（机械设计及理论专业论文）橡胶筛面等关键部件对弛张筛动力学参数的影响.pdf

摘要 捅要 筛分是将混合物料按照其粒度分成两种或若干种不同粒级的过程。筛分作业 广泛应用于矿业、冶金、化工、材料、机械、建筑、食品、医药、能源及环境等 诸多领域。 潮湿细粒煤炭干法深度筛分是当今筛分技术急需解决的问题。深度筛分时， 由于颗粒小，比表面积大，遇水易粘附造成堵孔，普通振动筛很难完成这种筛分 任务。近3 0 年来，国内外为解决煤炭干法筛分问题，提出了一些筛分理论并研制 了众多新型筛分机械。解决潮湿煤炭深度筛分问题是世界各国在于法筛分领域的 一大难题。 弛张筛最早是在上世纪五十年代在德国出现的，是潮湿细粒物料的有效深度 筛分设备。弛张筛一个显著特点是它打破了筛分机械刚性筛面不做相对运动的传 统结构模式，它具有筛面加速度大，筛面做弹性挠曲运动，物料呈跳跃式前进， 不堵孔等特点。 本课题在总结潮湿细粒煤炭的筛分理论和弛张筛弹性筛面的筛分基本原理的 基础上，从橡胶筛面及其他关键部件( 包括曲轴，横梁等) 对弛张筛动力学参数的影 响的角度对弛张筛筛分原理和特性进行了详细的研究。 采用了基于简化几何模型的方法，求得弛张筛的动力学振动表达式，得到筛面 中点的位移，速度和加速度方程。借助于m a t l a b 计算机软件强大的数据处理和绘 图功能，s o l i d w o r k s 和a d a m s 的建模仿真，对弛张筛动力学参数进行了系统的分析 和研究，得到一系列反映弛张筛动力学特性的曲线和曲面。 对得到的数据进行深入的分析，揭示了弛张筛特有的动力学行为，为进一步 提高弛张筛的设计和应用水平提供了理论依据和参考。 图【4 2 】表 2 】参 4 8 】 关键词：弛张筛：橡胶筛面；动力学参数；m a t l a b ：a d a m s ；潮湿细粒筛分 安徽理工大学硕士论文 a b s t r a c t s c r e e n i n gt e c h n o l o g yi sap r o c e s sw h i c hc l a s s i f i e sm a t e r i a l si n t od i f f e r e n tt y p e s a c c o r d i n gt ot h e i rp a r t i c l es i z e i ti sw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha sm i n i n g ，f o o d i n d u s t r y , c o n s t r u c t i o n , m e d i c a la n de n e r g yi n d u s t r y , e t c i nt h i sp a p e r , t h es c r e e n i n gt h e o r yo fm o i s tf i n ec o a l ，s c r e e n i n gm e c h a n i s mo f f l i p f l o ws c r e e n sa n dt h ei n f l u e n c eo fp l a s t i cd e c ka n do t h e rk e yc o m p o n e n t so nt h e d y n a m i cp a r a m e t e r so ff l i p - f l o ws c r e e n sa r es t u d i e d d e t a i l e dr e s e a r c ho nt h ep d n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co ff l f l o ws c t e e nf r o mt h e a n g l eo f t h ei n f l u e n c eo f p l a s t i cs c r e e nd e c ka n do t h e rk e yc o m p o n e n t so nt h ed y n a m i c p a r a m e t e r so f f l i p - f l o ws c r e e ni sc a r r i e do u t t h em e t h o db a s e do ns i m p l i f i e dg e o m e t r i c a lm o d e li sa d o p t e dt oo b t a i nt h e v i b r a t i o n a lf o r m u l ao ff l i p - f l o ws c r e e n b yu s eo fs t r o n gf u n c t i o no fd a t ap r o c e s s i n g a n dd r a w i n go fm a t l a bs o f t w a r e ，s y s t e m a t i c a l a n a l y s i sa n ds t u d yo nt h ed y n a m i c p a r a m e t e r so ff l i p f l o ws c r e e ni sm a d ea n das e r i e so fc u r v e sa r eg o tw h i c h r e f i e c tt h e s p e c i f i cd y n a m i cp r o p e r t yo f f l i p f l o ws c r e e n t h e n ，d e e pa n a l y s i so ft h eo b t a i n e dd a t ai s c a r r i e do u tw h i c hc a ns u p p l y t h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o ri m p r o v i n gd e s i g n i n gl e v e la n da p p l i c a t i o no f f l i p f l o ws c r e e n f i g u r e 4 2 】t a b l e 【2 】r e f e r e n c e 4 8 1 k e yw o r d s ：f l i p - f l o ws c r e e n ；p l a s t i cd e c k ；d y n a m i cp a r a m e t e r s ；m a t l a b ；a d a m s ； s i e v i n gf i n ew e tc o a l i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徵垄王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：日期：生年月笪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮堡王太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞邀翌三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：叶走老分 锄张移移疗 。 n 外 钿 角 嘲 么 年 年 7 如肿垆 签 签 1 绪论 1 1 筛分及筛分过程 1 1 1 筛分的基本概念 1 】 1 绪论 筛分是将松散的混合物料通过单层或多层筛面的筛孔，按照其粒度分成两种 或若干种不同粒级的过程。筛分作业可分为干式或湿式筛分，广泛应用于矿业、 冶金、化工、材料、机械、建筑、食品、医药、能源及环境等诸多领域。 对于矿物加工行业，如选煤厂或选矿厂，大批筛分机械担负着分级、脱水、 脱泥和脱介，甚至按质量分选的艰巨任务。就煤炭加工而言，筛分技术也显得尤 为重要。筛分机械不仅用于生产粒度、水分和灰分等指标达到用户要求的煤炭产 品，而且在实现煤炭资源的合理利用和保护环境及为煤炭企业创造经济效益等方 面，都发挥着重要的作用。 干法筛分是合理利用煤炭资源、保护环境的最经济和最有效技术，其加工费 用低，是煤炭转化为洁净煤必不可少的基础和关键环节。 早在1 6 世纪末，1 5 8 9 年英国煤炭工业首先使用了筛分设备，1 9 世纪下半叶 煤炭工业进行了广泛的按粒度实现机械筛分。2 0 世纪4 0 年代出现了振动筛，由 于振动筛的结构简单，工作可靠，在煤炭工业得到了广泛的应用。6 0 年代以来由 于采煤综合机械化的实现，开采的煤炭粒度减小，粉煤量增大，井下防尘的喷水 量增多，致使原煤水分增加，矿井来煤进入选煤厂的外在水分含量在8 左右，有 时还高达1 4 ，这就使潮湿煤炭细粒( 1 3 m 州或6 t r i m 粒级) 筛分时筛孔造成堵塞。 近3 0 年来，国内外为解决煤炭干法筛分的问题，提出一些筛分理论并研制了概率 分级筛、等厚筛、旋转概率筛、弛张筛、螺旋筛和琴弦筛等新型筛分机械。这些 新型筛分机械在解决潮湿煤炭细粒筛分方面起到了较好的作用。但解决潮湿煤炭 深度筛分问题仍是世界各国在干法筛分领域的一大难题。 按应用目的和使用场合不同，筛分机械在选煤厂或选矿厂的用途主要有以下 几种：( 1 ) 准备筛分在选煤厂和选矿厂，准备筛分的目的是为了下一步的破碎作 业和分选作业提供不同粒级的物料作准备。对于破碎作业，准备筛分是为了从矿 物中筛出合格粒级的筛下物，只将大于分选上限的筛上物给入破碎机，从而避免 矿物过度粉碎，提高破碎机生产能力和减少动力消耗。对于分选作业，不同的选 煤方法都对入料的粒度范围有一定要求，否则将严重影响分选效果。( 2 ) 检查筛分 在选煤广和选矿厂，从破碎机和磨碲机的产物中，将不合格的粗粒级物料用筛分 安徽理工人学硕士论文 机分离出来，称为检查筛分。检查筛分的目的是控制产物的粒度。( 3 ) 最终筛分 最终筛分是指筛选的产品作为最终产品供给用户所进行的筛分。不同的用户，尤 其是动力煤用户，对产物的粒度要求不同。例如使用喷燃炉的火力发电厂，要求 供应细粒级煤，否则磨制煤粉的成本较高：机车和船舶因锅炉烟囱短，通风强， 燃料用的粉煤会随烟气从烟囱飞走，造成浪费和污染环境：因此，机车和船舶要求 块粒煤。化肥厂和煤气厂要求供应中等粒度的块煤。( 4 ) 脱水筛分以脱水为耳的 的筛分称脱水筛分。煤的水分可分为外在水分( 附在煤粒表面的水) 和内在水分( 煤 粒内部毛细孔吸附的水) ，脱水筛分主要是脱掉一部分外在水分，不能脱除内在水 分。外在水分的脱除表现为两个方面，一是物料与筛面之间的碰撞，使水分从颗 粒上抖掉；二是在物料质量定时，粒度越小，比表面积越大，外在水分也就越 高。使细粒级物料成为筛下物，就能减少筛上物的水分( 5 ) 脱泥筛分以脱除煤泥 为目的的筛分称为脱泥筛分。例如：对于重介质选煤，为了减轻煤泥( 0 5 i i a n ) 对介质系统的污染，在原料煤进入重介分选机之前，先用筛分机把其中的煤泥脱 除。跳汰选煤有时也采用脱泥筛分，脱泥后的筛上物作为跳汰机的入料，可降低 洗水粘度，有利于细粒级分选。脱泥筛工作时筛上都加一定压力的喷水，以脱除 附着在煤粒上的细泥。脱泥筛分的实质乃是一种湿法筛分。( 6 ) 脱介筛分在重介 质选煤产中，夹杂着许多粒度很小的加重质，为回收这些加重质以便循环使用， 需要用筛子将其从物料上脱除，称为脱介筛分。因加重质粒度很微细，粘附在物 料表面，不易脱除，所以脱介筛分常采用压力较大的喷淋水，脱介筛分也属于湿法 筛分。重介质选煤产品在脱介筛分的同时，也伴有脱水、脱泥筛分，降低产品水 分，减少高灰细泥对精煤的污染，从而降低精煤灰分。( 7 ) 选择性筛分选择性筛 分是指在筛分过程中，矿物不仅按粒度分级，而且也按质量分级的筛分。例如， 在含黄铁矿为主的高硫煤中，硫分大部分集中在大块煤内，通过筛分可将硫分除 去。又如某些矿区，其末煤灰分较低而大块煤的灰分较高，通过筛出大块，可使 末煤质量提高l 一2 级。 1 1 2 筛分过程2 在筛分过程中，理论上大于筛孔的颗粒留在筛面上，称为该筛面的筛上物，小 于筛孔的颗粒透过筛孔，称为该筛面的筛下物。 碎散物料的筛分过程，可以看作由两个阶段组成：一是小于筛孔尺寸的细颗 粒通过粗颗粒所组成的物料层到达筛面，二是细倾粒透过筛孔。要想完成上述两 个过程，必须具备最基本的条件，就是物料和筛面之间要存在着相对运动。为此， - 2 一 1 绪论 筛箱应具有适当的运动特性，一方面使筛面上的物料层成松散状态；另一方面， 使堵在筛孔上的粗颗粒闪开，保持细粒透筛之路畅通。 实际的筛分过程是；大量粒度大小不同，粗细混杂的碎散物料进入筛面后， 只有一部分颗粒与筛面接触，而在接触筛面的这部分物料中，不全是小于筛孔的 细粒，大部分小于筛孔尺寸的颗粒，分布在整个料层的各处。由于筛箱的运动， 筛面上料层被松散，使大颗粒本来就存在的较大的间隙被进一步扩大，小颗粒乘 机穿道间隙，转移到下层。由于小颗粒间隙小，大颗粒不能穿过，因此，大颗粒 在运动中，位置不断升高。于是原来杂乱无章排列的颗粒群发生了析离，即按颗 粒大小进行了分层，形成小颗粒在下，粗粒居上的排列规则。到达筛面的细颗粒， 小于筛孔者透筛，最终实现了粗、细粒分离，完成筛分过程。然而，充分的分离 是没有的，在筛分时，一般都有一部分筛下物留在筛上物中。 细粒透筛时，虽然颗粒都小于筛孔，但它们透筛的难易程度不同经验得知， 和筛孔相比，颗粒越小，透筛越易，和筛孑l 尺寸越近的颗粒，透筛就较难，透过 筛面下层的大颗粒间隙就更难。 1 1 1 3 颗粒透筛的概率【1 1 1 2 粒状物料的筛分是一个复杂的随机过程，其基本原理是物料颗粒的透筛概率 理论。影响颗粒透筛的因素很多，主要有物料的性质筛分机的工艺结构和运动学 参数。t a g g a r t ( 1 9 4 4 ) 和g a u d i n ( 1 9 3 9 ) 从颗粒大小与筛孔尺寸的关系出发， 提出了单个颗粒垂直投射水平筛面时的透筛概率，奠定了粒状物料筛分的理论基 础。 假定直径为d 的单个球形颗粒在重力作用下向水平布置的筛面自由落下，筛 丝直径为b ，方形筛孔的边长为口( a d ) ，如图1 所示。 图l 颗粒垂直透筛示意图 一3 一 安徽理= ：【：大学硕士论文 f i g 1s c h e m a t i co f g r a n u l ep e n e t r a t i n gp e r p e n d i c u l a r l y s c r e e ns u r f a c e 则有透筛概率为 p ：( ，a - d ，、) ，2 ( 卜一i ) + 6 ) 2 一 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。他指出相对粒度为d a 的物料从倾斜方向落到倾斜筛面的透筛概 率为( 如图2 ) ： d( 口+ 6 妒一d ) ( 口+ 6 ) c o s ( t 2 + 万) 一( 1 一缈) 6 一d 】 ，2 1 i 虿k c o s ( i i f n 1 f 口+ 6 ) 2口+ 万) 式中： 口筛孔倾角： 占物料下落时对筛面的相对运动方向线与垂直线的夹角； 妒考虑物料与筛丝内倾碰撞后仍能落入筛孔的系数。 图2 倾斜筛面颗粒透筛示意图 f i g 2s c h e m a t i co f g r a n u l ep e n e u a t i n g o b l i q u es c r c c ns u r f a c e 1 9 8 2 年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。 4 l 绪论 1 2 物料的透筛机理d i 4 i s l 6 i 筛面的运动能使物料在筛面上分散并透过筛孔，从而提高筛分效率工业筛 分实践表明：同一种物料在不同类型的筛分设备上进行处理将得到不同的筛分效 果。固定筛面的筛分设备筛分效率最低，一般仅用于处理大块物料的场合；物料 在摇动筛筛面上，颗粒主要沿筛面滑动，而且摇动的频率一般比较小，颗粒主要 借助重力透筛，所以筛分效率也不佳；转筒筛因筛面易堵，筛分效率也很低。 对于振动筛而言，物料在筛面的运动过程分为静止、松散、分层和透筛。松 散是分层的前提，物料分层是完成筛分过程的条件，物料透筛是筛分的目的。振 动筛筛面处于持续的振动状态，料群的静止状态是很短暂的，目的在于获取和积 聚能量，准备下一个抛射运动；筛面上的粒群更多的时候不断地调整各自的位置， 促使粒群松散和分层，为透筛创造条件。大量粒度不同、粗细混杂的教状物料进 入筛面，只有其中一部分颗粒与筛面直接接触，而直接接触筛面的这部分物料中， 又不全是小于筛孔尺寸的细粒物料，大部分小于筛孔的细粒分布在料层的各个部 位物料在筛面上受外力的作用，与筛面作相对运动。当物料群下落筛面时，底 层颗粒首先与筛面发生碰撞，反射速度再与相邻的上层颗粒碰撞，逐渐以碰撞的 形式向上传递，当下层大颗粒之间存在空隙时，小于该空隙的上层细颗粒就得不 到下层给它的碰撞，上层颗粒就会在原来能量下，克服一定的阻力，填入下层的 空隙中物料群下落筛面时，底层物料与筛面碰撞后，获得在铅直方向运动能量 的同时，也获得水平运动方向的能量，使相邻层在水平方向也存在速度差，使上 面细颗粒填入下面空隙的机会增加。由于小颗粒孔隙较小，大颗粒不能穿过，因 此大颗粒在运动中位置不断升高。于是，原来杂乱排列的颗粒经过一段时间的析 离，按粒度分层，形成小颗粒在下，大颗粒在上的规律排列。这样，小于筛孔的 细粒得到透筛，实现粗细颗粒分离，即传统的筛分过程。 1 3 影响物料透筛的因素d i 4 j d i 6 1 3 1 入筛原科性质的影响 2 1 ( 1 ) 含水率物料的含水率又称湿度或水分。一般物料所含水分有三种： 一是结合水分，它与物料紧密结合在一起；二是吸着水分，存在于物料的孔隙裂 缝中；三是外在水分，物料表面上所带的水分上述三种水分，前两种对筛分过 程没有影响，主要是外在水分影响筛分的进行我们所研究的细粒级原煤e h f l 七 表面很大，故外在水分相对较高，当外在水分含量超过7 时，颗粒表面形成一- 5 一 安徽理工大学硕士论文 层薄薄的水膜，相邻颗粒在液桥力和水膜表面张力作用下相互粘结成团，随着普 通筛分过程的进行，一些潮湿粘性物料相互粘结并粘附到筛面上，并随着筛分时 间的加长，粘附到筛面上的细小颗粒越来越多，最终与筛面上的潮湿细粒物料一 起在液桥力和水膜表面张力作用下，形成一张覆盖膜，将筛孔堵塞，使筛分过程 恶化，筛分效率低下 附着在物料颗粒表面的外在水分，对物料筛分有很大影响；物料裂缝中的水 分以及与物质化合的水分，对筛分过程则没有影响。例如，筛分某些烟煤时，如 水分达到6 ，筛分过程实际上就难以进行了，因为煤的水分基本上是覆盖在表 面上的。但是孔隙很多的褐煤的水分虽然达到4 5 ，筛分过程仍然能够正常地进 行。 图3 筛分效率与物料湿度的关系 f 嘻3r e l a t i o n b e t w e e ns i e v i n g e f f i c i e n e x a n d m a t e r i a l h u m i d i t y 筛分效率与物料湿度的关系如上图所示，图中说明物料所含水分如达到某一 范围，其筛分效率急剧下降，但所含水分超过这个范围后，颗粒的活动性提高， 渐渐转为湿筛，筛分效率又提高了。井下开采的原煤水分含量一般在7 一1 4 之 间。根据筛分效率与物料湿度的关系对井下开采的原煤如利用普通筛机直接进行 于法筛分，其筛分效率将十分低下 ( 2 ) 含泥量如果物料含有易结团的混合物( 如粘土等) ，即使在水分含 量很少时，筛分也可能发生困难。因为粘土物料在筛分中会粘结成团，使细泥混 入筛上产物中除此以外，粘土也很容易堵塞筛孔粘土质物料和粘性物料，只 能在某些特殊情况下用筛孔较大的筛面进行筛分筛分粘性矿石时，必须采用特 殊的措旎。这些措施包括：湿法筛分( 即向沿筛面运动的物料上喷水) ；筛分前预 6 1 绪论 先脱泥；对筛分物料进行烘干用电热筛面筛分潮湿且有粘性的矿石，能得到很 好的筛分效果。 ( 3 ) 粒度特性影响筛分过程的粒度特性主要是指原料中含有对筛分过程 有特定意义的各种粒级物料的含量。表l 列出了物料的粒度特性对筛分过程的影 响。 表1 物料的粒度特性对筛分过程的影响 t a b 1t h ei n f l u e n c eo f m a t e r i a ls i z eo i ls i e v i n gp r o c e s s 粒级名称及其粒度范围对筛分过程的影响 易筛粒瞄0 7 5 a )容易穿过粗粒层并接近筛面继 能筛粒级而透过筛孔 碱a )难筛粒( o 7 5 a 难于穿过粗粒层及透过筛孔， 原料且容易卡在筛孔内 ( 西一以)阻碍粒似1 5 a )对其他粒级的穿层与透筛有阻 不能筛粒碍作用，且容易卡在筛孔内 级 非阻碍粒对其他粒级的穿层与透筛阻碍 0 盔)( 1 5 a d 2 )作用很小 注：口筛孔尺寸；西 a 畋 被筛分物料中，“易筛粒”( d o 7 5 d o ) ，。难筛粒”( 0 7 5 d p d 1 0 d o ) 和 “阻碍粒”( 1 0 d 。 d 1 5 d 。) 对筛分过程有明显影响。对于干燥物料筛分来说， 含易筛粒多的物料筛分效果越好，在一定处理能力情况下，可得到较高的筛分效 率。由于易筛粒容易穿过筛孔，留在筛上的物料迅速减少，即使有些难筛粒，因 减少其他物料对它的干扰，所以透筛阻碍也小。当物料外在水分含量达到一定范 围，细粒含量的增加反而会使筛分效率下降，这是因为此时细粒物料易附着在筛 孔上“搭桥”导致堵孔，或者相互粘结成团，混杂在粗颗粒中从出料口排出，造 成筛分效率低，错配率高等弊病。相反，若原料中“难筛粒”和。阻碍粒”含量 多，无论物料外在水分含量多少，都难以筛分，不但筛分效率低，而且处理能力 也低。 影响筛分过程的粒度特性还包括颗粒的形状。对于三维尺寸都比较接近的颗 粒，如球形体、立方体、多面体等，筛分比较容易；而对于三维尺寸有较大差别 的颗粒，如薄片体、长条体、怪异体等，在其他条件相同的情况下筛分就比较困 难 一7 安徽理工大学硕士论文 ( 4 ) 密度特性当物料中所有颗粒都是同一密度时，一般对筛分没有影 响。但是当物料中粗、细颗粒存在密度差时，情形就大不一样。若租粒密度小， 细粒密度大，则容易筛分比如对5 0 网目破碎级煤与2 0 0 网目磨碎级铁矿粉的混 合物的筛分，由于粗粒层的阻碍作用相对较小，而细粒级的穿层及透筛作用却比 较大。相反，若粗粒密度大，细粒密度小，比如含有较多粗粒级矸石的煤，筛分 就相对困难 1 3 2 筛子运动形式的影晌【1 】【2 】 筛面运动形式关系到筛上物料层的松散程度，需要透筛的细物料相对筛面运 动的速度、方向、频率等，因而对分层、透筛过程均有影响。例如，物科在固定 筛上的运动，全靠物料在本身重力的作用下滑移流动，筛分效果较差；在振动筛 上，物料的运动能量主要来自筛面的振动，料层不断地充分松散，颗粒相对筛面 不断地剧烈冲撞，筛分效果较好；转筒筛运动平缓，料层松散度不够，粗、细颗 粒经常混杂，使分层不连续，物料相对筛面的运动速度较小，筛孔容易堵塞：摇 动筛上的物科主要是沿筛面方向滑动，在筛面法向的速度分量较小，不利于细粒 透筛。 在振动筛中，筛面的运动形式有圆振动、直线振动和椭圆振动几种。其中圆 振动形式能使物料充分松散，抗堵孔能力强，但筛上物料的抛射角大，输送能力 小为了提高输送能力，不得不加大筛面倾角，这使得筛分粒度不太严格，料层 呈加速度输送，减少了接近筛孔尺寸的颗粒在筛面排料端透筛的机会直线振动 形式不能使物料充分松散和重新排列，故细粒物料不易接近筛面而透筛，已经堵 塞筛孔的颗粒不易抛出，使筛分过程恶化但筛上物料的抛射角小，输送能力较 大，筛面一般呈水平或接近水平安装，筛分粒度严格，料层呈匀速输送，有利于 接近筛孔尺寸的颗粒透筛椭圆振动形式的“轨迹长轴”是强化筛上物料输送的 分量，“轨迹短轴”是促进物料松散的分量，因而兼有圆振动和直线振动的优点， 并克服二者的缺点，故筛分效果较好。 1 3 3 筛面结构参数的影响【7 】 ( 1 ) 筛面的宽度与长度一般情况下，筛面宽度决定筛子的处理能力，筛 面越宽，处理能力越强；筛面长度决定筛子的筛分效率。筛面越长，筛分效率就 越高。对于振动筛，增加宽度常受到筛框结构的限制。通常，宽度越大，筛框的 寿命就越短筛面长度达到一定尺寸后，筛分效率提高很少，甚至不再提高，此 8 l 绪论 时再增加筛面长度只会增加筛子的体积和重量。筛子的处理能力和筛分效率，是 两个相依相存的指标，必须同时兼顾才具有实际意义。 ( 2 ) 筛面倾角为了便于排出筛上物，筛面有时倾斜安装。倾角的大小与 筛子豹生产率和筛分效率有密切的关系，这是因为倾角大，辩层在筛面上向前运 动的速度就快，生产率就大，但物料在穸帝面上停留的时间缩短，减少了颗粒透筛 机会，降低了筛分效率。 - ( 3 ) 筛孔的大小、形状及开孔率筛孔越大，单位筛子面积的处理能力就 越高，筛分效率也越高。筛孔的大小主要取决于筛分的目的和要求。对于粒度较 大的常规筛分，一般是令筛孔尺寸等于筛分粒度；但是当要求的筛分粒度较小时， 筛孔应该比筛分粒度稍大些：对于近似筛分，筛孔要比筛分粒度大很多。常见的 筛孔形状有圆形、方形和长方形三种圆形和长方形筛孔所得到的筛下物的形状 较为规则，而片状和条状的颗粒则容易从长方形筛孔中漏下，因此，长方形筛孔 一般制作得较小。但是，在筛分潮湿、秸性的物料时，若把长方形筛孔的长边( 通 常称为筛缝) 顺着筛上物料的移动方向布置，就可减少对筛上物料的阻碍，从而 减少堵塞一般情况下，筛孔尺寸越大，筛面开孔率就越高在筛孔尺寸一定时， 开孔率越大对筛分越有利，但开孔率受到筛面强度和使用寿命的限制。 1 3 4 操作条件的影响【7 l 对于定的筛子和筛分原料而言，操作条件主要是指给料的数量和质量前 者即筛子负荷，通常以t ( 台h ) 或t ( m 2 h ) 为单位；后者是指应保持连续和均匀地 向筛子给料，其中均匀性既包括在任意瞬时的筛子负荷都应相等，也包括物料是 沿整个筛面宽度上给进此外，及时清理和维修筛面，也有利于筛分的操作 1 4 原煤千法深度筛分的重要意义 1 4 1 我国钱源发展现状及展望【1 】【2 l 煤炭是我国最重要的一次性能源，资源十分丰富，约占常规能源储量的9 0 ， 远远超过石油和天然气的探明储量同时，我国是世界上最大的煤炭生产和消费 国家，煤炭提供了7 6 的发电能源，8 0 的民用商品能源，7 5 的工业原料，6 0 的 化工原料。我国能源工业经过五十多年的发展，其技术水平有了很大的提高，保 障了煤炭生产的稳步上升。为保证我国国民经济发展速度，满足经济迅速发展和 人民生活水平提高对能源的要求，2 0 0 0 年原煤产量超过1 4 亿吨，而2 0 1 0 年将达 9 安徽理工大学硕士论文 到1 8 亿吨。我国能源和经济发展条件决定煤炭在未来3 0 _ _ 5 0 年内仍将是我国的 主要能源。 1 4 2 原煤干法深度筛分的必要性嘲1 9 】1 1 0 】【l l j 从井下或露天采矿场开采出来的或是经过破碎的矿石以及其他物料，以各种 大小不同的颗粒混合在一起，在使用或进一步处理之前，常常需要把它们分成粒 度接近的几种级别，利用多孔的工作面将颗粒大小不同的混合物料按其颗粒大小 进行的分级作业称为筛分。筛分是矿物加工工程的重要组成部分，在煤炭、冶金、 化工、建材等部门广泛应用。原煤干法深度筛分是指井下开采的煤不经过加水等 任何处理而直接进行细粒分级。 煤炭是非洁净能源，在开发和利用过程中对环境造成极大的危害。我国煤炭 资源的特点是高硫、高灰分煤比重大( 我国原煤平均灰分高运2 8 - - 3 0 ) ，这样的 煤及其发热量和稳定性都不能很好的满足动力煤的要求，而且高硫高灰分煤的产 量逐年上升我国8 4 的煤炭直接用于燃烧，所产生的污染物已造成“南方酸雨， 北方灰尘”的严重环境污染问题。 由于在今后相当长的时问内煤炭仍然是我国能源的主体，因此为促进环境与 能源协调开发，中国的发展道路要从传统的发展模式向可持续发展模式转变，实 现既满足当代人的需要，又不对后代人的发展造成危害，能源发展战略从能源开 发型向能源经济效率型转变大力开发推广洁净煤技术，这是减少污染物排放的 最有效途径之一，也是我国以煤为主的能源生产和消费结构下解决问题的一个必 然选择。 我国原煤在具有高灰分特点的同时，大部分矿区的动力煤还具有粒度越小、 灰分越低的特点，尤其是3 m m 或6 m m 以下绝大多数原煤的灰分能够满足动力煤 的要求表2 的数据可明显看出：粒度越小、灰分越低，6 m m 以下煤的灰分只有 1 5 0 6 ，而3 m m 以下煤的灰分则低于1 4 ，因此对原煤进行不同粒级的筛选可获 得灰分在1 5 0 5 以下的优质原煤。这些灰分低的细粒级煤炭可以不通过洗选而直接 作为动力煤，这样既降低了高灰分煤对环境的污染，同时也减少水资源的浪费， 提高粉煤的利用率，降低了加工成本 1 0 l 绪论 表2 粒度对产率和灰分的影响 t a b 2t h ei n f l u e n c eo f s i z eo i lp r o d u c t i v i l ya n da s h 粒级( m m )产率( r )灰分( a d ) 5 0 2 59 1 04 1 6 6 2 5 1 31 2 4 73 2 7 8 1 3 6 1 5 1 72 2 4 l 6 31 6 o l1 6 0 6 3 l1 7 4 31 3 1 2 l o 5 1 5 3 21 2 4 6 o 5 0 1 4 5 01 1 6 8 对于原煤进行干法筛分，原煤水分含量的多少对筛分过程影响非常大。然而 由于井下煤炭水分和采煤降尘洒水的需要，开采出的原煤水分难以控制，对筛分 效率又很大的影响。尤其是外在水分含量在7 一1 4 左右时，用普通的筛分设备 进行原煤干法深度筛分已难以进行为了解决潮湿原煤深度干法筛分的问题，国 内有关专家学者正努力探索筛分理论与设备。 1 5 干法深度筛分设备的发展现状 在潮湿细粒煤炭的干法筛分设备的研制上，人们为了克服堵孔问题，早在上 世纪六十年代就研制成功电动振动筛，但由于它存在这使用寿命、安全、成本等 诸多问题阻碍了它的推广和应用1 7 。于是人们将研究的目标转向增大被筛分物料 的振动能量和采用特殊结构的筛分机械来完成潮湿原煤干法深度筛分的问题近 几十年来，特别是针对一1 3 r a m 难筛煤炭筛分设备的研制上有了很大发展。主要有： ( 1 ) 旋转概率筛；( 2 ) 立式圆筒筛；( 3 ) 螺旋辊轴筛；( 4 ) 等厚筛；( 5 ) 概率筛； ( 6 ) 节肢振动筛；( 7 ) 琴弦细粒分级筛；( 8 ) 弛张筛等。 1 5 1 旋转概率筛1 3 1 1 1 2 1 1 3 1 旋转概率筛是利用旋转离心概率透筛原理对物料进行分级。筛面上的物料在 离心力、重力、振动力作用下进行分级，细颗粒透筛成为筛下物用这种筛分机 处理外在水分为1 2 一1 4 的原煤时，分级粒度可达4 m m ，对末煤含量高达5 0 的原煤按6m m 分级时，限下率为2 0 9 6 2 5 ，处理能力为1 5 0 t h 。 旋转概率筛优点是筛分粘结原煤时，筛面不易堵塞；只要调整筛面旋转速度， 安徽理工大学硕士论文 即可调整分级粒度。缺点是结构复杂，筛分效率较低，机械故障多，近年来在煤 炭行业应用较少 1 5 2 立式圆筒筛【l 习 立式圆筒筛是利用离心力、振动力和物料重力综合作用的一种筛分机。该筛 机在传动装置的中心轴上设有偏心块，旋转时可使圆筒筛产生横向振动，物料在 偏心力的作用下被抛到筛网上，透筛的细颗粒在重力作用下，作为筛下物排出。 立式圆筒筛的优点是筛孔不用堵塞，且处理量在一定范围内波动时，筛分效 率波动小。缺点是结构复杂。 1 5 3 螺旋辊轴筛f 1 3 】【1 4 j 螺旋辊轴筛最早由前苏联研制成功，专用于粘湿原煤和页岩的预筛分它由 两段或三段结构相同的筛分机串联组合而成，各段筛机有一定的落差，每段筛机 分别由一排带有右旋双螺纹和左旋双螺纹的螺旋轴组成，通过支架安装在筛机框 架上，然后由电动机带动转动，细物料在重力和摩擦力的作用下透筛。调整螺旋 位嚣可获得两种筛孔尺寸缺点是结构复杂，螺旋轴螺旋条易磨损；当分级粒度 较小，水分较大时，细粒物料的重力和摩擦力难以克服颗粒之间的吸引力而不能 进行有效的筛分。 1 5 4 等厚筛【3 】【1 2 1 1 ， 等厚筛分法是法国布尔斯特莱因于1 9 7 3 年提出的一种先进的筛分方法。它采 用的料层厚度一般为筛孔的6 8 倍，筛面有2 3 个倾角。第一段采用大倾角， 使物料具有较大的流速，便于更好的分层：第二段、第三段筛面倾角较小，便于 物料更好的透筛。等厚筛对于水分高的原煤适应性强，处理能力与筛分效率均优 于一般振动筛，已在国内外推广使用，但缺点是机器庞大、笨重。 1 5 5 概率筛口l 【1 6 1 1 7 l 概率筛又称摩根森筛。该筛自上世纪5 0 年代起开始研究，目前瑞典、西德、 日本等许多国家都开始大批生产这种新型筛机；我国自1 9 7 7 年研制成功，目前已 应用于许多工业部门。其主要优点是处理量大、不易堵孔、筛面拆卸容易、易安 装和生产费用低等。 1 9 8 0 年中国矿业大学研制成功煤用概率分级筛，将外在水分大于7 ，粒度为 l 绪论 5 0 - - 0 m m 级原煤分成5 0 - - 2 5 m m 、2 5 - - 1 3 m m 、1 3 - - 6 r a m 、6 _ _ o m m 四种产品， 效率达到6 0 左右。 1 5 6 节肢振动筛【1 3 】 节肢振动筛筛分原理类似等厚筛，但其参与振动的部分筛网与不参与振动的 筛框是分离的，因此命名为节肢振动筛。其已在冶金、煤炭行业得以迅速推广， 它的主要特点： 筛机网体分离，筛框不参与振动，从而大大减轻了参振质量，提高了筛机的 处理能力和筛分效率。 筛网分节振动，筛机的每段筛网均有独立的激振源，第一段为圆振动，二、 三段为直线振动，改变了传统的单点激振源及同一振动方向角。采用了橡胶弹簧 两次隔振装置，噪音低、且降低了传至基础的动负荷，不用安装地脚螺栓也可使 用。 但它的结构复杂，可靠性相对较差，维修困难。， 1 5 7 琴弦细粒分级筛【1 0 3 1 1 1 4 1 琴弦细粒分级筛是八十年代中国矿业大学研制的一种高效原煤分级筛。该机 采用单轴块偏心激振，第二层筛网由细钢丝编制的琴弦式结构使筛丝自筛箱中作 二次振动，使粘附在筛丝上的煤炭得以挣脱，保持筛面开孔状态，适用于高水分 细粒级含量多的煤炭。 缺点是筛网的强度不够，大于6 m m 级的扁块容易挤宽条缝而透筛，使筛分效 率降低，而且由于钢丝较细，物料的冲击作用会大大降低筛网的使用寿命，所以 选用上受到一定的限制。 近几十年来还相继出现了强化筛、梯流筛、低频振动筛、高幅圆振动筛、大 型抛射筛、高效煤用分级筛、大型弧线振动筛等大型化设备，基本解决了细粒物 料筛分的问题，它们正在工业生产中发挥着重要作用。 1 6 问题的提出1 s 】 尽管国内外筛分潮湿煤炭的筛机种类繁多，但还不十分令人满意，主要存在 的问题有以下几点： 筛分效率低，在进行潮湿原煤深度筛分时，常常出现粘连筛丝、固化，严重 时堵塞筛网，不能进行筛分 一1 3 一 安徽理工大学硕士论文 为了提高筛分效率而增大筛面韵开孔率，致使筛面抗冲击和抗磨损能力低， 使用寿命短，筛面更换频繁 设备的大型化导致生产场地的扩大和筛分机的制造工艺上有更高要求。 因此，迸一步开发和研究潮湿原煤深度筛分理论及设备日趋迫切。目前，作 为一种新型的适用于潮湿细粒煤炭筛分的有效设备，弛张筛在发展洁净煤技术中 起着重要作用，但现在有关弛张筛的理论和其工作机理还不十分明朗。还需进一 步研究。弛张筛筛面具有特殊的筛面动力学，对其动力学参数的研究不仅可以反 映筛面的运动情况，而且对弛张筛的设计与制造起着指导作用。 1 7 本课题的主要内容 本论文研究的主要内容包括以下几个方面： 建立弛张筛筛面的动力学模型，研究空载条件下，筛面在振动过中的受力情况， 通过m a l l a b 绘出各变量参数的曲线和曲面，推导橡胶筛面拉伸量对弛张筛动力学 参数的影响 通过基于简化的几何模型，研究曲轴参数对弛张筛动力学参数的影响，作出 特性曲线和曲面反映曲轴与弛张筛动力学的关系。 横梁间距与曲轴偏心距存在相互依存的关系，探讨了横粱间距对弛张筛动力 学参数的影响。 1 8 本章小结 本章介绍了筛分的基本概念和筛分过程以及影响筛分的因素，并从我国目前 和未来的国情出发分析了发展原煤干法深度筛分的必然性，简要介绍了国内外具 有代表性的几类干法筛分机，指出对弛张筛理论研究的必要性，最后提出本课题 研究的主要内容。 1 4 2 弛张筛基本工作原理 2 1 弛张筛简介 2 弛张筛基本工作原理 弛张筛最早是在上世纪五十年代在德国出现的，适用于粘度较大，含水为7 一1 4 的难筛物料进行1 - - 1 3m m 粒度的分级，尤其对中细粒级原煤的深度筛分效 果更佳。现在工业生产中所使用是第三代弛张筛，主要有德国的l i w e u 型，前苏 联的r3n 且型弛张筛，我国鞍山矿山机械厂研制的c z s 系列型弛张筛以及奥地 利的b i v i t e c - - c r l 型弛张筛【1 9 1 2 0 1 。 ， l i w e l l 型弛张筛由内外两个独立的筛框构成，通过偏心相差1 9 0 度的曲轴连 杆带动实现相向或向背的直线运动。当入料粒度在8 0 叼m m 之间，外在水分在 7 鼍一8 ，分级粒度为6 r a m ，单位处理能力为3 0 t h m 2 ，筛分效率达到9 0 2 0 。 图4l i w e l l 型弛张筛 f i g 4f l i p - f l o ws a no f l i w e l lt y p e 1 5 安徽理工大学硕士论文 激振力作用下，相对于筛箱进行纵向摆动，带动筛面做周期弹性弛张变形运动。 其在结构上于l i w e l l 型弛张筛不同之处在于它只有一个筛板横梁可以移动，其余 与l i w e l l 型弛张筛类似1 2 ” c z s 系列型弛张筛是我国鞍山矿山机械厂研制的弛张筛( 参见图4 ) ，其结构、 原理与l i w e l l 型弛张筛类似。该筛机配备数片弛张式弹性筛网，筛网在交叉布局 的内外横梁往复靠近、分离的推拉作用下，网面产生向下松弛、向上张紧的蹦床 式运动。物料在筛网振幅及筛网伸长蹦弹作用下，连续进行接触网面，弹起松散。 落下透筛完成分选作业。筛网最大振幅4 0 - 5 0 m m ，抛射加速度3 0 - 5 0 9 ，物料弹跳 幅值是常规数l o 倍，可彻底松散各种难筛物料，筛网表面无颗粒粘附、筛机干式 筛分透筛率高、筛分效率高、生产能力大。弹性筛网傲弛张运动、筛网拉伸0 - 5 m m ， 两孔宽度产生微量增大( 筛网呼吸) ，可实现完全不阻塞网孔。其主要有三种型号： c z s l 5 4 0 ，c z s 2 0 5 5 ，c z s 2 0 8 8 1 1 9 1 。 b i v i t e c - - c r l 型弛张筛是奥地利于1 9 8 9 年研制的改良型两自由度弛张筛， 其主要特点是筛面一方面做弛张运动，另方面所在的机架整体在偏心块的惯性 力作用下做圆运动l l i 1 外筛框2 内筛框3 支架4 连杆5 曲轴6 电机7 底座 图5 弛张筛简图 振动筛的筛分效果可由抛掷指数置矿体现振动筛运动强度不同，筛分效率 1 6 2 弛张筛基本工作原理 振动筛的筛分效果可由抛掷指数k v 体现。振动筛运动强度不同，筛分效率 也有差别，增大g v 值可以提高筛分效率。所以，国内外为了解决潮湿细粒粘性 物料的透筛问题，一是选取合适的振幅与振动频率来提高抛掷指数值，二是采用 特殊结构来提高抛掷指数值，弛张筛突破传统的设计思路，大大提高了抛掷指数 值，提高了筛分机对物料的适应能力1 1 9 1 1 2 2 1 。 图6 弛张筛筛面和横粱结构 f i g 6s u u c t u r eo f f l i p - f l o wf , c r e e nd e c ka n db e a m 弛张筛一个显著特点是它打破了筛分机械刚性筛面不做相对运动的传统结构 模式，它采用了两个筛箱，筛板上相邻的横梁分别与两个筛箱相连，由导杆带动 两个筛箱做相向或向背运动，带动筛板做一张一弛横向挠曲运动，从而使筛扳上 的物料做前进弹跳运动，抛射加速度高达3 0 9 一_ 5 0 9 t 嘲，而且由于筛面弹性挠曲运 动对颗粒有揉搓运动，能将粘附在大颗粒上的细小颗粒揉搓下来，同时在筛分过 程中弹性筛面的筛孔始终以激振力的周期为周期进行着大小弯曲等复杂变化，使 得粘附在筛面上的颗粒得以脱离，从而促使物料分层与透筛，弛张筛由此得名。 图6 是两种极限位置时的筛面弛张运动情况示意图。图的上半部分表示具有横梁 l 和3 的筛箱i 处于“右死点”位置，而具有横梁2 和4 的筛箱处于“左死点” 位置当横梁偶l 和2 以及横梁偶3 和4 的间距为最小时，其间的筛面呈松弛下 垂状态；而当横梁偶l 和2 以及横梁偶3 和4 的间距为最大时，其间的筛面呈张 紧并拉伸状态。图的下半部分所示的与上述情况恰恰相反，筛箱i 处于。左死点”， 而筛箱则处于。右死点”。随着筛箱i 和筛箱的周