（机械设计及理论专业论文）振荡筛筛分机理的分析与研究.pdf

摘要 振动筛分机械的筛分质量和生产率不仅影响高速公路的施工质量而且影响高速公 路的施工进度，所以研究如何提高它的筛分质量和生产率、解决振动筛分机械存在的溢 料、混料、筛箱构件的损坏等问题，有一定的实际意义和价值。 振动筛分机械是通过激振器对筛面上的薄层骨料有效作用得到筛分。鉴于振荡过比 振动对薄层工作介质有着更充分作用效果的特征，论文从振动筛的激振方式入手，改变 传统的力激振方式为力偶激振( 平面、空间) ，提出了振荡筛分理论，对其筛分机理和 筛分效率进行了分析与研究。 论文首先分析了振荡筛的筛分机理，研究了振荡筛分机理与普通筛分机理的不同之 处，建立了振荡筛的动力学模型，并进行了理论分析。通过理论分析得出振荡筛面上物 料的理论运动轨迹，并在普通振动筛的筛分理论基础上，建立了针对振荡筛的较完善、 系统的筛分理论。 论文分析了筛分效率的影响因素，其主要与物料性质、振动特性、筛面结构以及操 作管理等有关。给出了振荡筛高效平衡筛分的原因，这主要由振荡筛的激振方式，筛面 布置形式和筛面倾角决定。 对以激振力、平面激振力偶、空间激振力偶等三种方式分别对两种筛面作用的筛分 进行对比试验，试验分析表明振荡筛尤其在小料筛分方面比一般的振动筛有更高的筛分 效率；弧形筛面比平面更适合振荡筛。 通过理论分析和试验初步得出：振荡不仅使筛面上的各种骨料的运动更加充分、透 筛率较高、而且避免了筛体结构部件的损坏。振荡筛分为研究提高筛分机械筛分质量和 生产率提供了一条有效途径。 关键词： 振荡筛筛分机理筛分效率筛分质量生产率 a b s t r a c t t h ev i b r a t i o ns i e v e sm a c h i n e r y ss c r e e n i n gq u a l i t ya n dt h ep r o d u c t i v i t yd on o to n l ya f f e c t h i g h w a y sc o n s t r u c t i o nq u a l i t yb u ta l s oa f f e c th i g h w a y sc o n s t r u c t i o np r o g r e s s ，t h e r e f o r eh o w s t u d i e st oi m p r o v ei t ss c r e e n i n gq u a l i t ya n dt h ep r o d u c t i v i t y , t os o l u t ev i b r a t i o ns c r e e n i n g m a c h i n e r ye x i s t e n c ef l a s h ，t h em i x t u r e ，s i e v e sb o xc o m p o n e n t sq u e s t i o n sa n ds oo nd a m a g e ， h a sc e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dt h ev a l u e t h ev i b r a t i o ns c r e e n i n gm a c h i n e r yo b t a i n st h es c r e e n i n gt h r o u g hi nt h ed r i v e rt os c r e e n i n g s u r f a c et h i nl a y e ra g g r e g a t eu s e f u le f f e c t i nv i e wo ft h ef a c tt h a th a si nt h eo s c i l l a t o r yp r o c e s s c o m p a r e dt o t h ev i b r a t i o nt ot h e t h i n l a y e ra c t u a t i n gm e d i u mf u l l e rf u n c t i o ne f f e c t c h a r a c t e r i s t i c ，t h ep a p e ro b t a i n sf r o ms h a k e r se x c i t a t i o nw a y , t h ec h a n g et r a d i t i o n ss t r e n g t h e x c i t a t i o nw a yf o rt h ec o u p l ee x c i t a t i o n ( p l a n e ，s p a c e ) ，p r o p o s e dt h eo s c i l l a t i o ns c r e e n i n g t h e o r y , h a sc a r d e do nt h ea n a l y s i sa n dt h er e s e a r c ht oi t ss c r e e n i n gm e c h a n i s ma n dt h e s c r e e n i n ge f f i c i e n c y t h ep a p e rh a sf i r s ta n a l y z e dt h es c r e e n i n gm e c h a n i s mw h i c ht h eo s c i l l a t i o ns i e v e s ，h a s s t u d i e dt h eo s c i l l a t i o ns c r e e n i n gm e c h a n i s ma n ds i e v e sm e c h a n i s m sd i f f e r e n c eo r d i n a r y , h a s e s t a b l i s h e dd y n a m i c sm o d e lw h i c ht h eo s c i l l a t i o ns i e v e s ，a n dh a sc a r r i e do nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s o b t a i n si nt h eo s c i l l a t i o ns c r e e n i n gs u r f a c et h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i st h e m a t e r i a lt h e o r yp a t h ，a n di nt h eo r d i n a r ys h a k e r ss c r e e n i n gr a t i o n a l e ，e s t a b l i s h e dh a ss i e v e di n v i e wo ft h eo s c i l l a t i o ni sp e r f e c t ，s y s t e m ss c r e e n i n gt h e o r y t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h es c r e e n i n ge f f i c i e n c yi n f l u e n c i n gf a c t o li t m a i n l yw i t ht h e m a t e r i a ln a t u r e ，t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t h es c r e e n i n gs u r f a c es t r u c t u r ea sw e l la st h e o p e r a t i o nm a n a g e m e n ta n ds oo nc o n c e r n s g a v et h eo s c i l l a t i o nt os i e v et h eh i g h l ye f f e c t i v e b a l a n c e ds c r e e n i n gt h er e a s o n ，t h i sm a i n l yt h ee x c i t a t i o nw a yw h i c hs i e v e db yt h eo s c i l l a t i o n ， t h es c r e e n i n gs u r f a c ea r r a n g e m e n tf o r ma n dt h es c r e e n i n gs u r f a c ei n c l i n a t i o na n g l ed e c i s i o n t ob yt h ee x c i t i n gf o r c e ，t h ep l a n ee x c i t a t i o nc o u p l e ，t h es p a t i a le x c i t a t i o nc o u p l ea n ds o o nt h r e ew a y sc a r r i e so nt h ec o m p a r a t i v et r i a ls e p a r a t e l yt ot w ok i n do fs c r e e n i n gs u r f a c e f u n c t i o n ss c r e e n i n g ，t h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h eo s c i l l a t i o ns i e v e sh a st h e h i g h e rs c r e e n i n ge f f i c i e n c ye s p e c i a l l yi nt h es e a s o n i n g ss c r e e n i n ga s p e c tc o m p a r e dt ot h e c o m m o ns h a k e r ；t h ea r cs c r e e n i n gs u r f a c et os i e v ec o m p a r e dt oap l a n ei sm o r es u i t a b l ef o r o s c i l l a t i o n o b t a i ni n i t i a l l yt h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n t ：t h eo s c i l l a t i o nn o t o n l yc a u s e di nt h es c r e e n i n gs u r f a c ee a c hk i n do fa g g r e g a t em o v e m e n tt ob ef u l l e r , t op a s s s i e v i n gr a t et ob eh i g h ，m o r e o v e ra v o i d ss i e v i n gt h eb o d ys t r u c t u r a le l e m e n t sd a m a g e t h e o s c i l l a t i o ns c r e e n i n gh a sp r o v i d e da t le f f i c i e n tp a t hf o rt h er e s e a r c he n h a n c e m e n ts c r e e n i n g m e c h a n i c a lg r a d a t i o nq u a l i t ya n dt h ep r o d u c t i v i t y k e yw o r d ：o s c i l l a t i o ns i e v e s s c r e e n i n g m e c h a n i s m s c r e e n i n ge f f i c i e n c y s c r e e n i n gq u a l i t y p r o d u c t i v i t y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 7 专允鸶 2 口铝年多月2 7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：f 音允呈丢 导师签名： 彳7 d 够j 矽。古年乡月工7 日 z 。o 鬈年g - 月z 7 日 长安人学硕士学位论文 1 1 本课题的提出及意义 第一章绪论弟一早三百v 匕 1 1 1 课题的提出 目前大部分振动机械工作时的振动能量都没有完全作用在工作介质上，而是有一部 分作用在了工作机体上，这样随之而来的问题就是无谓振动的产生和能量的浪费，由此 而造成了振动机体工作质量的下降。对于振动筛来说，就是无谓振动增加和筛分质量的 下降。当前，许多国内公路知名专家根据中国高速公路施工质量的实际状况经过认真研 究认为：沥青、水泥混凝土的质量直接影响着各类公路的质量，而混凝土中各种骨料的 有效级配对其质量则起着关键性的作用，为此对沥青混凝土搅拌设备中的振动筛对骨料 的筛分质量不得不重新提出较高的具体要求。众所周知：我国沥青混凝土搅拌设备的生 产基本是引进国外的技术，该设备上的振动筛的工作原理均为通过激振器产生的激振力 作用于筛网面的骨料，在其作用下骨料按大小分级。虽然我国的工程技术专家对沥青混 凝土搅拌设备中的关键系统振动筛进行了有针对性的研究开发，但都是在其基本工作机 理上对不同型号产品的填补与完善。这些产品在生产过程中与国外产品相比较其性能和 可靠性等方面还有不足之处；还有不少厂家为了满足用户的要求、占领市场、推销自己 的产品，不得不进口国外相配套筛分系统并进行广泛宣传，可仍有不尽人意的地方，对 高速公路质量的提高还有影响。 签于此，在这里我们提出了振荡筛分理论，此种筛分方法的核心就是使振动能量完 全作用于工作介质上，减少无谓振动的产生，从而提高筛分质量。其核心是使筛分更接 近于“人筛谷物，物料”的原理，使其达到更好的筛分效果。 1 1 2 课题的意义 首先振动筛结构简单，生产效率高，工作可靠，并被广泛的应用，因此对筛分机的 运动分析和结构调整仍具有很大的理论和现实意义。另一方面，由于振动筛分机械工作 噪音大，工作条件差，零部件易损坏，有关如何改进结构，采用更加合理的动力学参数， 使设备出现故障时更加易于维修的研究是一个重要的课题。因此，通过对振荡筛筛分方 式的研究，对于筛分设备性能的全面提高，获得高质量的筛分产品和设计更高可靠性、 市场竞争力的产品都具有蕈要的现实意义。 第一章绪论 1 2 筛分技术和振动筛分机械的发展 1 2 1 筛分理论的研究现状 国外从1 6 世纪开始筛分机械的研究与生产，在1 8 世纪欧洲工业革命时期，筛分机 械得到迅速发展。到本世纪，筛分机械发展到一个较高水平。目前，人们对传统振动筛 的理论研究日趋成熟，逐步建立了物料在筛面上运动的基本理论模型、物料透筛概率的 理论模型，并出现了一些新型筛分理论和由此设计的新型振动筛【1 , 2 , 3 , 4 1 。 1 、物料在筛面上运动的基本理论模型 物料在筛面上的运动，直接影响振动筛的筛分效率和生产能力。正确分析物料在振 动筛筛面上的运动状态，建立准确实用的物料筛分理论对合理选择振动筛的各动力学和 运动学参数，有效完成筛分工艺过程至关重要。对此，人们己经进行了许多研究，其中 较有代表性的理论有：单颗粒物料在振动筛面上的跳动模型理论和料群在筛面上的碰撞 模型理论。 单颗粒物料跳动理论以单个物料颗粒为研究对象，建立单颗粒在筛面上弹塑性跳动 动力学模型，导出单质点运动微分方程并求解，在此基础上得到单颗粒物料在筛面上实 现滑行或抛掷运动的条件，得到作滑行或抛掷运动时的速度、加速度、正反向滑行指数、 抛掷指数等。单颗粒跳动理论的数学分析过程较为精确，力学概念也较明确，因而在分 析物料的运动状态时应用的较多，是物料在筛面上运动分析的基本理论。但是，振动筛 面上的物料是成层的，由无数颗粒堆积而成的料层的运动与单个颗粒的运动状态是完全 不同的。尽管单颗粒物料跳动的数学过程较为准确，但物料颗粒间的碰撞摩擦影响这一 重要因素被忽略了，导致了理论分析所得结果与实验差异较大，需要根据试验得到的各 种影响系数加以修正。粒群碰撞理论以物料整体为研究对象，建立料群在筛面上运动的 碰撞力学模型进行求解分析，将筛分过程分为料群的分层和透筛两个阶段，认为物料的 碰撞是弹塑性过程，进而导出各层物料在料层碰撞中的速度、抛掷指数和透筛效率等运 动学参数。料群碰撞理论考虑了物料颗粒间的相互影响，力学模型概念清晰，数学方法 也较为简单，因而较为实用。 2 、物料在筛面透筛概率的理论模型研究 1 9 6 5 年瑞典人m o g e n s e n 提出了单颗粒透筛的较完整的透筛概率理论，他研究了筛 面倾角对颗粒透筛的影响，着重于排除难筛颗粒对透筛的阻碍作用，创造了概率筛分法， 并研究了物料透过多层筛旺【i 的过程，推导出了透过n 层筛面的颗粒量的公式。 2 长安大学硕上学位论文 闻邦椿院士1 9 8 2 年对颗粒粒度相同的粒群进行透筛概率分析，给出了物料透过不 同倾角筛面的透筛总概率和物料透过多层筛面的透筛总概率公式。陈清如根据实验室模 拟概率筛分试验结果指出，概率筛分物料时，沿料流方向筛面各段的物料透筛概率基本 不变。他认为物料的筛分过程不是以单个颗粒进行的，而是由众多颗粒组成的颗粒群呈 层状在筛面上运动的。单个颗粒的运动都要受到周围颗粒的干扰，颗粒之间产生很多碰 撞，并交换动能。他通过应用概率统计学的方法研究了物料的筛分过程，建立了料群沿 筛面长度的透筛概率分布模型。 3 、新型筛分方法的研究【5 ，6 ，7 ，8 】 振动筛的筛分过程可以分为不同粒度组成的物料随筛面的振动分层和小于筛孔的 物料接触筛面透筛两个阶段。在分层阶段，宏观上物料中较大颗粒因动量较大而向上运 动到达料层的上部，较小颗粒向下运动透过较大颗粒到达筛面。在透筛阶段，小于筛孔 的易筛颗粒透过筛孔称为筛下物，筛孔尺寸即物料的分离粒度。传统的筛分方法，料层 较厚，入料端的物料不能迅速均匀散开，影响分层速度和小颗粒物料快速沉降。为了提 高筛分能力和筛分效率，出现了一些新的筛分理论，并研制出相应的新型筛分机械，主 要有： ( 1 ) 概率筛分法与概率筛分机。概率筛又叫摩根森筛，是由瑞典人莫根森发明的。 这种筛分方法将振动筛设计成多层变倾角，条形变尺寸筛孔。通常安装2 5 层筛网， 筛面倾角从上到下逐渐增大，而筛孔则从上到下逐渐变小。根据物料透筛的统计概率原 理，采用多层大倾角和大网孔，可以使物料迅速分层透筛，实现可快速筛分。在相同的 分级粒度条件下，其生产能力为普通筛分法的1 0 倍，但这种筛分法的缺点是筛分精度 较差。 ( 2 ) 等厚筛分法与等厚筛分机。关于等厚筛分原理的论述，在有关文献中是这样 的，一种是“等厚筛分法是在入料端给予料层一个比较大的加速度，使物料运动速度加 快，则料层迅速变薄并分层：对完成分层过程的料群，再按普通筛分法的筛面加速度使物 料透筛”；另一种则是“这种筛分法是在入料端给予物料的加速度( 或倾角) 比普通筛 分法大，使物料具有大的抛射强度和大的运动速度，致使物料快速分层；对于已分好层的 物料，再给以和普通筛分机相同的加速度( 或倾角) ，使小于筛孔的细粒物料有充分的 机会透筛。 以上两种论述同时认为，为了实现等厚筛分，可采用两种方法，即大抛射强度的等 厚筛分法和大安装倾角的等厚筛分法，或不同抛射强度的等厚筛分法和不同筛面倾角的 第一章绪论 等厚筛分法。在实际设计中大多采用大安装倾角等厚筛分法，通常将筛面分成3 段。第 1 段( 入料端) 筛面有较大倾角( 3 0 。 - - - 3 2 。) ，以获得较大的物料运动速度，快速形成 薄料层。第2 段倾角为2 0 。, - - - 2 4 。，第3 段倾角为1 0 。等厚筛分方法不管小于筛孔 的颗粒在入料中占的百分数是多少，筛面上物料层的厚度从入料端到排料端保持不变或 递增，而采用常规筛分方法，筛上物料层厚度是递减的。等厚筛分法和普通筛分法相比， 有以下优点：具有合理料层厚度，充分发挥透筛潜力，采用等厚筛分法时，透筛能力达 筛面理论透筛能力的8 0 ，使单位面积的处理能力提高2 5 倍左右；实现等厚筛分法的 等厚筛分机，分段采用合理的抛射强度，强化了筛分过程；利用物料的快速流动，使筛面 得到一定程度的挣化。实践证明，采用等厚筛分法时，物料以1 2 m s 速度流动的情况 下，能清除潮湿粉煤的附着，对筛面起净化作用，筛面基本无堵孑l 现象。 1 2 2 筛分机械的研究现状 振动筛总体上主要有三部分构成：振动筛的激振方式、振动筛的振动轨迹、振动筛 的筛体筛面结构，这三方面的设计主要影响着振动筛的使用效果，影响着振动筛的筛分 效率和解决筛面堵孔问题的能力 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 】。 1 、振动筛的激振方式 振动筛的激振方式目前主要有三种方式：偏心块激振、激振电机、电磁激振器。偏 心块激振器主要由轴承座、轴承、主偏心块、副偏心块、轴、注油装置等组成。具有结 构简单、成本低、激振力调节方便、油脂润滑不漏油、迷宫环密封摩擦阻力小及易于实 现通用化、标准化、系列化等优点。但是该激振器通常体积大，传动装置复杂，传振体 参振质量大，存在噪声大的弊端。为改进以上不足，出现了一种振动源与动力源合为一 体的电动激振器。这种激振器结构简单，无需传动装置和传振支撑体，全封闭结构，激 振器两端法兰通过铰制螺栓固定在筛芯两储板上，以简化筛机整体结构，降低参振质量， 从而提高筛分效率和处理能力。使用时，可根据处理能力、筛分效率、振型等选择直线 运动型式或圆周运动型式：安装位置可根据筛机结构设计为上振、下振、中振形式。振 动电机激振是通过振动电机直接驱动振动筛，筛体支承方式使用橡胶弹簧支承方式。用 振动电机驱动的振动筛，其结构更简化，工艺调整及工艺适应的柔性更强。同时，橡胶 弹簧支承工作稳定、可设计性强，且在系统通过共振区或受系统外扰动时，橡胶支承表 现出变刚度特性、非线性特性、大阻尼特性以及多维受载特性，故被广泛采用。电磁振 动器激振振动筛使用电磁振动器产生振动，电磁振动器直接安装在筛体上，具有驱动功 4 长安人学顾十学位论文 率小、无转动零部件、无需润滑，设备重量轻、单位筛网处理能力大、噪声小等优点， 适用于高频进行细粒或极细粒级物料的分级、回收、隔粗、脱水、脱泥的振动筛。 2 、振动筛的运动轨迹 目前振动筛的运动轨迹主要有：直线轨迹、圆轨迹、椭圆轨迹、复合轨迹。 直线筛的工作原理是在筛箱的左右侧板上各装一台激振电机或电机带动偏心轴振 动，两电机反向转动，电机转动产生惯性力，这样在两电机轴线方向产生的惯性力相互 抵消，只有与两电机轴线垂直的某方向的激振力，且该方向通过振动筛的质心，这样振 动筛就沿着这个方向产生直线振动。直线振动筛筛上物料运移速度快，具有较强的输送 物料的能力，处理量大。在直线振动筛的设计与使用中，除要保证筛箱的强度、刚度外， 通常要使筛机激振器产生的激振力作用线通过筛机质心，以保证筛机上各点产生相同的 直线运动，保持振幅一致。此种运动状态的直线振动筛工作平稳，筛面上各点的物科均 获得相同的抛掷运动，筛机具有高筛分效率。然而，由于制造、安装及使用过程中各种 因素的影响，经常出现激振力作用线偏离筛机质心现象。此时，筛机工作时产生摇摆振 动及横向摆动，筛机上各点振幅及振动方向角亦发生变化，筛机的正常工作状态被破坏， 筛面上物料出现不同的抛掷运动状态，严重影响筛机的正常工作，尤其对大型直线振动， 筛，影响更为显著。 圆轨迹振动筛的工作原理是在筛箱的左右侧板上各装一台激振器，激振器轴通过筛 体质心，两激振器同向转动，在两个相互垂直的方向产生相同的激振力，从而产生相同 的振幅，整个振动筛的振动轨迹表现为圆轨迹。圆轨迹振动筛上物料更易松散，颗粒不 容易堵塞筛孔，但物料在筛面的运移速度较慢。为了解决这一问题，通常在设计时加入 新的筛分方法，如建立等厚圆振动筛。筛机采用两段折线型筛面，由入料端和出料端组 成。入料端筛面倾角大于出料端筛面倾角，出料端与进料端筛面物料厚度基本相同，克 服一般振动筛进料端物料厚度大而出料端物料厚度小的缺点，并且物料在筛面运移速度 较快。 椭圆运动筛综合了圆运动和直线运动的优点，既有较高的输送速度，又能使物料获 得充分的筛分。在给料量相同的情况下，椭圆筛需要的筛分面积较小，而在给料量和筛 分面积相同的条件下，椭圆筛具有较高的筛分效率。这一点对难筛分物料尤其有利。椭 圆轨迹振动筛综合性能较好，但结构复杂，使用不便，并且不能在处理大排量高含砂量 时实现快速排砂。 复合轨迹振动筛基本工作原理为直线形轨迹和圆形轨迹的合成和分解。该振动筛具 第一章绪论 有两组激振源，一组激振源产生直线轨迹，另一组激振源产生圆轨迹，利用两种轨迹的 合成和分解获得不同的运动轨迹。在两组激振源中产生直线形轨迹的为主振源，产生圆 形轨迹的为副振源。主振源由两台激振电动机组成，两台同型号、同转速、激振力相同 的振动电动机布置在筛箱上方，且使其产生的合力通过参振质量的质心。副振源由两台 布置在筛箱两侧并且激振中心与参振质量的质心重合的位置上的辅助振动电动机组成， 其产生的激振力将使筛箱产生圆形轨迹。该振动筛可以产生3 种运动轨迹，可根据不同 工况采用不同的振型，能充分发挥各种振型的特点。 3 、新型筛面结构的振动筛 提高物料的筛分效率和解决筛孔堵塞问题是振动筛设计的主要要求，在对振动筛的 研究过程中出现了一些振动筛在一定范围内解决了这些问题，这些振动筛的筛面都具有 一定的弹性，主要有琴弦振动筛、驰张振动筛、振杆振动筛和悬臂筛网振动筛。琴弦振 动筛的筛网是由多根柔性筛丝( 多股钢丝绳或单股钢丝) 顺筛机方向在网托架上张紧装 配而成。筛网丝在筛箱振动的激励下，自身由于弹性拉伸变形而产生幅度较大的二次相 对振动。它很好的解决了筛孔堵塞的问题。但由于其筛丝处于强力拉紧状态，其寿命极 短，有时一班就要换一套筛网，使用成本高。筛丝容易松驰，筛分精度、限上率很低。 主要用于煤炭深度筛分，不能满足化工、电力等行业的要求了。 驰张振动筛筛面由若干段弹性筛板组成，相邻两横梁作周期性相对和相背运动，从 而实现弹性筛板的弛张运动，使筛面物料产生很大的抛射运动的加速度。它较好地解决 了筛孔堵塞的问题，对筛面材料要求很高，聚氨酯弹性筛面使用寿命在半年以上。筛分 效率高，在8 0 左右。在欧美各国得到广泛应用，用于筛分煤炭和其它矿物的筛分。由 于我国关键技术和筛网材料不过关，未得到推广。振杆振动筛筛面采用弹性振动杆，振 动杆和筛板框架壁采用少约束的大孔隙配合。当筛板随筛体主振频率和振幅振动时，振 动杆与筛板框架在振动方向发生碰撞，并随着物料的冲刷作用产生旋转运动。它较好的 解决了筛孔堵塞的问题，振动杆在筛板孔中处于自由梁状态，不受附加外力的弯曲和拉 伸，寿命为半年左右，筛分效率高，通常在8 0 以上。在同等条件下，处理能力是普通 筛机的2 倍，主要应用于煤炭、电力、化工等行业，应用不广泛。 1 2 3 筛分机械发展趋势 综合困内外的筛分机发展现状【1 5 , 1 6 ，筛分机将向以下几个方向发展： ( 1 ) 大型化。工业的现代化进程促使企业规模扩大，生产能力大大提高。德国k h d 6 长安大学硕十学位论文 公司生产的u s k 型筛机尺寸4 5 0 0 m mx6 0 0 0 m m ，筛面的面积达2 7m 2 ，德国的另一个筛 分公司生产的5 5 0 0 m m 1 1 0 0 0 m m 筛机，工作面积己达6 0 5m 2 。 ( 2 ) 大型化和超重型化。大的矿业工程需要处理大块物料，法国素梅斯塔公司生 产的振动棒可以处理直径l m 以上的大块的物料。 ( 3 ) 轨迹的理想化。为了提高各区段的筛分效率和整个筛机生产率为目标，研发 一种以理想的轨迹运动为基础的新型筛分机。在垂直方向，入料端的振幅大于出料端的 振幅；沿筛面的方向，从入料端到出料端，物料的速度递减，在这样的工况下，该筛分 机的筛分效果优于一般的筛分机械。 ( 4 ) 标准化、系列化、通用化。德国的k h d 公司生产的u s l 、u s k 筛机的侧板、 横梁、传动轴，同属德国的申克公司生产的系列筛，均已实现标准化、系列化、通用化。 ( 5 ) 振动强度增大。筛机的振动过程逐渐强化，以取得较大的速度和加速度，提 高生产能力和筛分效果。 ( 6 ) 空间化发展。对于筛分细物料，先后出现了旋流振动筛、锥型振动筛、旋转 概率筛等，既减少占地面积，又提高生产能力和筛分效率。 ( 7 ) 改变现有的激振器激振方式，向新的激振方式发展。 1 3 振动筛在应用中存在的问题 1 3 1 溢料混料问题 振动筛分机械是利用振动的多孔工作面把混合在一起的颗粒大小不同的物料按粒度 进行分级的。衡量振动筛分机械工作质量的一个重要指标就是筛分效率。筛分效率通常 用筛分时所得到的筛下产物的重量与物料中所含小于筛孔尺寸的粒级的重量之比并用 百分数来表示。在公路施工中，沥青搅拌设备振动筛直接控制进入各个热骨料仓的热料 量和骨料级配，是影响沥青混合料级配精度的重要环节。其中筛分效率的高低直接影响 着整个工程的质量，因此研究振动筛分机械筛分效率的影响因素具有十分重要的意义。 衡量振动筛分机械工作质量的另一个重要指标是生产率，由于要兼顾生产率的提高 所以使得振动筛分机械的筛分效率不可能达到1 0 0 ，这就是我们所说的溢料混料问题。 溢料混料是小于筛孔的物料没有透过筛孔而停留在了筛面上与大于筛孔的物料混在一 起的现象。筛分效率不可能达到1 0 0 ，因此溢料混料现象是不可避免的。 7 第一章绪论 1 3 2 横梁易损坏问题 振动筛在启动过程中克服偏心质量所引起的扭矩，使得电机达到额定转速的时间加 长，振动筛不能快速通过共振区，在共振区停留时间过长。振动筛在共振区时振幅过大， 达到j 下常振幅的5 8 倍，容易使振动筛各零部件受损。再者，目前所有惯性激振器振动 筛的振动源均为激振力的形式，振动筛要能正常工作激振力的大小最小也得必须大于振 动筛自重与物料质量之和，要想获得更好的筛分效果，就得在一定范围内加大激振力以 提高振幅，激振力越大对振动筛的结构影响就越严重，而这种影响对振动电机安装轴与 横梁的作用尤为明显【1 7 】。 激振器对横梁的作用力在横梁与侧板连接处产生应力集中，应力集中亦是横梁产生 裂缝的主要原因。目前所应用的所有振动筛分机械其激振器产生的均为激振力，而要使 振动筛分机械能正常工作，所需激振力的大小必须大于筛分机械与筛分物料质量的总 和。因此，激振力是巨大的，如此大的激振力作用到横梁上自然就容易引起横梁的破坏。 现在解决横梁问题人们一般是采取增大横梁直径的办法来提高横梁的强度，而在增大横 梁直径的同时又增大了横梁的质量，这就需要更大的激振力来满足振动筛分机正常工 作，激振力的增大又有加剧横梁破坏的趋势，所以我们说靠增大横梁的直径来解决横梁 裂缝问题是治标不治本的。横梁易断裂的根本问题是所受应力过大，应力过大的主要原 因是激振力过大，如何在保证筛分效果的前提下减小激振力是解决振动筛横梁易断裂的 根本方法。 1 3 3 能源浪费问题 能源为经济发展提供动力，为发展国民经济、促进社会进步提供重要的物质基础， 经济发展依赖于能源的发展。我国的能源基础设施建设的速度已居世界前列，但是能源 的大量浪费成为了新的能源问题。能源短缺制约经济的发展，而绝大多数能源是不可再 生的，提高能源的有效利用效率被视为发展能源的新途径。我国能源利用率比国际先进 水平低1 0 个百分点，仅为3 3 。在8 个高耗能行业的单位产品能耗平均比世界先进水 平高4 7 ，占工业部门能源消费总量的7 3 。 筛分机械在矿山、交通、冶金、机械工程等行业的广泛应用，同时筛分机械的能源 利用率较低，这为筛分机械的节能工作提供了广阔的发展前景。众所周知，振动筛在起 振过程中，首先要克服偏心质量所引起的扭矩，这需要电机给出额外的功率，在正常工 作过程中，振动筛所需的功率要小于启动功率，这就行成了“大马拉小车 的现象，造 长安人学硕士学位论文 成了能量的浪费。此外，振动筛激振器约占整个振动筛总质量的五分之一，在振动筛分 过程中，激振器随振动筛一起做相同频率的周期振动，消耗功率但对筛分效果不产生作 用，属于无用功，造成能量的浪费。如能通过技术创新改变这种“大马拉小车 的现象， 降低激振器所消耗的能量，并把此技术推广开来，节能效果将会十分明显。 1 3 4 振动剧烈及噪声问题 振动筛的噪声主要是由于筛板作上下来回往复运动以及物料在筛板上碰撞、摩擦、 运动产生的。侧板和筛面的面积较大，辐射的噪声主要与物料特性阻抗、振动量和面积 等因素有关，振动面积越大，辐射噪声越大，低频声越丰富1 1 8 , 1 9 】。 本文旨在通过引入不同于以往振动筛分机械的激振方式来降低振动筛分机械的振 动特性参数对溢料混料现象的影响，以求筛分效果达到最佳。并对振动筛分机械的结构 进行优化设计，使得整体受力更加均匀，减小应力集中对横梁的影响，从根本上解决横 梁易破坏问题。 1 4 本论文的主要研究内容 1 、重点介绍了振荡筛激振器的结构和筛面的布置形式，建立了振荡筛分的理论模 型，分析了振荡筛的工作原理和筛分机理。 2 、分析了物料在振荡筛面上的运动过程，重点是物料在筛面上的运动，分层和透 筛过程。分析了物料在振荡筛面上的理论运动轨迹，并针对理论轨迹选择了对应的振荡 筛面布置形式。 3 、讨论了振荡筛筛分效率的影响因素，分析了振荡筛高效筛分的原因，最后通过 试验对筛分效率进行了进一步的研究。 9 第二章振荡筛的结构j 筛分机理 第二章振荡筛的结构与筛分机理 2 1 振荡筛的结构 振荡筛由以下几个主要部分组成：筛箱、筛面、激振器与弹性元件。振荡筛的筛分 机理主要与激振器的结构和布置有关，而振荡筛的筛面及其布置形式与其筛分机理又密 切相连。下面就简要介绍一下振荡筛的激振器和筛面及其布置形式。 2 1 1 激振器 振荡筛的激振器有两种布置形式，一种是两轴上各有一个偏心块，其相位角为1 8 0 。，两轴在同步带的带动下同步同向转动，其回转中心与筛体质心重合，这样在工作时 所产生的就是一个激振力偶，又由于这个力偶始终以筛体的质心为中心，所以称这种振 动筛为平面振荡筛，如图2 1 。另一种为单轴两端各有一个偏心块，其相位角也为1 8 0 。，两个偏心块的回转中心与筛体的质心相重合。由于此时所产生为激振力偶距，方向 在变化，所以称这种振荡方式为空间振荡，如图2 2 。 图2 1 平面振荡筛激振器简图图2 2 空间振荡筛激振器简图 激振器的放置在方式用两种：一种是轴线与物料运动方向平行，也就是纵向布置； 另一种是两轴与物料运动方向垂直，即横向布置。偏心块装于箱体内部，其结构紧凑， 外形尺寸较小：外形规整，筛机工作时便于接近检查。 2 1 2 筛面 筛面是筛机的主要工作部件。对筛面的基本要求是：有足够的强度，最大的有效面 积，筛孔应不易堵塞，在物料运动时与筛孔相遇的机会较多。其中，前一项要求是保证 筛面有较好的工作可靠性和使用寿命，后三项要求关系到筛机的工作效果。 1 、筛面的主要功能 在筛分过程中，半透性的分离表面即筛面起管两个主要功能： 1 0 长安大学硕上学位论文 1 ) 按颗粒粒度分离物料； 2 ) 在配置着筛面的一些筛分机上输送各粒级的物料【2 0 1 。 给料在筛面上按粒度分离的过程中，主要分离单元产出细粒和粗粒级产品。在这一 过程中，目的就是要确保筛下颗粒在朝着筛孔移动时不受阻碍和顺利地通过筛孔。筛孑l 必须保持不堵塞，例如由于销钉状、黏性的或球形的颗粒等引起的堵塞。只有某一高度 料层中的细颗粒到达筛面时，筛下产品才能通过筛孔，它们才有可能得到分离。为此， 各种粒度的物料必须在筛面上输送。给料在筛面上的输送是很有必要的，一方面是为了 在筛面与物料颗粒之间，另一方面是为了在筛面与物料颗粒之间产生不同的运动。随着 筛分机与筛面的类型不同，场力、惯性的振动诱导力和冲击力、摩擦力和流体力的影响 也不同，这些力会使筛下产品在分离界面方向产生离析，并最终根据几率定律使筛下产 品通过筛面。筛上产品则是越过分离面，并进入到粗粒物料中。在筛分黏性的或难筛的 物料时，很高的筛分加速度或k 矿值有助于提高去团聚作用和除去那些堵塞筛孔的颗粒。 因此，筛分力必须大于粘附力、阻力瓦和库伦摩擦力r ，之总和。评价分离过程 质量的判据有分离精度和筛分效率。对于定量输送效率的评定来说，物料单位通过能力 是一个重要的判据。 从上述解释就可理解，筛面的主要功能之间是相互牵连的，并且它们一起决定着筛 分过程的效率。为了确保有效的筛分，必须系统地协调好这些功能之间的相互关系。 2 、筛面的几何形状 筛面的几何形状包括：筛孑l 形状和它们的横截面形状、筛孔宽度，、筛面厚度j 与 筛孔宽度，的比值等。它们都是影响分离效率和处理能力的特别重要因素。关于这些问 题的分析在很多文献中都出现过，在此就不在多说。但筛面的具体布置形式也有多种， 在此介绍如下： ( 1 ) 圆弧上凸型 此种筛面布置形状又分为两种：一种是纵向上凸型，其截面形状如下图示： 其优点是：结构简单，强度高，与振荡筛的振动轨迹配合较好，透筛有待于验证。 不足之处是：不利于支撑。 第二章振荡筛的结构o j 筛分机理 另一种是横向上凸型，也就是纵向上凸型旋转9 0 。所得。 其优点是：现在大多数产品都是此种筛面，结构简单，易固定与支撑，强度也可以。 不足之处是：不适合振荡筛的运动轨迹。 ( 2 ) 圆弧下凹型 其截面如图示： 其优点是：结构简单，易安装。 不足之处是：物料易集中在中间，易局部损坏。 ( 3 ) “山 字型 其优点是：是一种新型筛面，是针对振荡筛设计的。 不足之处是：物料容易集中在一起，使筛网容易局部损坏，安装也不是太方便。 ( 4 ) “人 字型 其优点是：是一种新型筛面，在这里也是专门针对振荡筛的受力来选择的，安装也 较方便。 不足之处是：强度可能不够，筛网也易损坏，支撑也不太容易。 ( 5 ) 平面型 其优点是：结构简单，便于安装、固定和支撑。 不足之处是：强度不够，筛网易损坏。 综合以上几种筛面布置形式，经过比较分析我们在这里初步选择了第一种和第五种 筛面布置形式，然后通过试验比较二者的优劣。 1 2 长安人学硕士学位论文 3 、筛面倾角 筛面与水平面的夹角称为筛面倾角。为便于排出筛上物，筛面一般倾斜安装，倾角 的大小与筛分设备生产率和筛分效率有密切关系。倾角大，粒群在筛面上向前运动速度 快，生产能力大，但物料在筛面停留时间缩短，减少颗粒透筛机会，影响筛分效率。筛 面倾角大小，与筛面运动形式有关。直线振动筛面，有一个沿着筛面向前运动的抛射力， 所以这类筛分机，倾角较小。但是，作为振荡筛面，由与其物料在筛面上的运动轨迹与 普通直线振动筛不同，所以其倾角可以比一般振动筛稍大一些。作圆周振动的筛分机， 倾角应大些。当筛面倾斜放置时，颗粒通过的筛孔面积实际上是筛孔面积在水平面上的 投影值f 2 1 ，2 2 1 。 如图2 3 所示，筛孔长为l ，能够无阻碍地透过筛孔的颗粒直径d ： d = l c o s 口一h s i n 口 显然，筛面倾角越大，颗粒的透筛通道愈窄，但实际上筛孔尺寸的大小是不变的。 利用这一原理，当筛分难处理物料时，可以适当采用大筛孔，大倾角，使物料按细粒级分 离。概率筛就是利用这个原理。 h 2 2 振荡筛的工作原理 图2 3 颗粒透过倾料筛面筛孔示意图 2 2 1 振荡筛动力学模型 为了便于分析计算，在建立模型时，首先需要对振动系统作一些简化，忽略次要因 素，具体简化原则为： 第一二章振荡筛的结构与筛分机理 只= 朋 ， 翻 厂= 、 私 厂i 喇2y 一- m d r 埔e 口 图2 4 平面振荡筛动力学模型简图 ( 1 ) 质量集中，实际的振动机体构造是分散的，在建立集中参数模型时，需要适 当的集中，如质量大的，弹性小的简化为不计弹性的集中质量。 ( 2 ) 刚度集中，弹簧产生单位位移所需的力称为弹簧的刚度，在振动系统中，弹 簧是分散的，建立模型时，把弹性大、质量小的集中为不计质量的弹簧刚度，当质量大 时，把弹簧质量结合到系统质量中。 ( 3 ) 阻尼集中，振动过程中的阻尼多种多样，弹簧的内阻、外阻、筛箱运动中的 摩擦、冲击等等全部简化为等效线性阻尼。 根据上述简化分析，平面振荡筛的力学模型如图2 4 所示。它是由振动质量( 筛箱和 激振器) 、连接振动质量与基础之间的弹性元件和振动过程产生的阻尼等，构成一个弹 性系统。 2 2 2 筛箱的扭转刚度 扭转刚度k 一的定义是使系统的某点沿指定方向产生单位角位移时，在该点同一方 向所施加的力矩，称为系统在该点沿指定方向的扭转刚度【2 3 2 4 2 5 郐l 。 筛箱的扭转刚度可以由筛箱的拉伸刚度求出，设筛箱左侧弹簧支点距筛箱质心的水 平距离为a ，右侧弹簧支点 距质心水平距离为b ，其对应关系见图2 5 。 1 4 长安大学硕r t 学位论义 图2 5 扭转刚度求解示意图 根据图2 5 ，由静力平衡原理可得： m = k a y - + k b y , = k a a o + 肋阳 = k 即+ b z ) 2 1 ) 又因为m = 忍乡，所以 k 一0 = k , a ( a 2 + 6 2 ) ( 2 2 ) 由式