疊層電磁振動篩動力學及技術優勢分析

趙環帥 尹德奪

(1.中國冶金礦山細粒篩分機械工程技術研究中心，河北省唐山市，063020; 2.唐山杰斯德科技有限公司，河北省唐山市，063020)

隨著采煤機械化程度的不斷提高、煤田地質條件的復雜化及原煤品質呈多樣化態勢。原煤中的粉煤含量越來越高，選煤廠煤泥入洗比例不斷提高，因此，許多選煤廠紛紛增設粗煤泥分選設備，以提高粗煤泥的分選精度。但又出現了粗精煤泥細泥夾帶、污染精煤等新問題[1-2]。

目前，現有的弧形篩、高頻篩等傳統的脫泥、脫水設備已不能滿足市場對粗精煤產品質量的要求。由于電磁振動篩適用于各種細粒物料的干法與濕法篩分，其篩面高頻振動、篩箱不動，具有節能高效的特點。近些年，部分選煤廠采用電磁振動篩取代弧形篩等傳統篩分設備，以脫除粗精煤中的高灰細泥，從而提高精煤質量和經濟效益，取得了良好的應用效果[3-4]。但存在的問題是，受目前技術水平所限，電磁振動篩有效寬度及篩分面積過小，難以滿足選煤廠對大型化設備及技術改造的需要。因此，研制開發了疊層電磁振動篩，在占地面積一定的情況下，通過增加篩面層數來增加有效篩分面積，進而提高篩分效率。

1 疊層電磁振動篩的工作原理與結構特點

1.1 工作原理

疊層電磁振動篩采用電磁激振器作為動力源，通過驅動傳動裝置帶動振動機構實現篩網振動，而篩箱基本保持不動。振動系統處于近共振狀態，可以較小的激振力達到所需的工作參數，電磁激振器系統結構示意圖如圖1所示。

1-篩箱(側板)；2-振動器殼體； 3-電磁鐵； 4-銜鐵； 5-橡膠主振彈簧；6-傳力連桿； 7-橡膠鉸鏈彈簧； 8-振動桿；9-振動軸； 10-橡膠扭轉彈簧；11-振動臂；12-快裝振動帽；13-篩網；14-隔振彈簧圖1 電磁激振器系統結構示意圖

電磁激振器系統由激振器殼體、電磁鐵、銜鐵傳力螺栓組件、橡膠主振彈簧等組建組成。激振器殼體固定在篩箱側板外側，電磁鐵與激振器殼體相聯，銜鐵傳力螺栓組件串起分別位于殼體內外的兩個橡膠主振彈簧，安裝于殼體內，在電磁鐵與銜鐵傳力螺栓組件之間留有氣隙δ。

傳力連桿在一端O2點與銜鐵傳力螺栓組件固接，在O1位置處與振動桿的一端由橡膠鉸鏈彈簧鉸接，振動桿的另一端與振動軸固接。振動軸橫穿篩箱，水平置于篩網下面，在其上成一定角度固接若干個振動臂，在振動臂的尾部安裝有快裝振動帽，快裝振動帽沿篩箱寬度方向呈條狀且其頂部與篩網接觸。振動軸的兩端由2個固定在篩箱兩側板外側的橡膠扭轉彈簧所支撐，由于橡膠扭轉彈簧徑向剛度較大，振動軸受其約束，基本上只能作扭轉運動。

電流經可控硅半波整流輸入線圈，在電磁鐵與銜鐵組成的閉合磁路中產生交變磁通量，電磁鐵產生的交變電磁力使銜鐵以50 Hz的頻率振動。銜鐵的振動通過傳力連桿驅動振動桿的一端O1振動，振動桿再驅動振動軸以O點為轉心作扭轉振動，從而帶動振動臂及快裝振動帽垂直于振動臂往復振動，由于快裝振動帽與篩網的接觸激振篩網，而篩箱基本不動。振動系統處于近共振狀態，用較小的激振力就可達到所需的工作參數。電磁振動篩每層篩箱有4組振動系統沿篩箱縱向(長度方向)布置，在激振器的帶動下共同激振篩網，使篩網產生50 Hz的高頻振動。激振器經控制裝置設置，具有瞬時強振功能以隨時清理篩網，減少篩孔堵塞。通過調整電流的大小，便可隨時調節振幅。

1.2 結構特點

疊層電磁振動篩為振網式結構，篩箱基本不動。機架下端的橡膠減振器及篩箱與機架的二次減振系統，進一步減小了對基礎的動載荷，可近似認為只有靜載荷而無動載荷。疊層電磁振動篩總體結構(以四層結構為例)如圖2所示。

疊層電磁振動篩有多層篩箱，依據人體工程學，每層篩箱之間的間距既要充分考慮更換篩網等操作所需空間，又要考慮盡量小的占地面積和空間高度。篩箱由兩側伸出的支撐梁架在機架上，用橡膠塊進行減振，且可根據使用現場各項篩分指標的需要調節角度。為了操作方便，兩側布置檢修臺，以達到篩機每個位置操作都很方便的目的。疊層電磁振動篩主要結構件的特點如下所述。

(1)篩箱。篩箱主要包括篩框、篩網、激振器、傳動系統等。疊層電磁振動篩的規格型號主要體現了篩箱的數量和結構。篩箱的數量決定篩機的層數。篩箱分單聯和雙聯兩種形式，單聯只有一個通道且只在篩箱一側裝有激振器，雙聯有兩個通道且在篩箱兩側裝有激振器。篩框結構簡單、緊湊、重量輕。篩網由3層網組成，下面一層與振動帽接觸的為托網，一般為鋼絲繩芯聚氨酯網或大孔徑鋼絲網。上面一層與物料接觸的為工作網，由兩層不同孔徑的篩網粘接在一起組成。此種篩網質量輕、開孔率高。托網的安裝主要為縱向張緊在篩箱中單聯與雙聯的篩箱復合網，為了解決雙通道在篩網縱向安裝時中隔板處側密封的問題，將篩網橫向張緊在篩箱中。

(2)機架。機架由左右兩側架、橫梁與減振彈簧組成，為框架結構。

(3)給料箱。給料箱用于輸送物料，使物料沿篩面均勻分布并充分篩分。依據給料箱的結構不同，其可以用不同的方式與篩箱聯接。

(4)收料槽。收料槽用于收集每層篩箱篩分后的篩上和篩下物料，各層篩上料、篩下料分別匯集后導出。收料槽獨立安裝于篩下。

(5)瓦座減振組合。瓦座減振組合是篩箱與機架聯接的主要部件，安裝在篩箱兩側的支撐管梁上。瓦座減振組合1只起篩箱與機架之間的彈性聯接，瓦座減振組合2將篩箱與機架彈性聯接在一起，同時可以使用調節塊調節篩箱的安裝角度。

2 振動系統動力學分析

疊層電磁振動篩振動系統以橡膠主振彈簧和橡膠扭轉彈簧的連接為分界，可分為振動部分M1(銜鐵傳力螺栓組件、傳力連桿、橡膠鉸鏈彈簧、振動桿、振動軸、振動臂和快裝振動帽)和固定部分M2(篩箱及其機架、激振器殼體和電磁鐵)兩大部分。篩箱及機架通過隔振彈簧支撐于基礎上，振動桿、振動軸、振動臂、快裝振動帽以振動軸的軸心為轉心做扭轉運動。振動系統的數學模型如圖3所示。

圖3 振動系統的數學模型

由圖3可知，這是2個自由度的受迫振動系統。由于M2遠大于M1，所以M2的振幅要遠小于M1的振幅，M2近似不動，微小的振幅通過隔振彈簧傳給地基的動載荷較小，近似于整個系統的靜載荷。適當地確定M1和M2之間主振彈簧的剛度，可以使系統的振動處于近共振狀態，這樣能夠以較小的激振力來獲得所需要的振幅，功率消耗也能夠大大減少。將圖3所示的2個自由度受迫振動系統的數學模型進行簡化，可以將其轉化為一個誘導質量M(即質量M1和質量M2的當量質量)的一個自由度的受迫振動系統，受迫振動系統的數學模型如圖4所示。

圖4 受迫振動系統的數學模型

由圖4受迫振動系統的數學模型可以得到運動的微分方程見式(1)：

Mx″+fx′+kx=F(t)

(1)

f——為相對阻尼系數，N/(m·s-1)；

k——彈簧剛度，N/m；

F(t)——激振力，N；

x——位移，m。

其特解見式(2)：

x=λsin(ωzt-α)

(2)

式中：λ——M1與M2之間的相對振幅，m；

ωz——振動軸回轉的角速度，rad/s；

t——時間，s；

α——相對位移與激振力之間的相位差，(°)。

疊層電磁振動篩中的激振力是經可控硅半波整流而產生的電磁力，具有周期性、不連續、非諧波形式的特點，周期為2π，電磁力由平均電磁力、一次諧波激振力以及二次諧波激振力3部分組成。激振力計算公式見式(3)：

(3)

式中：Fa——基本電磁力，N；

ω——電源角頻率，rad/s；

t1——一次諧波激振力的時間，s；

t2——二次諧波激振力的時間，s。

將式(2)和式(3)代入式(1)進行求解可得：

(4)

式中：λ——M1與M2之間的相對振幅，m；

Z0——頻率比，取0.9；

b——相對阻尼比，取0.05。

彈簧剛度為振動系統主振彈簧的剛度與振動軸上2個橡膠扭轉彈簧的剛度之和，設計時已加以匹配。根據激振力進行電磁鐵的設計計算，為了使激振器體積小型化，確定電磁鐵的鐵芯硅鋼片型式為“山”型，結構緊湊，便于安裝，計算磁極面積見式(5)：

(5)

式中：S——磁極面積，m2；

S′——一個氣隙的磁極面積，m2；

Fmax——最大激振力，N；

B0——氣隙磁密交流幅值，T。

由磁極面積確定鐵芯尺寸，電磁線圈的匝數與線徑計算見式(6)：

(6)

式中：W——線圈匝數，圈；

U——電源電壓，V；

Boτ——鐵芯磁密，T；

f——振動頻率，Hz；。

采用可控硅半波整流間歇觸發來設計控制裝置，通過的電流計算見式(7)：

(7)

式中：I=——平均直流分量，A；

I0——基本電流，A；

γ——隙幅比；取值0.8

ε——力與位移夾角，(°)。

激振力所完成的有功功率計算見式(8)：

(8)

式中：V——電流電壓有效值，取380 V；

I0——基本電流，A；

α——相位差角，(°)。

3 技術優勢分析

3.1 關鍵技術及創新點

(1)多個篩箱單元疊層布置，可有效節省設備占地面積，增加物料處理量。

(2)可根據現場工況對各篩箱單元振幅、頻率等振動參數單獨調節，各篩箱單元也可獨立工作。

(3)電磁激振器通過傳動裝置激振篩網，篩網處于近共振狀態，且振幅較大，實現了低振動強度下的高效篩分。

(4)各個篩箱單元篩分產物的篩上和篩下出料各自匯集一起導出。

(5)采用數字控制篩分系統的控制裝置，可對各種篩分系統工藝參數進行調節，實現遠程集中控制。

(6)采用隔振及阻尼的協同效應，降低了篩機動載荷對基礎的沖擊，達到了最佳的減振效果。

3.2 與國外同類產品技術比較

在國內，疊層電磁振動篩并無同類產品；在國外，同類產品疊層直線振動篩在工作原理及關鍵技術上有較大不同。

(1)驅動裝置。國外疊層篩分設備由筒式振動電機帶動所有篩箱直線振動，功耗較大。而疊層電磁振動篩由電磁激振器驅動傳動裝置拖動多組振動機構激振篩網，工作中激振力可調，且易于控制。

(2)篩箱。國外疊層篩分設備的各層篩箱通過聯接梁組成一個整體，而疊層電磁振動篩各層篩箱具有電磁激振器， 各層篩箱獨立互不干涉，功耗低且篩網不易堵塞。

(3)篩箱與機架聯接。國外疊層篩分設備在所有篩箱聯接后，需要由多個橡膠剪切彈簧與機架進行聯接，安裝難度較大，并且減振后對地基也有一定的動載荷。而疊層電磁振動篩每層篩箱獨立擺放在機架上，由橡膠塊進行二次減振，安裝容易，篩箱單元可獨立進行角度調節，由于篩箱本身動載荷較小，因此對地基動載荷較小。

4 結語

疊層電磁振動篩具有占地面積小、處理能力大及篩分效率高等諸多優點，在選煤廠煤泥處理方面，可以較好地對煤泥進行細粒分級。在選礦廠的細篩再磨工藝中，也可以取代傳統的分級設備，提高分級效率、改善分選效果；在建材、化工及環保等領域，也獲得了廣泛推廣應用。