高效濃縮機(jī)刮泥葉片形狀曲線的分析研究

郭印坤，王守信，宋戰(zhàn)勝

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

高效濃縮機(jī)是一類利用重力沉降原理對(duì)固液混合物進(jìn)行凈化脫水的設(shè)備，其刮泥葉片是直接對(duì)池底沉積的礦泥起作用的部件，在刮泥葉片圍繞中心立柱旋轉(zhuǎn)并將沉積物刮向集料槽的過(guò)程中，刮泥葉片的形狀直接影響其對(duì)沉積物的刮集作用進(jìn)而影響整個(gè)高效濃縮機(jī)的工作效率。采用直板形狀的傳統(tǒng)刮泥葉片往往出現(xiàn)沉積物向中心移動(dòng)速度慢、沉積物易沾在刮泥葉片上影響刮泥效率等缺點(diǎn)，對(duì)此，本文在介紹高效濃縮機(jī)的原理基礎(chǔ)上，從理論上研究等角螺線形刮泥葉片的優(yōu)點(diǎn)。

1 高效濃縮機(jī)的工作原理

高效濃縮機(jī)的工作原理如圖1所示，添加絮凝劑的固液混合物通過(guò)進(jìn)料管19送入由給料井筒體10和給料井底部輻散擋板11組成的給料井中，由于進(jìn)料管中的固液混合物是從給料井的一側(cè)以一定的初速度噴入，因此固液混合物在給料井中受到給料井筒體的阻擋后呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，固液混合物和絮凝劑在這種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下得到充分混合。混合以后的固液混合物繼續(xù)下降受到給料井底部輻散擋板的作用，由于輻散擋板內(nèi)側(cè)呈現(xiàn)一定角度的錐形，混合物在下降過(guò)程中受到液流旋轉(zhuǎn)力和錐形擋板的阻力而使固液混合物沿著給料井底部輻散擋板的邊緣向著斜下方向均勻輻散在濃縮池中。

固液混合物與絮凝劑混合進(jìn)入濃縮池后，絮凝劑開(kāi)始發(fā)揮作用，固液混合物中的固體顆粒凝結(jié)成團(tuán)絮狀在重力作用下開(kāi)始下沉，最后沉入池底，澄清后的溢流水則由溢流堰溢出繼續(xù)循環(huán)利用。

高效濃縮機(jī)工作啟動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)和減速機(jī)6將減速后的低速大扭矩的動(dòng)力傳遞到耙架裝置傳動(dòng)架13上，傳動(dòng)架再帶動(dòng)連接到其上的耙臂14轉(zhuǎn)動(dòng)，然后耙臂上面的刮泥葉片20將沉積于池底的固體沉積物刮向中心的集料槽21，隨著耙架裝置13、14、20的轉(zhuǎn)動(dòng)，集料槽刮泥葉片22貼著集料槽21的內(nèi)壁將刮集到集料槽21的沉積物刮向集料槽21的底流口，最后又由排料泵經(jīng)排料管23抽出濃縮池。

圖1 高效濃縮機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖

在濃縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)耙架裝置13、14、20、22的工作阻力超過(guò)額定工作阻力時(shí)，提耙油缸7在控制裝置的作用下自動(dòng)提起，直到到達(dá)合適的工作阻力；當(dāng)工作阻力下降時(shí)，提耙油缸7又自動(dòng)下落，以此來(lái)保證高效濃縮機(jī)始終工作在額定阻力，避免了壓耙事故，提高了濃縮機(jī)的使用壽命。

高效濃縮機(jī)整個(gè)傳動(dòng)和工作系統(tǒng)6、7、8、9、10、11、13、14、20、21、22、23的重量全部加載在位于濃縮池中心的支撐立柱12上，整個(gè)系統(tǒng)所需要的動(dòng)力由液壓站8供應(yīng)。濃縮池水泥壁16位于地基18上，便于施工，操作人員通過(guò)走廊裝置1、2、3和內(nèi)部帶梯子的中心空柱進(jìn)行操作。

2 等角螺線及其工程應(yīng)用

如圖2所示，若一條曲線在某個(gè)點(diǎn)P的切向量都與某定點(diǎn)O至此點(diǎn)P所成的向量夾成一定角，且定角不是直角，則此曲線稱為一條等角螺線，O點(diǎn)稱為它的極點(diǎn)。在坐標(biāo)平面上，若極坐標(biāo)方程ρ＝f（θ）表示一條等角螺線（f（θ）＞0）（θ為向徑OP 與x 軸夾角），其極點(diǎn)是原點(diǎn)O，定角為α（0＜α＜π，α），則因在點(diǎn)（f（θ），θ）的切向量為：（f′（θ）cosθ－f（θ）sinθ，f′（θ）·sinθ＋f（θ）cosθ）。所以，可得：

其中，a為常數(shù)。

所以等角螺線的極坐標(biāo)方程為：

圖3 控制系統(tǒng)梯形圖

在圖2所示的等角螺線中，取其一段（AB段）作為刮泥葉片，此時(shí)，等角螺線上任一點(diǎn)R的向徑OR與R的切線RT的夾角為常數(shù)。常用等角螺線葉片的設(shè)計(jì)公式為：

圖3 控制系統(tǒng)梯形圖

由式（6）及圖2可以看出，當(dāng)θ＝0時(shí)，a＝ρ，a為常數(shù)，因此a值的大小決定對(duì)數(shù)螺線開(kāi)始時(shí)的位置，同時(shí)a值的大小也決定葉片的強(qiáng)度和剛度。一般a值越大，相同材料下葉片的強(qiáng)度和剛度也越大。

圖2 等角螺線及其工程應(yīng)用

3 刮泥葉片和沉積物接觸的力學(xué)分析和速度分析

如圖3所示，取圖2中的BD段進(jìn)行分析，令耙臂中心軸線與OM重合，取沉積物顆粒與刮泥葉片的接觸位置為R進(jìn)行分析研究。當(dāng)葉片以角速度ω回轉(zhuǎn)時(shí)，物料對(duì)葉片的作用力Fng可分解為Ftk及Fvg，且Ftk＝Ftg，故有：

其中：Fvg垂直O(jiān)M；Ftg沿葉片切線方向。

圖3 受力分析和速度分析圖

當(dāng)物料所受切向力Ftk小于葉片對(duì)物料的摩擦力Ffg＝Fnk·μ（μ為摩擦系數(shù)）時(shí)，沉積物將沿Ftk的反作用力Ftg方向移動(dòng)，則沉積物的速度方向由v改為vt的方向，表示沉積物對(duì)刮泥葉片的切向力Ftg對(duì)刮泥葉片沾著的沉積物有一個(gè)不斷的刮擦作用；又由于極角α是常數(shù)，在葉片上任何一點(diǎn)刮擦的力都存在，所以葉片不易沾住物料。

沉積物顆粒受到正壓力Fnk和摩擦力Ffk的作用，其摩擦角為β，沉積物顆粒的運(yùn)動(dòng)速度為vn，刮泥葉片與沉積物顆粒接觸點(diǎn)的速度為v，則：

vn＝v·cos（α－β）。

設(shè)vo為沉積物顆粒向濃縮池中心的速度分量，則：

圖3 控制系統(tǒng)梯形圖

當(dāng)刮泥效率最大時(shí)：vomax＝0.5 vo。此時(shí)：sin2（α－β）＝1，2（α－β）＝90°，α＝45°＋β 。

4 結(jié)語(yǔ)

高效濃縮機(jī)的刮泥葉片采用等角螺線形狀時(shí)，不僅使沉積物不易沾在葉片上，而且當(dāng)?shù)冉锹菥€的極角為α＝45°＋β時(shí)，可以使沉積物向位于高效濃縮機(jī)中心集料槽移動(dòng)的速度達(dá)到最快，這樣將大大提高高效濃縮機(jī)的工作效率。

［1］ 張秉榮.工程力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［2］ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［3］ F·康查，張任行.20世紀(jì)濃縮技術(shù)發(fā)展史［J］.雨田，譯.國(guó)外金屬礦選礦，2004（10）：4－11.

［4］ 鹿志堅(jiān).高效濃縮機(jī)濃縮機(jī)理及主要設(shè)計(jì)參數(shù)確定［J］.煤礦設(shè)計(jì)，1995（12）：29－34.