煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置的設(shè)計(jì)★

陳 蚺， 秦錄芳， 周 臻， 孫 濤， 曹英華

（1.徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221018；2.江蘇仕能工業(yè)技術(shù)有限公司， 江蘇 徐州 221000）

引言

浮選是煤炭分選階段的一個(gè)重要過(guò)程，是提高煤炭利用率和煤炭潔凈處理的一個(gè)主要環(huán)節(jié)[1]。對(duì)浮選后的尾礦漿進(jìn)行機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)，并對(duì)浮選藥劑比例加以調(diào)整，可提高整個(gè)浮選工藝的利用率[2]。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)過(guò)程中，煤泥浮選尾礦漿表面會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，同時(shí)泥煤混合物會(huì)沉于尾礦漿底部會(huì)導(dǎo)致尾礦漿表面水質(zhì)變清，這些都不利于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)。

基于此，設(shè)計(jì)煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置，達(dá)到快速清除泡沫和讓泥煤混合物均勻分布的功能，可為后續(xù)的機(jī)械視覺(jué)檢測(cè)提供可靠的檢測(cè)基礎(chǔ)。

1 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置要滿足兩個(gè)需求：一是能高效快速去除煤泥浮選尾礦漿表面產(chǎn)生的泡沫，能讓后續(xù)的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)裝置能夠快速精確看到液體表面情況；二是能夠?qū)⒊猎谖驳V漿底部的泥煤混合物質(zhì)攪拌起來(lái)，使其均勻分布在液體中，避免因泥煤混合物沉于底部導(dǎo)致尾礦漿表面水質(zhì)顏色清淡而產(chǎn)生的識(shí)別誤差。

目前市場(chǎng)上的還沒(méi)有具體專門去沫前置，個(gè)別采用一塊擋板往復(fù)刮去泡沫，可以一定程度減少泡沫，但還是不能高效快速地去除表面的白沫，也沒(méi)有攪動(dòng)底部泥煤混合物的裝置。本文所設(shè)計(jì)的煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置采用雙向旋轉(zhuǎn)去沫板去沫，同時(shí)中間用電機(jī)加同步帶驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸，帶動(dòng)底部螺旋槳旋轉(zhuǎn)，攪動(dòng)底部泥煤混合物，使其浮動(dòng)于整個(gè)液體中。同時(shí)底部上升流將表面泡沫向兩側(cè)推動(dòng)，提高去沫速度。

1.1 去沫傳動(dòng)軸部分的設(shè)計(jì)

軸的失效形式與軸的工作條件有關(guān)。在一般轉(zhuǎn)速和載荷條件下，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，大多會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度或剛度的失效。設(shè)計(jì)軸所需要的原始數(shù)據(jù)和條件有：軸系的功率P，軸的轉(zhuǎn)速n、軸上的傳動(dòng)件的參數(shù)，受力狀況及軸系工作環(huán)境。

先估算軸的最小直徑（mm），軸的強(qiáng)度（MPa）計(jì)算根據(jù)軸的承載情況[3]，其強(qiáng)度條件計(jì)算公式為：

根據(jù)計(jì)算公式（1）改寫成公式（2）：

式中：C 為由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。去沫傳動(dòng)軸部分的主要零部件采用45 鋼，具體參數(shù)見(jiàn)表1，其裝配結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

表1 去沫傳動(dòng)軸部分的主要組成零件

鍵槽會(huì)削弱軸的強(qiáng)度，當(dāng)截面有一個(gè)鍵槽時(shí)，需要將軸徑加大3%。軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中受彎矩和扭矩，且多受變應(yīng)力作用。在一般工作條件下，軸采用45 鋼，相比其他合金鋼，價(jià)格便宜，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低[4]。

長(zhǎng)軸一般采用45 鋼材料，其C 在106～117 之間，取117，電機(jī)選用90S-4 三相異步電機(jī)，額定功率為1.1 kW，轉(zhuǎn)速為20 r/min，將數(shù)值帶入公式（2），計(jì)算得出d≥44.5 mm，軸取直徑55 mm，45 鋼材質(zhì)符合其強(qiáng)度要求。

因?yàn)槿ツ瓌澃逯饕糜趧澴吲菽渌茏枇珊雎圆挥?jì)，則電機(jī)提供的輸出力矩（N·m）為：

將功率1.1 kW 和轉(zhuǎn)速20 r/min 代入上式，得T=525.25 N·m。

根據(jù)電機(jī)的特點(diǎn)，電機(jī)帶動(dòng)去沫部分在0.1 s 內(nèi)達(dá)到20 r/min 的轉(zhuǎn)速，此時(shí)去沫部分需要的力矩最大。去沫部分中的去沫劃板工作在水平面上，主要用于劃走泡沫，其所受阻力可忽略不計(jì)，因此可把去沫部分簡(jiǎn)化為軸類零件，則去沫部分旋轉(zhuǎn)需要的最大力矩（N·m）為：

根據(jù)去沫部分旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速20 r/min，得ω=2π×20/60=2.09 rad/s，時(shí)間t=0.1 s，去沫部分零件采用的是鋼材，密度取ρ=7.8×103kg/m3，去沫部分簡(jiǎn)化為軸（直徑D=0.055 m、軸長(zhǎng)h=0.5 m），數(shù)據(jù)代入公式4，則T去沫=0.07 N·m，遠(yuǎn)小于T電，即所選電機(jī)能完全滿足去沫部分旋轉(zhuǎn)所需力矩。

1.2 底部攪拌部分的設(shè)計(jì)

底部攪拌部分的裝配結(jié)構(gòu)見(jiàn)上頁(yè)圖2。軸的外軸套采用分段設(shè)計(jì)，分為上支撐板和下支撐板，便于加工安裝。同時(shí)下支撐板固定于儲(chǔ)存箱上的固定板上。軸和軸承固定在套筒中。軸的低端加工一段40 mm的螺紋，安裝上螺旋槳。軸的頂端安裝上V 帶輪，通過(guò)同步帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的傳遞。電機(jī)工作時(shí)，同時(shí)帶動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)并攪動(dòng)底部的泥煤混合物。

V 帶輪傳動(dòng)比較大，結(jié)構(gòu)緊湊，普通V 帶是無(wú)接頭的傳動(dòng)帶，所以傳動(dòng)較平穩(wěn)，應(yīng)用較為廣泛。它的主要時(shí)效形式是打滑和疲勞破壞[5]。帶輪的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在不打滑的條件下，具有一定的疲勞強(qiáng)度。

當(dāng)給定工作功率為9 kW，因?yàn)檩d荷變動(dòng)小，KA=1，為普通V 帶，小帶輪轉(zhuǎn)速n1=500 r/min。

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，選擇普通帶型為B，傳動(dòng)比i=2。小帶輪基準(zhǔn)直徑為125 mm，大帶輪基準(zhǔn)直徑250 mm，計(jì)算額定功率P'=KAP=9 kW。

2 煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置的工作原理和各部分的功能，將零件按順序裝配起來(lái)，總裝配體如圖3 所示。

煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置包括液體儲(chǔ)存箱，中間裝有底部攪拌裝置，外框下支撐架（14）與支撐板（16）固定，下支撐架（14）又固定上支撐架（13），支架里面裝有4 個(gè)圓錐滾子軸承，裝有一個(gè)長(zhǎng)軸（12），長(zhǎng)軸（12）底部帶有螺紋，連接攪拌螺旋槳。軸（12）頂裝有一個(gè)大徑同步帶輪（11），儲(chǔ)存箱側(cè)邊固定一個(gè)鐵板框架（7），用來(lái)固定電機(jī)（8），電機(jī)（8）上裝有一個(gè)小徑同步帶輪（9），兩個(gè)同步帶輪（8）（9）用兩個(gè)同步帶（10）進(jìn)行傳動(dòng)。儲(chǔ)存箱兩側(cè)焊接一個(gè)盛沫池（2）（15），在裝置一邊有一個(gè)腳支撐架（17），固定著電機(jī)（5），帶動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，儲(chǔ)存箱左頭兩邊固定著兩個(gè)立式軸承座（6），固定軸，軸上套有一個(gè)軸套（4），軸套上有六個(gè)固定板（1），三三對(duì)稱，一邊各有六個(gè)固定夾板，將各邊的固定板固定，固定板的上端再固定去沫劃板（3）。儲(chǔ)存箱右頭兩邊固定著兩個(gè)立式軸承座，固定軸，軸上套有一個(gè)軸套，軸套上有六個(gè)固定板三三對(duì)稱，一邊各有六個(gè)固定夾板，將各邊的固定板固定，固定板的上端再固定去沫劃板。

將泥煤水導(dǎo)入液體儲(chǔ)存箱中，整裝置工作時(shí)，電機(jī)（8）運(yùn)行，使小帶輪（9）開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)同步帶（10）將功率傳遞到大帶輪（11），使軸（12）開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)使底部的螺旋槳攪動(dòng)著水中的泥煤水，使沉在底部的泥煤水浮動(dòng)于整個(gè)水中，攪拌同時(shí)產(chǎn)生一些泡沫，從中間往兩邊浮動(dòng)。電機(jī)（5）通過(guò)軸使軸套（4）旋轉(zhuǎn)，固定在軸套（4）上的劃板（3）圍繞著軸套做360°旋轉(zhuǎn)，將水面上的泡沫推入盛沫池（2）中，另一側(cè)同理，將水面上的泡沫推入盛沫池（15）中。

設(shè)計(jì)的煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置能消除煤泥浮選尾礦漿泡沫，并且能攪動(dòng)沉在底部的泥煤混合物使其均勻分布在尾礦漿中，為后續(xù)的機(jī)械視覺(jué)檢測(cè)提供可靠的檢測(cè)基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

采用SolidWorks 軟件，對(duì)去沫傳動(dòng)軸和底部攪拌部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上完成了煤泥浮選尾礦漿泡沫消除裝置的三維設(shè)計(jì)，該裝置能消除煤泥浮選尾礦漿泡沫，并且能攪動(dòng)沉在底部的泥煤混合物使其均勻分布在尾礦漿中，為后續(xù)的機(jī)械視覺(jué)檢測(cè)提供可靠的檢測(cè)基礎(chǔ)。