采砂船錐形軸流組合分選篩的研究與應用

□劉有戰 □王四通 □魯金鋒

（1豫西黃河河務局 2河南黃河河務局）

0 引言

黃河洛陽河段內河床由砂卵石組成，大多粒徑在20～200mm，河道內疏浚采砂多用經過改進后的鏈斗式采砂船，使之能適應砂卵石的開采，同時為了減少砂石后續的分選工作量,提高生產效率，在采砂船上加裝了分選篩，使鏈斗采挖上來的砂卵石經過分選篩分成砂和卵石。近年來，我國挖砂船分選裝置的研制、推廣使用得到了快速發展，在軸流式、振動篩分選裝置上投入的精力和工作量比較大，取得了一定的成果；但錐型軸流組合橫置式分選篩裝置的研究還比較少，還不夠成熟和系統，相關試驗研究還不夠深入。為完善軸流分選裝置的理論，提高分選效率和改善分選質量，研究設計了錐型軸流組合橫置式分選篩裝置，該裝置滿足采砂船砂石的分選要求，可為采砂船砂石分選裝置的研究提供有利的平臺。

1 軸流式分選機構總體結構與工作原理

錐型軸流分選篩裝置工作時，需根據砂石分選要求，選擇合適的技術參數。料斗挖砂機構將砂石從河底挖出，經鏈輪提升到集料箱中，再經導板導入錐型軸流分選篩中。分選篩有兩層篩架，砂石進入分選篩里層篩片內,隨分選篩一齊轉動，河砂在篩面推力作用下在篩面上滾動并沿軸向流動，一層篩面隔除砂石中＞80mm的大石塊及雜質，由里層排大石口排出，收集裝船運上岸，作進一步的加工處理，以利于河道的疏浚；而細砂和（5～80mm）的中小石塊流入第二層篩面上繼續篩理，經篩分后,二層篩面隔除砂石中的小石塊,并經二層篩面出口進入小石塊接料箱中，砂透過二層篩面經導流板進入砂接料箱，見圖1。

圖1 錐形軸流分選篩篩分示意圖

為提高砂石的質量，透過一層篩面小石塊及透過二層篩面細砂經導流板進入接料箱之前,隨料斗提升上來的水,對錐型軸流分選篩裝置中的砂石進行適當的沖洗,將砂石中的泥土沖出,減少了后續加工的工作量。

2 主要技術參數及結構特點

對錐型軸流分選篩裝置結構和技術參數進行設計時，可通過確定錐型分選篩小端半徑和大端半徑決定分選篩的錐度,選擇分選篩的長度可提高分選效果;選擇分選篩的轉速,可確定將砂石提升的高度,在重力作用下,砂石和篩體分離后,利用自身的質量和下落時產生的加速度對分選篩中的砂石進行打擊,使粘在石塊上的細砂與粘在篩片上的細砂相互分離,提高砂和石塊的分選質量。通過數據采集和分析試驗數據，使錐型軸流分選篩系統的工作可靠、分選質量理想。該分選篩具有結構簡單，功能全面，操作及使用方便的特點。

2.1 轉速的確定

錐型軸流分選篩裝置的內圓半徑設為R，繞通過中心的水平軸勻速轉動，篩內砂石由篩壁上的凸棱帶著上升。為使砂石獲得迫使粘在石塊上的細砂與粘在篩片上的細砂相互分離的能量，石塊應在θ=θ0時才掉下來。石塊只有在獲得足夠大的離心慣性力后才能隨篩壁上升,為此首先確定分選篩的轉數n。

取石塊為研究對象，石塊被旋轉的分選篩帶著沿圓弧向上運動，當石塊到達某一高度時，會脫離筒壁而沿拋物線下落。

石塊在上升過程中，石塊受到重力mg、筒壁的法向反力FN和切向反力F的作用，受力分析見圖2。

圖2 錐形軸流分選篩砂石受力分析圖

列出質點的運動微分方程在主法線上的投影式：

質點在未離開筒壁前的速度等于筒壁的速度：

當θ=θ0時,石塊將落下,這時FN=0

顯然，θ0越小，要求n越大。

當θ=10～15°時,砂石脫離篩網,篩分效果較好,分別代入小端篩網內徑r=0.70m和大端篩網內徑R=1.50m,可求得轉速：

當θ0=0,石塊就會緊貼筒壁轉過最高點而不脫離筒壁下落，起不到砂石和篩網分離后相互撞擊的作用。因此說，分選篩的轉速不能過大,但也不能過小,否則砂石不能隨分選篩上升，起不到分選的作用。當分選篩的轉速為24r/min≤n≤24r/min時,較為合適,砂石將按設計要求進行分選。

2.2 分選篩砂石沿軸向流動分析

砂石隨分選篩轉動時,在摩擦力FS和正壓力FN以及重力mg作用下,其合力為一個方向朝右下方的作用力，該力將使砂石沿軸向自小端向大端移動,在移動過程中,不斷地將細砂、砂石及大石塊分離開來,經過幾次篩分,流出軸長為5m的分選篩后,砂和料石可以達到預期的篩分效果，砂石受力分析見圖3。

圖3 錐形軸流分選篩砂石受力分析圖

2.3 分選篩動力配置

錐型軸流分選篩選用18.50kW的電機來提供動力，轉速為970r/min。通過電機皮帶輪和減速機皮帶輪的大小和減速機的傳動比,使分選篩的轉速在正常工作的轉速范圍內工作。

2.4 其他特性分析

錐型軸流分選篩的支撐水平剛度很小，可以認為不傳遞水平振動力，因此不需校核分選篩的水平振動。作用于分選篩上的垂直周期性振動力，一般僅能引起分選篩的局部振動，該振動有利砂石分選,受影響的僅是支承振動篩的篩軸和支承篩軸的支架，由于分選篩的轉速較低，垂直方向的振動能量較小,因而不需作動力計算。

3 應用情況

錐型軸流分選篩設計完成后，分別在河段多條疏浚采砂船上得到了應用。整個裝置運行穩定，替代了岸上砂卵石分選與洗砂過程，不僅使分選效率提高了3～5倍，而且節省了生產場地，大大提高生產效益。