（机械工程专业论文）twz1500卧式振动离心机产品开发与动力学分析.pdf

浙江大学工程硕士学位论文 t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 摘要 本文围绕t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析展开研究。给出 了t w z 一1 5 0 0 卧式振动离心机的技术性能，对卧式式振动离心机的工作原理和物 料运动进行了分析，重点阐述了卧式振动离心机的工作原理和运动学参数及工艺 参数。设计了该离心机的结构并利用三维结构设计软件s o l i d e d g e 建立了整机三 维实体模型。 建立了t w z - 1 5 0 0 卧式振动离心机的理论振动模型。采用解析方法求解了 t w z - 1 5 0 0 卧式振动离心机受迫简谐振动，并利用m a t l a b 编程分析了两级振 动体的不同质量比、刚度比、阻尼比对两级振动体振幅的影响。得出以下结论： 在设计t w z - 1 5 0 0 卧式振动离心机时一级振动体与二级振动体的质量比应取较 大值，且应该通过增大一增大质量比；刚度比应取较大值，且应该通过增大最增 大刚度比：阻尼比应取较小值，且应该通过减小岛减小阻尼比，这样才能使二 级振动体的振幅满足要求而一级振动体的振幅很小。 进行了t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机的动力学分析。结合复杂结构有限元建模 时几何模型简化、网格划分、连接关系建模、约束与载荷建模等相关内容的阐述， 建立了t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机的有限元模型。对t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机 进行了模态分析，得出t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机的理想工作频率是2 4 5 8 h z 。 由振动电机的参数知，振动电机激振频率为2 4 1 3 3 h z ，说明振动电机的选取较为 合理。对t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机进行谐振分析，整机谐振分析结果表明，其 一、二级振动体的振幅与工程样机试验结果十分吻合，说明理论分析结果正确， 振动值达到设汁目标，该机结构设计较为合理。 关键词：卧式振动离心机、振动理论、有限元、模态分析、谐振分析 浙江大学工程硕士学位笙苎 ! ! 圣：! ! ! ! 壁墓堡垫童：堂塑主曼墅垄皇塾垄兰坌塑 - - _ _ _ _ 一一 。 a b s t r a c t t h ep 印e rm a k e sas t u d yo nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n ta n dk i n e t i ca n a l y s i so f t w z 1 5 0 0h o r i z o n t a l v i b r a t i n g - c e n t r i f u g e g i v e st e c h n o l o g yp e r f o n n a n c e o f t w z 15 0 0h o r i z o n t a lv i b r a t i n gc e n t r i 如g e ，a n a l y s e s t h e w o r k i n gp r i n c i p l e a n d m a t e r i a lm o t i o no ft h eh o r i z o n t a lv i b r a t i o nc e n t r i f u g e ，f o c u s i n g o nt h ew o r k l n g p r i n c i p l eo fc e n t r i f u g a l h o r i z o n t a lv b r a t i o n ， k i n e m a t i cp a r a m e t e r sa n dp r o c e s s p a r a m e t e r s d e s i g ns t r u c t u r eo ft h ec e n t r i 如g ea n da d o p tt h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g n s o 脚a r es o l i d e d g ef o re s t a b l i s h i n gat h r e e d i m e n s i o n a l s o l i dm o d e lo fc o m p l e t e m a c h i n e ， t h ep a p e rm a k e s at h e o r e t i c a lv i b r a t i o nm o u l d f o ft h et w z _ 15 0 0 h o r i z o n t a l v i b r a t i n g c e n t r i f u g e a d o p tt h ea n a l y t i c a l m e t h o dt os e e kf o r c es i m p l e h a r m o n i cv i b r a t i o no ft h e t w z 15 0 0h o r i z o n t a l v i b r a t i n g c e n t r i f u g e a d o p t s m a t l a bp r o g r a m m et o a 任宅c to fa n a l y s ed i f f e r e n tm a s sr a t i o ，n g l d i t yr a t l o a n d d 锄p i n gr a t i of o rt w os t a g ev i b r a t i o nb o d i e so na m p l i t u d e t h ec o n c l u s i o n ss h a l l b e a sf o l l o w s ：w h e nd c s i g nt w z 一15 0 0h o r i z o n t a l - v i b r a t i n g c e n t r i m g e ，t h e1 a 略e rv a i u e o fm a s sr a t i oo fp r i m i a 拶s t a g ev i b r a t i o nb o d ya n ds e c o n d a r ) rv i b r a t i o nb o d ys h a l lb e t a k e n t h em a s sr a t i o ns h a l lb et a k e na n de n l a 唱e db ye n l a 略i n g掰1 t h ei a 唱e rv a i u e o fr i g i d i t yr a t i os h a l lb et a k e na n de n l a 唱e db ye n l a r g i n g 毛t h es m a l l e rv a l u e o f d a m p i n gr a t i os h a l lb et a k e na n dd e c l i n e db yr e d u c i n g 岛o n l yb yd o i n gt h l s ，t h e a m p l i t u d e0 fs e c o n d a r yv i b r a t i o nb o d yc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，m e a n w h i l e ，t n e a m p l i t u d eo fp r i m a 叫v i b r a t i o nb o d yi ss m a l l c a r r vo u td v n a m i ca n a l y s i so ft w z l5 0 0h o r i z o n t a lv i b r a t i o no fc e n t r l t u g e s c o m b i n e dw i t hn n i t ee l e m e n tm o d e l i n go fc o m p l e xs t r u c t u r e ss l m p l l t l e dg e o m e t l m m e s h i n g ，c o n n e c t i v i t ) ，m o d e l i n g ，c o n s 仃a i n t s a n dl o a dm o d e l i n ga n do t h e rr e l a t e d c o n t e me x p o s i t i o n ，e s t a b l i s h e dt w z - 1 5 0 0h o r i z o n t a lv i b r a t i n gc e n t r i m g e 士i n l t e e l e m e n tm o d e l h o r i z o n t a lv i b r a t i o no ft w z - 1 5 0 0c e n 仃i f u g em o d a la n a l y s l 8 ，t h e t w z 15 0 0h o r i z o n t a lv i b r a t i o nf r e q u e n c yi s t h ei d e a lc e n t r i f u g e2 4 5 8 h z k n o w n d a r a m e t e r sf r o mt h ev i b r a t i o nm o t o r ，v i b r a t i o nm o t o re x c i t a t i o n 骶q u e n c y2 4 3 3 h z ， e x d l a i nt h es e l e c t i o no ft h ev i b r a t i o nm o t o ri sm o r er e a s o n a b l e h o r i z o n t a lv m r a t l o n o ft w z 一15 0 0c e n t r i f u g er e s o n 锄c ea n a l y s i s ，t h ew h o l er e s o n a n c ea n a l y 8 1 8 8 h o w e d t h a t f i r s t ，t h ea m p l i t u d eo fp r i m a r ya n ds e c o n d a d ，v i b r a t i o nb o d l e sa n de n 9 1 n e e n n g l l p r o t o 咖et e s tr e s u l t sa r ev e r yc o n s i s t e n t ，i n d i c a t i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i si sc o r r e c t ， t h ev i b r a t i o nv a l u et om e e tt h ed e s i g ng o a l s ，t h em a c h i n e d e s i g ni sm o r er e a s o n a b l e k e y w o r d s ：h o r i z o n t a lv i b r a t i n g m o d a l a n a l y s i s ，h a r m o n i ca n a l y s i s c e n t r i 如g e ，v i b r a t i o nt h e o 叮，6 n i t ee l e m e n t ， l l 浙江大学工程硕士学位论文 t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 1 1 选题背景及意义 1 引言 煤炭仍是我国的主体能源，分别占一次能源生产和消费总量的7 7 和7 0 以上，我国以煤为主的能源结构在相当长的时间内难以发生根本性的改变。大量 生产和消费煤炭，无论对区域环境，还是对全球气候都造成很大影响。选煤是洁 净煤技术的基础，也是煤炭深加工和洁净、高效利用的前提。在低碳发展、绿色 经济的大背景下，国家鼓励和提倡发展洁净煤技术。 地下采出的原煤许多情况下是不能直接利用的，需要对原煤进行洗选加工。 选煤是将采出的煤经人工和机械处理除去非煤物质，并按需要分成不同质量、规 格产品的过程。原煤洗选的主要任务是：降低煤的灰分，使混杂在煤中的矸石、 煤矸共生的夹矸煤与煤炭按其相对密度、外形及物理陛质方面的差别加以分离。 同时，降低原煤中无机硫含量。通过洗选加工可以满足各种不同用户对煤炭质量 指标的要求。 选煤方法分两大类：干法选煤( d 拶c o a lp r e p a r a t i o n ) 和湿法选煤( w e tc o a l p r e p a r a t i o n ) 。采用湿法选煤的选煤厂简称洗煤厂。在我国，炼焦煤的的选煤厂都 是湿法选煤。国家鼓励发展煤炭洗选加工，统计数据统计表明，动力煤洗选后可 提高燃煤效率1 0 至1 5 ，排除原煤中无机硫硫分的6 0 至8 0 ，对于提高煤 炭利用率、降低燃煤引起的严重污染有重要作用。炼焦煤入洗后，产生的中煤、 泥煤和洗矸可以作为坑口电厂和综合利用电厂的燃料。原煤经过洗选加工、分级 后，选煤既可以作为商品煤外运销售，也可作为工业原料进行深加工转化，增加 产品附加值。在业界，选煤业素有“摇钱树”之称。“十一五”期间，全国选煤厂原 煤入洗能力由2 0 0 5 年的8 4 亿吨增加到2 0 1 0 年的1 7 8 亿吨，原煤入洗率由3 1 9 增长到5 0 9 。与发达国家原煤7 0 的入选率相比我国选煤业仍存在较大发展空 间。随着我国煤炭资源开发战略性西移，加快大型现代化洗煤厂建设将会有效缓 解运输瓶颈的制约。如果全国每年原煤入选l 亿吨，可以排除矸石1 8 0 0 万吨， 节省运力1 0 8 亿吨公里，节省运费、装卸费、存储费达1 0 多亿元。 在选煤厂中，经过洗选后的煤带有大量的水，水分过高的煤会给贮存、运输 和使用造成浪费和困难，特别是在寒冷地区。因此，产品脱水作业是湿法选煤工 艺过程中必不可少的重要环节。在选煤厂，销售精煤的综合水分一般要求达到 1 0 以下，高寒地区或特殊需要甚至要求达到8 以下。 煤炭的洗选是通过选煤机械来实现的，经过洗选后的煤必须在不同的脱水设 备中进行脱水。离心脱水机( c e n t r i f - u g e ) 是利用离心力分离液体和固体的机械； 1 浙江大学工程硕十学位论文 t w z 一1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 过滤式离心脱水机( b a s k e tc e n t r i f u g e ) 是在离心力的作用下，加到旋转的圆锥形 筛篮中的含水末煤紧贴在筛面上，水则通过固体的间隙和筛缝甩出，从而实现末 煤脱水的机械。离心脱水机主要分为离心过滤式和离心沉降式。过滤式主要用于 较粗颗粒物料的脱水；沉降式主要用于细颗粒物料的脱水。 离心脱水是依靠旋转运动所产生的离心力来加速物料脱水的过程，它可以把 末煤的水分降低8 以下。过滤式离心机按卸料方式的不同大致可以分为刮刀卸 料和振动卸料。卧式振动离心机属于过滤型设备，使用带筛篮作转子，筛篮内壁 上的煤层中所含的水透过煤层空隙和筛孔甩出，它采用的离心脱水方法是最有效 的机械脱水方法。筛篮在做旋转运动的同时，还产生轴向振动。从而，煤在离心 脱水过程中，受到强力的抖动和松散，降低了滤液的排出阻力。卧式振动离心机 逐渐成为选煤厂块煤脱水的主导机型。 在选煤厂，卧式振动离心机( h o r i z o n t a lv i b r a t i n gc e n t r i f u g e ) 主要用于粒度 为0 1 3 m m 的中、精煤脱水，也可用于粒状物料，如食盐、砂子等的脱水。卧 式振动离心机具有生产能力高、脱水效果好、煤的粉碎率低、入料粒度上限大、 设备投资低、耗电低、占地面积少等优势。从发展趋势看，世界各国都在积极发 展卧式振动离心脱水机。围绕煤炭的洁净化加工和利用，发展以煤炭洗选加工为 重点的煤炭产品洁净化技术及装备已经成为国内选煤技术和装备的主要发展方 向。随着原煤入选比例的继续攀升，现代化选煤厂大型化、模块化依赖于卧式振 动离心机的大型化、高效化、标准化和自动化。 1 2 国内外研究进展 振动离心脱水机应用于我国煤炭工业中的细粒煤和煤泥的脱水。根据振动离 心机主轴的安装方式不同，分为立式和卧式两种。前者主要有美国的v c 4 8 型 和v c 5 6 型，国产的主要有t z 1 2 型和t z 1 4 型；后者主要有澳大利亚 l u d o w i c i 的v m 系列、荷兰t e m a 有限公司的h s g 系列、德国s c h e n c k 公司s c c 系列等，国产的主要有天地科技股份有限公司的w z y 系列、北京中 机伟林的w l 系列、中实洛阳重型机械有限公司的t w z 系列等。虽然机型很多， 但各机型之间的差别主要体现在振动系统和激振方法不同。表1 1 表1 5 为国内 外几家主要生产厂商的产品参数，图1 1 图1 3 分别为中实洛阳重型机械有限公 司的t z 系列立式振动离心机、中实洛阳重型机械有限公司的t w z 系列卧式振 动离心机、澳大利亚l u d o w i c lv m 系列卧式振动离心机。 表1 1 美国v c 型离心脱水机的技术特征1 】 入料筛篮大筛篮大 筛篮 项目 筛面筛缝宽开孔率总质量 水分端直径端离心 寿命 型号 形式m mt m m 强度h 楔形 v c 4 83 51 2 2 07 2 1 ；o 7 5 ；0 52 4 ；1 8 ；1 3 2 0 0 05 7 0 0 筛条 楔形 v c 5 63 51 4 2 07 4 l ；0 7 5 ；0 52 4 ；1 8 ；1 3 2 0 0 01 0 4 5 0 筛条 表1 - 2 美国v c 型离心脱水机入料粒度、水分与处理量的关系1 7 55 03 82 55 03 81 3 2 51 39 56 5 入料粒度m m ，、一 ， ，、一， 6 56 56 56 5o 60 6 6 50 6o 6o 60 6 处理量 2 0 01 9 01 8 01 6 0 1 6 01 5 01 4 01 4 01 2 51 1 51 1 0 t h 1 v c 4 8 外在水 食| 2 o2 02 02 52 52 53 0 3 55 06 ，57 5 处理量 3 2 53 1 53 0 02 7 02 7 02 5 52 3 52 3 52 1 01 9 51 8 5 t h 1 v c 5 6 外在水 分胍 2 02 02 02 52 52 5 3 03 55 06 57 5 表1 3 澳大利亚l u d o w i c iv m 系列卧式振动离心机 产品型号 v m 6 0 0v m l l 0 0 v m l 3 0 0 v m l 4 0 0 v m l 5 0 0v m l 6 5 0 名义产量( t p h ) 2 01 5 02 5 0 3 0 03 5 0 4 1 0 筛篮直径( m m ) 6 0 01 1 0 01 3 0 01 4 0 01 5 0 01 6 5 0 筛篮倾角( d e g r e e ) 1 5 1 31 3 1 5l 5 1 5 筛缝间隙( m m ) 0 4 o 50 4 o 5o 4 o 50 4 0 5o 4 0 50 4 o 5 1 o 主电机( k w ) 7 53 0 3 7 4 57 57 5 振动电机( 2 ) “k w ) 1 13 03 03 o5 55 5 油泵电机( k w ) n a0 7 5o 7 50 7 5o 7 5o 7 5 设备重量( t ) 1 678 18 21 1 91 3 5 表1 4 荷兰t e m a 有限公司h s g 卧式振动卸料过滤离心机 h s gh s gh s gh s gh s gh s gh s g 型号 1 0 0 01 1 0 01 2 0 01 3 0 01 4 0 01 5 0 01 6 5 0 1 0 01 7 01 9 02 4 02 4 03 5 03 5 0 进料粒度 ，u， o 5 5 0 m m 名义产量+ 讹 1 5 01 9 0 2 4 02 8 03 5 04 0 0 5 0 0 8 0 1 4 0 1 5 0 2 0 0 2 4 0 3 0 0 3 2 0 0 5 1 3 m m 1 4 01 6 02 2 02 4 03 1 03 2 04 5 0 电机额定功率 k w2 2 2 2 3 03 74 5 5 55 5s s n 57 5 9 0 长 m m 2 2 3 02 3 5 0 2 4 5 0 2 9 0 02 9 0 02 9 0 03 9 2 0 宽 m m1 7 6 51 9 9 01 9 9 02 2 2 52 2 2 02 2 2 02 6 3 0 高 m m1 7 1 01 9 2 01 9 0 02 1 8 02 2 1 02 2 4 52 5 0 0 1 1 5 0 重量 k g 3 5 0 04 2 0 04 9 0 07 5 0 07 8 0 07 8 0 0 0 浙江大学工程硕士学位论文 t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 + 实际产量由给料的粒度分布及成分组成确定，通常细粒度组成越多，产品水分越高。 进料水分应小于3 0 。 表1 5t w z 系列卧式振动离心脱水机技术性能 型号 参数 t w z 8 5 0t w z 1 0 0 0 t w z 1 1 5 0 t w z 1 3 0 0t w z 。1 4 0 0t w z 。1 5 0 0 处理能力( 讹) 4 0 6 05 0 1 0 01 0 0 2 0 01 5 0 - 2 5 02 0 0 3 0 02 5 0 3 5 0 入料粒度( m m ) 0 5 5 0o 5 5 0o 5 5 0 0 5 5 0o 5 5 00 5 5 0 产品表面水分 5 95 95 95 95 95 9 ( ) 筛篮大端直径 8 5 0 1 0 0 0 1 1 5 01 3 0 01 4 0 01 5 0 0 ( m m ) 筛篮倾角( 。) 1 3 。1 3 。 1 3 o 1 3 。1 5 o 1 5 。 筛缝尺寸( m m ) 0 2 5 l0 - 2 5 10 2 5 1o 2 5 l0 2 5 l0 2 5 1 筛篮转数 4 5 03 8 03 5 03 1 0 2 9 02 8 0 ( r m i n ) 主电机功率 1 52 23 74 55 57 5 ( k w ) 振动电机功率 45 57 57 51 l1 5 ( k w ) 油泵电机功率 0 3 70 3 7o 5 50 5 50 5 5 1 1 ( k w ) 振动频率( h z ) 1 4 5 01 4 5 01 4 5 01 4 5 01 4 5 01 4 5 0 筛篮高度( m m ) 5 5 05 6 46 5 5 7 0 0 8 1 8 8 8 0 大端离心强度 8 48 07 97 06 66 5 8 双振幅( m m ) 666666 筛篮中径速度 1 7 3 1 7 61 8 31 8 41 81 7 _ 3 ( m m i n ) 设备质量( t ) 2 23 15 o7 89 1 79 8 5 注：产品表面水分和入料粒度中一0 5 m m 粒级的含量有关，如入料粒度中0 5 m m 粒级的 含量超过5 ，则产品表面水分随o 5 m m 粒级的含量的增高而提高。 中实洛阳重型机械有限公司的t w z 系列离心机是在引进德国筛得力 ( k h d s 1 e b t e c h n i k ) 、美国c m i 和澳大利亚卢德维琪( l u d o w i c i ) 等公司 产品的基础上，结合公司多年生产离心机的经验，研制开发的新系列卧式振动离 心机。该系列卧式振动离心机具有结构紧凑、稳定性好、噪音小、能耗低、易于 安装和便于维修等优点。主要用于选煤厂精煤和中煤的脱水，也可以用于盐业、 矿渣等物料的脱水，是新建选煤厂和老厂改造中精煤和中煤脱水的首选设备。 t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发立项的目的是要在上述已有的t w z 一8 5 0 全 t w z 一1 4 0 0 系列产品的技术基础上自主开发新一代大型卧式振动离心机，符合我 国煤炭行业十二五规划开发特大型、高效、高性能洗煤装备的发展方向。 4 浙江大学工程硕士学位论文t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 图中实洛阳重型机械有限公司 t z 系列立式振动离心机图 1 2 中实洛阳重型机械有限公司 t w z 系列卧式振动离心机 图1 - 3l u d o w i c iv m 系歹4 卧式振动离心机 细粒煤的脱水仍然是目前业内研究的重点。如前所述，卧式振动离心机虽然 机型很多，但各机型之间的主要差别是振动系统和激振方法不同。卧式振动离心 机国内厂商采用的振动双质体振动系统，激振力是通过双轴惯性激振器或固定在 激振箱体两侧振动电机同步振动产生。国外澳大利亚l u d o w i c i 公司的v m 型、 德国s c h e n c k 公司的s c c 型卧式振动离心机采用振动电机做激振源，激振结 构为二次激振结构。初级振动体较小的激振力可以使二次激振体获得较大的激振 力。 国内生产厂商的最大型号卧式振动离心机筛篮大端直径达到1 5 0 0 m m ，最大 处理量3 5 0 一0 0 讹。中实洛阳重型机械有限公司矿选设备厂( 原洛阳矿山机器 厂矿筛分厂) 开发设计的t w z 系列卧式振动离心机是由最早的w z l 一1 0 0 0 卧 式振动离心脱水机逐步改进设计不断完善发展到现在的t w z 系列，产品型号从 筛篮直径8 5 0 m m 直到1 4 0 0 m m 、处理量由5 0 饰直到3 5 0 讹。 国外荷兰t e m a 公司实际制造的h s g 系列卧式振动卸料离心机规格型号从 h s g l 0 0 0 到h s g l 6 5 0 ，h s g l 6 5 0 型号的筛篮大端直径达到1 6 5 0 m m ，最大处理 量3 5 0 一5 0 0 讹。澳大利亚l u d o w i c i 的v m 系列卧式振动卸料离心机规格型号从 气 浙江大学工程硕士学位论文 t w z 一1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 v m 6 0 0 到v m l 6 5 0 ，v m l 6 5 0 型号的筛篮大端直径达到1 6 5 0 m m ，最大处理量 4 1 0 讹。 在进行振动离心机动力学分析时，大多是将离心机简化为弹簧一质量一阻尼 系统加以研究，常见的动力学模型为两个质体两自由度模型。何建耕2 】运用振动 理论知识、数字化设计方法及有限元动力学分析技术，对w l l 型离心机的振动 原理、数字化设计和动力学分析进行了深入的研究。陈海员【3 】建立了二次激振的 卧式振动离心机动力学模型，通过理论分析，得出了振动模型主要参数的合理数 值，并运用有限元技术进行了分析，对分析结果进行了说明。冯朱涔4 】简化了双 质体振动离心机的振动系统，建立了数学模型，通过对模型推导计算，得出了振 动系统的振幅解，进而得到了双质体卧式振动离心机的理想工作点。 目前国内还对振动离心机的结构设计等方面也进行了相关研究。王兆申净j 通过对w z y 1 0 0 0 卧式振动离心机的分析，对w z y 1 4 0 0 卧式振动离心机的 设计开发进行了研究；刘克铭【6 】通过建立卧式振动离心机的动力学模型，对离心 机的幅频特性进行了研究；任兰柱 7 j 建立了卧式振动离心机的有限元模型并进行 了力学仿真，得到了卧式振动离心机的应力、应变分布及振动模态；温艳辉j 建立了双质体卧式振动离心机动力学模型，运用机械阻抗法计算出振动模型的响 应表达式，进行了动力学分析，并通过数值计算方法模拟出响应函数的图形，从 而反映了双质体振动系统的特性；阚晓平【9 】对筛篮内的物料进行了受力分析，阐 明了各个力的计算方法，结合物料的运动分析，推导了物料滑移位移的计算公式， 并分析了各参数的变化对物料滑移位移的影响；饶颜涛uu j 阐述了w z y l 5 0 0 卧 式振动离心机设计思路，并从结构组成、参振质量、振动电机的选取、主振弹簧 总刚度、最大振幅、功率消耗等方面进行了相应的分析；李迎喜i j 应用p r o e 软件对卧式振动离心机进行参数化建模和可视化设计，在离心机的设计阶段实现 了干涉检测，并对关键零部件进行了有限元分析，提高了产品的设计品质，减少 了设计缺陷，缩短了设计周期，进一步提高了产品的设计质量和可靠性；何建新 1 2 】通过对物料在卧式振动离心机振动过程中产生的作用力的分析，得出在考虑 物料作用的情况下卧式振动离心机的振动微分方程，并通过对该方程的求解及分 析，得出了物料对离心机振动特性的影响；王兆申【1 3 】通过对w z y l 4 0 0 型卧式 振动离心机的结构分析和设计计算，阐述了该机的结构特点与设计思路；阔晓平 在介绍了w z y 1 4 0 0 型卧式振动离心机的结构特点、设计思路、振动系统所 采用的优化设计方法以及工业应用效果。 浙江大学工程硕士学位论文 t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 1 3 本文主要研究内容 t w z 系列卧式振动离心机产品开发流程如下： ( 1 ) 调研、收集消化国外先进技术资料； ( 2 1 总体参数的确定和结构设计； ( 3 ) 关键件强度分析及计算： ( 4 ) 关键件工艺试验研究； ( 5 ) 样机制造和试验； ( 6 ) 样机工业性能测试； f 7 ) 研制总结。 本文按照上述产品开发的流程完成公司立项开发的t w z 1 5 0 0 卧式振动离 心机产品，研究了t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机的结构设计，根据该离心机的结构 建立其振动理论模型，并对其结构动力学方面进行了相关研究。主要进行了以下 几方面的工作： ( 1 ) 建立了t w z 一1 5 0 0 卧式振动离心机的力学模型，并对振动模型进行了理 论推导，研究该型离心机振动系统的合理数值范同。 ( 2 ) 根据理论研究得出的合理数值范围，设计开发了该离心机的结构，并进 行了三维实体结构设计。 ( 3 ) 结合t w z 一1 5 0 0 卧式振动离心机有限元模型的建立过程，阐述结构动力 学有限元的相关理论，对复杂结构有限元建模时几何模型简化、网格划分、连接 关系建模、约束与载荷建模等相关内容进行了讨论。 ( 4 ) 利用模态分析技术，对整机结构进行了模态分析，分析整机的振动特性， 验证整机结构设计的合理性；并根据激振电机提供的激振力对整机进行了谐振分 析，为t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机的结构设计提供理论依据。 1 4 本章小结 本章介绍了本课题研究的背景及意义，并介绍了目前国内外对于卧式振动离 心机的振动原理与结构的研究现状，最后说明了本文所要进行的研究内容，为全 文的基础部分。 浙江大学工程硕士学位论文t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 2t w z l l 5 0 0 卧式振动离心机的产品开发 2 1 产品开发概述 一个产品，从规划到投入市场，通常需要经过若干环节，有很多工程技术人 员共同创造性的劳动，并需要精心组织、协同工作才能完成。产品的开发须按照 严谨的研究开发流程，从市场调研开始，确定产品功能与产品规格的预期指标， 构思产品最佳方案、零部件功能分解，然后进行零部件的设计、制造以及检验， 再经过组装、整机检验、性能测试等程序来完成，产品开发流程图如图2 1 【l 引。 下面结合图3 1 对产品开发流程中的各阶段分别加以简要说明。 f 1 1 产品规划 产品规划阶段就是在对产品进行充分调查研究和分析的前提下，进一步确定 产品所应具有的功能，并写出设计任务书的全面要求及细节，最好形成设计任务 书。设计任务书上应包括：产品的功能、经济性的估计，制造要求方面的大致估 计，基本使用要求等。 ( 2 ) 方案设计 本阶段对产品设计的成败起关键作用。产品功能分析就是要对设计任务书提 出的机器功能中必须达到的要求、最低要求等进行综合分析，最好确定出功能参 数，作为进一步设计的依据。确定功能参数后，即可提出可能的解决方法，亦即 提出可能采用的方案，然后通过使用性能以及经济性能等方面的评价确定最佳方 案。 ( 3 ) 结构与技术设计 结构与技术设计阶段的目标是产生总装配图及部件装配图。通过设计确定出 各部件及其零件的外形及基本尺寸。为了确定主要零件的基本尺i t ，需要做以下 工作：1 ) 机器的运动学设计，2 ) 机器的动力学计算，3 ) 零件t 作能力设计，4 ) 部件装配草图及总装草图的设计，5 ) 主要零件的校核。 ( 4 ) 产品制造 产品制造离需要进行制造工艺、工模夹具的设计，合理的制造工艺与工模夹 具能保证产品的质量，提高生产效率，降低成本和缩短生产周期。 t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品的开发也是以上述产品开发流程为依据，从 而实现该产品开发效率的提高，帮助该产品尽快进入市场。 浙江大学工程硕士学位论文t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 雏段 班 7 辩 q h 规 ，列 方 案 设 洚 结 构 与 技 术 设 讨 声 门 n h 制 造 雌场i 。蒸浆 键出任务 r 碍行性搬告 j 。i k t 弦l ：# 豁莉 专 市场调衿、；，j 行健分析 ，矗 r ， 。，1 船t z m i 洱1 ：， r 。“。q 。 x 1 、l ； 功能分析、原理没计、运动及动力设计 事 ，1 = ：作原理 念 运动、动力 i 羁 弋、丫 总搽雾纂圈 功能细分，绘制装配示意图 l 噬；肚娃馘1 沿津拈幽i 璧胜圃 i 审什 薅倒阪日、缓硼母 崮 零件圈 壮 ) 豫1 弘小j f i 装配图 般g c 酬聒删 l 设计说明书 使用说嗡书 编制技计说明书、使用说明书 1 零件工艺发汁装配工艺设计 l； l 王模夹具殴计制遗 裟配工装设计制造 样 机 产 零件加工检验l ：、 蚰口 部件、机器装配、检验 图2 1 产品开发流程 2 2t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机技术性能 t w z 一1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发时以j b t 3 2 6 3 2 0 0 0 卧式振动离心机 9 浙江大学工程硕士学位论文t w z 一1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 标准为基础，同时收集澳大利亚、德国、荷兰等国家的技术标准，加以消化吸收。 t w z 1 5 0 0 卧式振动离心脱水机主要用于洗煤厂，对0 5 0 m m 的精煤或中煤 进行脱水。其主要技术性能指标如下： 筛篮大端直径中1 5 0 0 m m 入料粒度 5 0 姗 产品水份 5 9 筛缝尺寸 0 2 5 0 5 m m 筛篮转数 2 8 0 r m i n 主电机功率 7 5 k w 激振电机功率 1 5 k w 油泵电机功率 1 1 k w 双振幅 6 8 m m 处理能力 2 5 0 3 5 0 t l l 设备总重9 8 5 0 k g 外型尺寸 3 3 7 0 3 0 3 5 2 5 1 0 可根据用户的需要改变离心机尺寸。本离心机用于末煤脱水时，入料水分一 般为18 2 5 ，最高不超过3 0 ，产品水分与物料的性质、粒度组成和处理量等 有关，但主要取决于入料中的煤泥含量，如入料中0 0 5 m m 粒级含量小于1 0 ， 产品水分一般为6 9 ，随着入料中煤泥含量增多，产品水分也相应会提高，反 之，如入料中煤泥含量降低，其产品水分也相应降低。 本机处理能力为2 5 0 3 5 0 讹，根据现场使用经验和有关资料介绍，一般处 理量仅为最大处理量的7 0 左右，故选用时以3 0 0 t 1 为宜，如入料中0 0 5 m m 粒级含量较多，为保证产品水分，处理量有时要降低到最大处理量的5 0 左右。 2 3 方案设计 2 3 1 概述 选煤厂常用的产品脱水的方法有：重力脱水、离心脱水、过滤脱水、压滤脱 水、干燥脱水。分别利用重力作用、离心力、真空抽吸、热力蒸发等原理进行脱 水。 振动离心机依据它们主轴的安装型式为立式和卧式的不同而分为立式和卧 式两种结构。其原理是通过传动系统使筛篮一方面绕轴作旋转运动，另一方面又 沿轴线作轴向振动，这种轴向振动，一方面可以使筛面上的物料均匀地向前移动， 另一方面又可以促使筛面上的物料层松散，物料所含的水分更容易分出，强化物 料的离心脱水作用。筛篮是振动离心脱水机的主要工作部件，筛篮内需要脱水的 浙江大学工程硕士学位论文 t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 物料在离心力的作用下，其水分从筛篮的筛缝中甩出，由于筛篮的轴向振动，物 料将从锥体的小端逐渐移向大端，并从大端排出。它是利用振动原理来强化物料 离心脱水的同液分离设备。 阐明物料在振动工作面上的运动理论，对于正确选取振动离心机的运动参 数，保证各种工艺过程有效地进行具有十分重要的意义。与其它振动机械一样， 当振动离心机采用如振幅、频率、振动方向角和工作倾角等不同的运动学参数时， 便会使物料在工作面上出现下列不同形式的运动：、物料相对工作面静止；、 物料相对工作面正向滑动；、物料相对工作面反向滑动；、物料相对工作面 抛掷运动o | 。 振动离心机在离心力场中工作，筛篮在作旋转运动的同时作往复直线振动， 物料随筛篮一起转动完成离心脱水同时在振动力的作用下沿筛篮振动工作面向 大端移动，我们希望筛篮上的物料作脉动性的正向滑动。也就是说，在筛篮往复 振动一次时，停留在筛面的物料在筛面上时而正向滑动，时而又停留在筛面上， 这样的运动能提高离心机的脱水效果。因此，我们通过设计选用合适的运动学参 数筛篮倾角a 。、筛篮轴向振幅入和筛篮轴向振动圆频率，使物料滑行运动状 态满足单向正向滑动的运动状态。这种运动状态的特点是：由相对静止和正向滑 动两种基本运动形式组成，正向滑行指数d 。 1 ，反向滑动指数d q o d ：生墨 唾c o t 口o + g ( 2 5 ) 式中，d 为抛掷指数。 为了使物料与筛篮筛网表面经常保持接触，由式( 2 5 ) 得，抛掷指数d 应 小于1 ，即：d 1 ，由于反向滑 行对振动离心机来说没有实际意义，所以通常取反向滑行指数q 。 1 或珐。l 。 近似计算以两个假设条件为基础：1 ) 物料沿圆周方向相对速度甚小，因而 可以忽略；2 ) 在每次滑行过程中的值变化不大，因而砟可视为常数。 在上述假设条件下，参照式( 2 2 ) ，可以写出物料颗粒沿筛篮母线方向的运 动方程式 越= 露s i n + ( 2 a s i n 耐一g ) c 。s 口。干 名c 。s + ( g 一国2 a s i n 耐) s i n ( 2 8 ) 经过推导可以得出物料正向滑动和反向滑动的平均速度。 用于细粒煤脱水的振动离心机，静摩擦系数五通常为0 4 0 6 ，动摩擦系数 为0 1 5 0 4 。 立式振动离心机的设计经历了数个阶段但总体性能仍不理想，维护非常困 难。所以，离心振动机采用卧式设计，不仅处理量大，而且维护方便。当入料粒 1 4 浙江大学工程硕士学位论文 t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 度组成相似时，卧式振动离心机的离心液浓度低；当入料的粒度上限，卧式振动 离心机的适应性较强，最大甚至可达6 0 m m ；另外卧式振动离心机离心强度小， 对煤的破坏程度低。 2 3 3 卧式振动离心机工作原理 t w z 1 5 0 0 卧式振动离心脱水机主要由回转装置、激振器、入料管、筛篮、 前后支座、机架、机座、润滑部分、激振电机、主电机及电机机座等组成，由于 产品太宽所以将主电机机座与主电机分开，这样便于运输。其原理结构图如图 2 4 ( a ) 与图2 4 ( b ) 所示。 2 4 ( a ) t w z 15 0 0 卧式振动离心脱水机原理图 浙江大学工程硕士学位论文t w z 1 5 0 0 卧式振动离心机产品开发与动力学分析 2 4 ( b ) t w z 1 5 0 0 卧式振动离心脱水机原理图 1 机座2 减振器3 机架4 前支座5 回转装置6 激振器7 后支座8 壳体9 筛篮 1 0 进料管1 1 激振电机1 2 主电机及电机机座 工作时：主电机( 1 2 ) 通过小皮带轮驱动经大皮带轮减速后带动回转装置( 5 ) 旋转。物料通过入料口及给料管进入到达筛篮筛面上。由于筛篮的旋转使物料的 水分在离心力的作用下而被甩出筛篮，而大于筛篮筛面缝隙的已脱去水分的物料 停在筛篮筛面内壁上。回转装置是通过前支座和后支座内的环形橡胶弹簧而支承 在前后支座上，同时回转装置又与激振器相连接。激振器的作用是迫使回转装置 做轴向振动。激振器是由激振电机、皮带传动、一对齿数相同的齿轮带动两对偏 心块转动。由于偏心块的精心安