对筛分透筛理论作简单介绍.

1．2 直线振动筛透筛理论

筛面上的物料是由大小不同的颗粒组成的群体,当筛面处于运动状态时,所有颗粒都受到筛面运动的影响,但是直接与筛面接触的是粒群中最下面的那部分颗粒.由于众多颗粒杂乱无章地聚在筛面上,它们既能单独运动,又相互干扰,加之颗粒形状各异以及存在一定水分,所以物料在筛面上的运动状态十分复杂.

为了寻找筛分机工作参数与物料在筛面上运动状态的关系,可将物料在筛面上的复杂运动简化成1个颗粒在筛面上的运动.直线振动筛的筛面沿振动方向作简谐振动(图1),筛面的位移方程式为S＝A sin(ωt) (1)式中:S为筛面的位移;A为振幅;ω为振动的角频率;t为振动时间.

图1 筛粒在筛面上的受力分析

筛面运动的位移、速度、加速度在x方向(平行于筛面)和y方向(垂直于筛面)的分量为

式中:Sx、Sy为筛面在x和y方向的位移;β为振动方向角,称抛射角,即颗粒的瞬间运动方向与筛面的夹角;vx、vy分别为筛面在x和y方向的运动速度; ax、ay分别为筛面在x和y方向的加速度.

物料在筛面上的运动主要取决于筛的振幅A和振动频率ω.当筛面以不同的频率和振幅作连续振动时,筛面上的颗粒可能出现相对静止、正向滑动、反向滑动和跳动等不同的运动状态.在振动筛工作时,为了获取较好的筛分效率和生产率,一般采用较大的振动频率使物料呈现跳动状态.

颗粒跳离筛面的临界条件是:颗粒对筛面的法向力为0,即

式中:Kv为抛料系数,表明物料跳动的急剧程度;φ为物料开始跳动的初始相位角;K为振动强度;a0为筛面倾角;g为重力加速度;m为物料质量.

图2为筛面倾角a0、振动方向角β和Kv的关系曲线(其中振幅A取4 mm,ω取16π,g取9.8 m·s－2).

图2 抛料系数曲线

直线振动筛上颗粒跳动的终止角φd是指颗粒跳动1次后,落回到筛面上所产生的谐激振角.

式中:δ为跳动角.

由式(2)～(4)可知:当Kv＞1时,颗粒能被筛面抛起,即颗粒出现跳动的运动状态;当Kv＜1时,φ无解,颗粒不能被筛面抛起;若Kv＝1,φ＝90°.

但也不是Kv＞1的任何值都比较好,理想的条件是充分发挥筛分机的工作效率,即颗粒跳动1次的时间不超过筛面振动1次的时间[12].因此将跳动角δ＝2π代入式(6),可以得17°40′.将φd＝17°40′代入式(2)～(4)可以得到Kv＝3.3.

因此当抛料指数Kv＝3.3时,筛面的1个振动周期正好等于物料的1个跳动周期,此时物料与筛面接触的时间最短,对减轻筛面的磨损是有利的[13].为了获得较好的筛分效率,最好使物料颗粒在筛机的每一个振动周期都能和筛面接触,所以在一般情况下,选取Kv＜3.3.抛料指数的选取还与被筛物料的性质有关:对于易筛物料,Kv取2～2.5;对于中等颗粒的物料,Kv取2.5～3;对于难筛物料,Kv取3～5.

2 三轴椭圆筛

2．1 国内外三轴椭圆筛技术

从研究动向上看,国外的振动筛分机研究主要是致力于现有筛分机械的运动分析和结构调整,探求合理的结构型式、动力配置和动力学参数,以便进一步推动筛分机械的应用;通常采用三轴块偏心激振器为激振源,齿轮强制同步,以金属弹簧或橡胶支撑弹簧为弹性元件,椭圆长轴振幅大,结构紧凑、稳定,能耗低,如图3所示.目前国内主要的椭圆筛生产厂家有鞍山重工、南昌矿机、中冶等[14].其中,鞍山重工的双轴椭圆筛适用于煤炭及冶金等大、中粒度的筛分;南昌矿机采用的是自同步TSK系列三轴椭圆筛,动力源由6套NJ激振器组成,水平安装,适用于大、中、小物料筛分,如图4所示.

图3 杰弗朗TTH系列椭圆筛

2．2 STK系类高效三轴椭圆筛振动

图5为福建南方路面机械有限公司开发的STK系类高效三轴椭圆筛.该椭圆筛动力由电机经皮带传递至主动轴,再经过同步齿轮传动,保持一个稳定的相位差角,从而产生激振力,使筛箱作强制连续的椭圆运动.

图4 南昌矿机TSK系列椭圆筛

图5 STK系列新型高效椭圆筛结构

2．2．1 三轴激振结构

三轴椭圆筛最核心的设计就是筛箱中心的三轴激振结构(图6).该结构以三轴块偏心激振器为激振源,2根轴同向运动,另外1根轴反向运动.在1个周期内3根轴有2次方向一致,此时的激振力最大.当处于另外的2个位置时,2根轴的激振力会相互抵消,只有1根轴提供激振力.这种结构最突出的优势就是改善了筛框的受力状态,减轻了单个轴承的负荷,使侧板受力均匀,提高了筛机的可靠性和寿命.

图6 三轴激振结构

2．2．2 椭圆方向角和冲程的调整

三轴椭圆筛偏心块通过齿轮强制同步,3个偏心块的结构一致,因此三轴的偏心块质量以及偏心半径是一致的,主动轴以及从动一轴偏心块存在一个稳定的相位角,和从动二轴方向角也一致[15].从图7可以看出,通过调整多定位螺栓孔位,可以调整相位角30°～60°,每个孔位的增量为5°,通常设置角度是45°.

图7 椭圆方向角调整

由于配重采用圆柱形结构并通过螺栓固定于轴承座上,因此冲程可以通过增加或者移除配重进行调整,安装或拆除便捷可靠,且不会影响筛分机振动方向角,如图8所示.

图8 椭圆冲程调整

2．2．3 频率的调整

一般说来,粗、细物料筛分所需要的振幅及振动频率是不一样的[16],粗物料的筛分需要较大的振幅、较小的频率和振动方向角,而细物料则需要较高的频率、较低的振幅、较大的振动方向角[17].如图9所示,为了达到物料适应性,使频率调整便捷,水平筛主动轮采用位置可调皮带轮,通过改变其直径实现频率的调整.

图9 振动频率调整

2．3 椭圆筛分理论研究

STK系类高效三轴椭圆筛的工作原理如图10所示.

图10 三轴椭圆筛振动原理

假设三轴椭圆筛的激振偏心块的偏心质量为m1,偏心半径为r,筛箱的总质量为M,主动轴超前从动轴1个相位角为Δ,则有主动轴方向角Φ1＝πωt－Δ,Φ2＝ωt;将3个偏心质量产生的激振力F1、F2、F3,按照x、y轴方向分解,可以得到Fx、Fy

通过化解,F3用F1替代,可以得到

由以上的力学模型得到筛箱体的振动微分方程为(由于振动筛情况下阻尼一般很小,因此忽略阻尼系数)

式中:Kx为x方向的刚度系数;Ky为y方向的刚度系数;X、Y分别为筛面在x和y方向的位移.

则筛箱稳定工作时有

对式(13)、(14)进行坐标转换,使δ＝(π－Δ)/ 2,同时考虑Kx、Ky远小于Mω2,可以得出

将式(15)、(16)相加后整理可以得

这是一个标准的椭圆方程,而且由于F1＝F2,则长轴与短轴的比为3∶1,振动方向角为(π－Δ)/2.这也从理论上验证了三轴椭圆筛的设计.

2．4 试验验证

为了验证水平筛的实际处理能力,进行水平筛的带料试验,表1是3STK1960的筛分粒度.本次试验物料的筛分规格分别为25、13、4 mm;原始物料组成为:粒径大于25 mm的颗粒占19.8%,13～25 mm的颗粒占20.6%,4～13 mm的颗粒占22.2%,小于4 mm的颗粒占37.4%,0.15 mm以下占15.2%.3STK1960的振动方向角为45°,长轴振幅为16 mm,频率为810 rpm,总通过量为400 t·h－1.从表1中可以看出,水平筛的筛分精度能达到90%以上,而且筛网不容易堵塞.

表1 3STK1960筛分粒度

3 结 语

3STK1960高效三轴椭圆筛采用三轴强制同步驱动,能使筛机产生理想的椭圆运动,对机制砂等难筛分物料具有优势;同样的筛分面积,采用椭圆筛产量可以提高1.3～2倍.

(1)高效三轴椭圆筛兼有圆振筛和直线筛的优点,解决了直线振动筛筛网容易堵塞的难题,也解决了圆振动筛筛分效率较低、能耗较大且安装高度较高的问题.

(2)新型三轴椭圆筛整体结构紧凑,处理量大,生产效率高,功耗小,符合国家节能减排的政策要求.

(3)该技术能有效解决机制砂在原料筛分领域的技术瓶颈,同时能方便地根据不同物料特性调整自身结构参数,代表着新一代筛分技术的发展趋势.

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[责任编辑:杜卫华]

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

福建省科技计划项目(2016H4010)

秦双迎(1984-),男,湖南娄底人,工学硕士,工程师,研究方向为沥青搅拌设备、干混砂浆搅拌设备以及机制砂生产设备中筛分部分的设计.