（机械设计及理论专业论文）双频合成振动筛分方法的探讨.pdf

摘要 振动筛是一种广泛应用于筑路、煤炭、冶金、石油、粮食等行业的筛分机械。大多 采用带有偏心质量的激振轴回转产生的离心惯性力带动振动筛做周期性的强迫振动。就 双轴振动筛而言，按激振轴的工作频率分可将双轴振动筛分为单频振动筛和双频振动 筛。双频振动筛是在两个强迫激振频率下工作的振动筛，此激振方式能够使筛分物料在 整个筛面上得到充分的跳跃，所以能够提高筛分效率。通过对双频合成振动筛分方式的 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重要的现实意义。 本文以双频振动筛为研究对象，开展了以下几方面的研究工作。 l 、以安装、拆卸零部件及调整参数方便，以便能够获取最佳筛分效率的参数配合 为主要目标，设计了双频合成振动筛分试验样机。通过正交试验对低频频率、频率比、 低频振幅、振幅比和两频率相位差等参数对不同粒径物料进行筛分试验研究，获得了主 要参数的匹配关系。 2 、在参数优选基础上，进行不同激振方式的对比试验和上下层筛面不同倾角的排 料速度试验，进一步了解了双频激振方式的优劣和筛面倾角的选择范围，并得到了比较 理想的结果。 3 、建立了三自由度系统的动力学模型。根据求解结果，以p r o e 和m a t l a b 软件为 平台，对机体选取不同动力学参数时的运动轨迹进行仿真分析。得出了在筛体水平方向 上不同位置的运动轨迹。在低、高频频率比为l ：l 时，振动机体质心的运动轨迹为椭圆， 这和已成熟的双轴平动椭圆振动筛理论相符。 关键词：双频合成振动，振动筛，筛分方法，动力学模型，运动轨迹 a b s t r a c t v i b r a t i o ns c r e e ni sas o r to fs i e v i n gm a c h i n ew h i c hi sw i d e l ya p p l i e dt or o a d b u i l d i n g ， c o a l ，m e t a l l u r g y ，p e t r o l e u m ，g r a i n ，e t c m o s to ft h e i rv i b r a t i o n sa r ep e r i o d i c a la n df o r c e db y t h ec e n t r i f u g a li n e r t i af o r c ep r o d u c e db yt h er o t a t i n ge x c i t a t i o ns h a f t 、析t 1 1t h ee c c e n t r i cb l o c k s of a ra st h et w i n - s h a f tv i b r a t i o ns c r e e ni sc o n c e r n e d a c c o r d i n gt oo p e r a t i n gf r e q u e n c yo ft h e e x c i t i n gs h a f t ，t w i n s h a f tv i b r a t i o ns c r e e ni sc l a s s i f i e da ss i n g l ef r e q u e n c yv i b r a t i o ns c r e e n a n dm u l t i f r e q u e n c yv i b r a t i o ns c r e e n t h ed o u b l e - f r e q u e n c yv i b r a t i o ns c r e e nw o r k sw i t ht w o f o r c ee x c i t a t i o nf r e q u e n c y t h i se x c i t i n gm o d ec a ne n a b l et h es c r e e n i n gm a t e r i a lt oo b t a i nt h e f u l lc a p e ro nt h ee n t i r es c r e e n i n gs u r f a c e s oi tc a ne n h a n c et h es c r e e n i n ge f f i c i e n c y t h r o u g h s t u d y i n go nt h ed o u b l e f r e q u e n c yc o m p o s e dv i b r a t i o ns i e v em e t h o d ，t h i sd i s s e r t a t i o nb e l i e v e t h a ti th a st h ev i t a lp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fs c r e e n i n gd e v i c e ， o b t a i nt h eh i 曲g r a d es c r e e n i n gp r o d u c ta n dd e s i g nr e d u n d a n tr e l i a b i l i t y ，m a r k e tc o m p e t i t i v e p o w e rp r o d u c t w i t ht h ed o u b l e f r e q u e n c yv i b r a t i o ns c r e e na st h eo b j e c to fs t u d y ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a s f i n i s h e dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k 1 、t a k i n gi n s t a l l i n g ，d i s a s s e m b l i n gc o n v e n i e n t l yp a r t sa n da d j u s t i n gp a r a m e t e r s ，i no r d e r t og a i np a r a m e t e ro ft h eb e s ts c r e e n i n ge f f i c i e n c ya st h ee s s e n t i a lt a r g e t ，t h ed o u b l e f r e q u e n c y c o m p o s e dv i b r a t i o ns c r e e n i n ge x p e r i m e n tp r o t o t y p eh a s b e e nm a d e ，a n dt h ep a r a m e t e r s ，s u c h a sl o w - f r e q u e n c y ，r a t eo ff r e q u e n c y ，l o w - a m p l i t u d e ，r a t eo fa m p l i t u d ea n dp h a s ed i f f e r e n c eo f t w of r e q u e n c i e se t c w e r eo p t i m i z e db yo r t h o g o n a lt e s ta g a i n s td i f f e r e n ts i z em a t e r i a l a n dt h e m a j o rs t r u c t u a lp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d 2 、b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o no fp a r a m e t e r sp a r a m e t e r s ，t h ec o n t r a s tt e s tu s i n gd i f f e r e n t e x c i t i n ga n dt h ed i s c h a r g es p e e dt e s ta g a i n s td i f f e r e n td i p a n g l ea r ef i n i s h e d ，a n df u r t h e rh a s b e e nu n d e r s t o o da b o u tt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h ed o u b l e f r e q u e n c ye x c i t a t i o n m o d ea n dt h ec h o i c es c o p eo ft 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 e s o m eg o o dr e s u l t sa r e o b t a i n e d 3 、t h ed y n a m i cm o d e lw i t ht h r e ed e g r e e so ff r e e d o mi sm a d ea n dt h em o d e li ss o l v e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ，a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fm o v i n gl o c u sf o rd i f f e r e n td y n a m i c s p a r a m e t e r sa r es i m u l a t e d m o v i n gl o c u s e so ft h eh o r i z o n t a la n dd i r e c t i o na r eo b t a i n e d t h e r e s u l ts h o w st h a tw h e nt h er a t eo ff r e q u e n c yi s1 ：1 ，t h em o v i n gl o c u so fv i b r a t i o no r g a n i s m c e n t e ri sa l le l l i p s e t h i sp r a c t i c ei sc o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r yo ft w i n - s h a f tb a l a n c e de l l i p t i c a l v i b r a t i o ns c r e e n k e yw o r d s ：d o u b l e f r e q u e n c yc o m p o s e dv i b r a t i o n ；v i b r a t i o ns c r e e n ；s i e v i n gm e t h o d ； d y n a m i cm o d e l ；m o v i n gl o c u s 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，均己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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：京彳z 晋 。7 年月乡日 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：京；许 导师签名： 吵年月 日 场钞叫p 7 年“月“日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 筛分技术的发展从固定筛到振动筛至今已有三百多年历史，在这三百多年中筛分技 术的发展大体上分为四个阶段。1 、固定筛阶段：从十六世纪开始到十九世纪八十年代。 2 、慢速运动筛阶段：从十九世纪八十年代滚筒筛问世到二十世纪四十年代振动筛诞生。 3 、快速运动筛阶段：从二十世纪四十年代到七十年代，这一阶段不但出现了高速振动 筛，而且振动理论的研究取得了巨大的成就。4 、二十世纪七十年代至今自同步振动筛 的诞生、自同步理论的建立、以及振动电机的广泛应用，使得振动筛分机械的发展走向 了一个更广阔的阶段。 1 1 双轴振动筛 双轴振动筛是采用两根带有偏心质量的激振轴作同向或反向旋转来实现振动筛的 振动运动。按照振动筛所能实现的振动运动形式( 或筛箱运动轨迹) 、激振轴的同步方式、 激振轴的工作频率，可将其进行如下分类。 1 1 1 按振动运动形式分类 按振动筛的振动运动形式分，双轴振动筛可分为双轴普通椭圆振动筛、双轴圆振动 筛、双轴直线振动筛、双轴平动椭圆振动筛、双轴特殊轨迹振动筛等。 ( 1 ) 双轴普通椭圆振动筛。当两激振轴等速同向旋转时，无论两激振轴的偏心质量 的质径积是否相等，若两偏心轴间的旋转相位差角为零，二者产生的离心惯性力的合力 矢端的轨迹均为一圆，该圆的圆心就是力心。若力心与参振质量的质心不重合时，就实 现普通椭圆振动【1 捌。与单轴普通椭圆振动筛相比，双轴普通椭圆振动筛的激振力更大， 但仍不能克服单轴普通椭圆振动筛的缺点。 ( 2 ) 双轴圆振动筛。当两激振轴等速同向旋转时，若激振力的力心与参振质量的质 心重合，振动筛就实现圆振动运动【l 捌。与单轴圆振动筛相比，双轴圆振动筛的激振力更 大。 图1 1双轴直线振动筛图1 2 变直线振动筛 第一章绪论 ( 3 ) 双轴直线振动筛。当两激振轴偏心质量质径积相等且等速反向旋转时，两激振 轴产生的离心惯性力在某一方向上的分力完全抵消，二者的合力始终垂直于该方向，并 且合力的大小呈正弦规律变化，振动筛实现直线振动运动【3 舢l 。当合力的方向通过振动 筛的质心时，振动筛的运动轨迹就实现了平动的直线运动，这就是通常我们所说的直线 振动筛【6 7 ，8 ，9 ，1 0 , 1 1 , 1 2 】，如图l ，l 所示。当合力的作用方向不通过振动筛质心时，筛箱上各 点的运动轨迹虽然还是直线，但各点的直线运动轨迹的倾斜方向不一样，振幅也不一样， 我们把这种直线运动轨迹称为变直线运动轨迹，具有这种运动轨迹的振动筛称为变直线 振动筛f 1 3 , 1 4 , 1 5 ，如图1 2 所示。实际上，振动筛在设计制造中由于存在设计和制造偏差， 以及工作中参振质量总质心的不断变化，激振力难以真正通过参振质量的质心，因此严 格意义上说，直线振动筛均是变直线振动筛。 直线振动筛的主要特点：直线振动的加速度平衡作用于筛箱，筛网受力均匀，其寿命 明显优于圆运动或椭圆运动振动筛。但是由于直线筛振动方向不变，作用在卡入筛网孔 里的颗粒上的加速度矢量不变( h p 沿着振动方向) ，使得卡入的颗粒不易脱落，而出现“筛 堵”现象1 3 1 。由于筛堵现象的产生，使得筛网的有效过流面积减小，造成振动筛处理量 下降，而且当筛网目数增大时，筛堵现象会更严重。 力力乡力多多 图1 3 双轴平动椭圆振动筛图1 4 变椭圆振动筛 ( 4 ) 双轴平动椭圆振动筛。当两激振轴作等速反向旋转，但两轴偏心质量的质径积 不相等，二者产生的离心惯性力方向在某位置时刚好相反，在与该位置垂直的方向上二 者的方向刚好相同，二者的合力的通过一定点，合力的矢端轨迹为一椭圆，椭圆的长轴 方向就是两离心惯性力方向相同的方向，短轴的方向就是两离心惯性力方向相反的方 向，椭圆的中心就是该定点，这个椭圆叫做力椭圆，这个定点就称为力心。根据力心理 论【3 , 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 】，当力心( 即力椭圆的中心) 与振动筛的质心重合时，振动筛就可实现平动椭 圆运动，这种振动筛就是所谓的双轴平动椭圆振动筛如图1 3 所示。这种振动筛筛箱上 任意位置的运动轨迹均为相同的椭圆，它既有圆运动轨迹振动筛的优点，液相易于透筛， 又有直线运动振动筛的优点，固相输送速度快，同时还有圆筛和直线筛所不具有的优点， 2 长安大学硕士学位论文 固相不易卡在筛网网眼中，不易出现“筛堵和“筛糊”现象。 ( 5 ) 双轴特殊运动轨迹振动筛。文献 2 0 】介绍了一种可以实现新型运动轨迹的振动 筛。文献【2 1 】介绍了一种可以实现筛箱上特征点复杂运动轨迹的振动筛。文献【1 3 】介绍 了一种可以实现如图1 4 所示的变椭圆运动轨迹的振动筛。这些特殊振动运动轨迹有利 于提高振动筛的筛分效率，是近年来振动筛研究的一个新的方向。 1 - 1 2 按激振轴的同步方式分类 ( 1 ) 强迫同步双轴振动筛。为使双轴振动筛的两激振轴等速同步同向或等速同步反 向转动，二者间可以采用齿轮、同步带或v 带等机械传动方式来实现，整个振动筛只需 一台普通防爆电机或防爆激振电机，这种振动筛称为强迫同步振动筛。当采用齿轮传动 实现强迫同步时，为了避免激振轴承受轴向载荷和便于安装调整，一般采用直齿轮传动。 由于直齿轮沿整个齿宽方向轮齿突然进入啮合和突然脱离啮合的特点，齿轮工作过程中 要产生很大的噪音，达到了9 0 d b 以上。另外，齿轮传动需要良好润滑，齿轮传动的润 滑方式与齿轮的圆周速度密切相关，一般采用油池润滑时，齿轮的圆周速度应不超过 1 2 m s ，否则润滑油温升过高，会导致润滑不良，造成齿轮的早期失效。因此采用油池 润滑时两激振轴间的中心距不能太大，以避免齿轮分度圆直径过大而使齿轮的圆周速度 超过1 2 m s 。为了避免齿轮强迫同步的这些缺点，提出了同步带或v 带进行强迫同步。 由于同步带和v 带本身具有较好的弹性，能够缓和冲击吸收振动，因此可使振动筛工作 噪音大大下降，也避免了润滑。但是在双轴直线振动筛和双轴平动椭圆振动筛中，采用 同步或v 带强迫同步时，要使两轴反向转动，使传动变得较为复杂，且带传动的工作寿 命较短，更换同步带和v 带时不方便。 ( 2 ) 自同步双轴振动筛。振动筛可采用两台普通防爆电机分别驱动两激振轴或直接 将两台带有偏心质量的激振电机直接安装在筛框上。两激振轴间的同步运转依靠振动过 程中作用在激振轴上的振动惯性力矩等来实现，这就是所谓的自同步【2 2 1 。自同步双轴振 动筛由于没有两激振轴间的机械传动，因此结构简单、噪音小，维护保养简便，制造安 装难度小。按两激振轴的安装方式，自同步双轴振动筛有两种结构，其一，两激振轴平 行且垂直于筛箱侧板横跨安装在两侧板上。这种安装方式，筛框受力情况比较理想，在 大激振力时多选用这种结构。其二，两激振轴平行或呈一定夹角地安装在筛箱的两侧板 上，这种安装方式激振轴产生的激振力使筛框受到复杂应力，受力状况远比第一种安装 方式恶劣。因此这种振动筛结构多用于激振力较小的小型振动筛。双轴自同步振动筛最 大的缺点就是在稳定运转过程中，每个电机所承担的负荷很小，均处于一种“大马拉小 3 第一章绪论 车”的工作状况，造成较大的能耗。 1 1 3 按激振轴的工作频率分类 按照两激振轴的工作频率是否相同，可将双轴振动筛分为单频振动筛和复频振动 筛。 ( 1 ) 单频振动筛。工作中两激振轴的旋转角速度是相同的，振动筛只受一个强迫激 振频率的作用，这种振动筛就叫单频振动筛。前面所介绍的振动筛都是只有一个强迫激 振频率，所以都是单频振动筛。 ( 2 ) 双频振动筛f 2 3 2 4 。一种在两个强迫激振频率下工作的振动筛。两激振轴的旋转 角速度不相同，可由两台转速不一样的电机驱动，或有一台电机驱动，通过齿轮传动等 机械传动使两轴间以不同的角速度转动。在两个强迫激振频率下工作的振动筛可以大大 提高筛分效率。 1 2 筛分理论的研究现状 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 ，1 物料在筛面上运动的基本理论 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于确定筛分机械合理的运动学 参数，从而获得较好的筛分工艺指标至关重要。对此，人们已经进行了许多研究，其中 较有代表性的理论为：单个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【2 5 1 。 单个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【2 6 1 。单颗粒跳动理论在分析颗粒的运动时忽略了相互间的摩擦和碰撞等 重要的因素，从而导致了理论分析与试验结果差异很大，需要根据实际情况对理论分析 所得结论加以修正，但它的数学分析过程较为精确，力学概念也较明晰，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。 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 4 长安大学硕士学位论文 求解分析，主要有厚料层模型和薄料层模型。在分析中将筛分过程分为料群的静止、松 散、分层和透筛四个阶段，认为物料的碰撞是一种弹塑性冲击动量的传递过程，进而导 出各层物料在料层碰撞中的速度、冲击特性值、筛面传给颗粒的力等运动学参数【4 】。料 群碰撞理论考虑了物料颗粒间的相互影响因素，力学模型考虑更加全面、客观。 1 2 2 物料在筛面透筛概率的理论 粒状物料的筛分过程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。 早在本世纪4 0 年代，g a u d i n 在其选矿原理一书中就提出了单颗粒透筛概率理 论，同期t a r g g a r t 也在其选矿手册一书中提出了单颗粒的概率筛分理论【2 7 】，奠定了 物料透筛概率理论的基础。 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【2 8 1 ，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( 或称m o g e n s e n 筛分法) ，并研究了物料透过多层筛面的过程，推导出了透过n 层筛 面的颗粒量的公式，为以后研制概率筛奠定了理论基础。 闻邦椿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，并交换能量。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【2 9 1 。 1 2 3 新型筛分方法的研究 振动筛物料的筛分过程可以分为静止、松散、分层和透筛四个阶段。物料的静止状 态很短暂，目的是获取和积蓄能量，准备下一个抛射运动。由于筛面的振动，整个粒群 处于不断地被抛起，当物料被抛起之后，颗粒之间松散并相互脱开，为不同粒度的颗粒 相互间更换位置创造了条件。所谓的更换位置，是指细颗粒穿过料层中粗颗粒之间间隙， 移至料层下部，粗颗粒逐渐受到排挤，向料层上部转移，转移的结果就是分层【3 j 。最终 使小于筛孔的易筛颗粒透过筛孔称为筛下物。传统的筛分方法，由于只有一个筛面倾角， 物料在入料端不能迅速均匀散开，导致料层增厚，影响分层速度和小颗粒物料快速透筛。 5 第一章绪论 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 ) 等厚筛分法与等厚筛分机【2 7 舯, 3 1 , 3 2 1 。关于等厚筛分原理的论述，有两种说法： 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；另一种则是等厚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，对完成分层过程的料群， 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。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2 段或3 段。各段筛面的倾角，一种为3 0 。和1 5 。，另一种为3 0 。、 2 0 。和l o 。左右。在第1 段选择大倾角目的是为了获得较大的物料运动速度，快速形成 薄料层。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净化。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，筛面基本无堵孔现象。 ( 2 ) 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m o g e n s e n 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 - - 一5 层筛 网，筛网倾角从上到下逐渐增大，而筛网条形孔则从上到下逐渐变小。根据物料透筛的 统计概率原理，采用多层大倾角和条形大网孔，可以使物料迅速分层透筛，实现快速筛 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【3 3 ，3 射。 ( 3 ) 弛张筛分机和弹跳筛分机。用一般筛分机来筛分粘、湿物料，很难获得满意 的筛分效果。因此，德国海因来曼公司于上世纪7 0 年代就研制弛张筛。这种筛子的筛 面振幅最大为4 0 m m ，抛射加速度达3 0 - 5 0 9 ，它由内外2 个筛框和可放松和张紧的非 金属筛面组成，由曲柄连杆机构传动，实现筛面的弛张运动【3 5 ，3 6 1 。这种筛分机用于化肥 6 长安大学硕士学位论文 工业、垃圾处理、细粒煤筛分等作业，非常有效。 1 3 筛分机械发展趋势 综合国内外筛分机械发展现状，筛分机械将向以下几个方向发展【3 7 3 8 3 9 删。 ( 1 ) 向大型化发展。工业的现代化进程促使企业规模增大，生产能力大大提高。筛分 机大型化是提高处理量的方法之一，可以减少筛机的数量、设备费用和设备管理费用， 可以减少厂房面积，减少初期基建投资。近十年来，许多国家都在设计大型筛子，其中 以西德最为突出。早在1 9 7 6 年西德已能制造单机处理量为1 0 0 0 t h 的预先筛分振动机， 德国k h d 公司生产的u s k 筛机已达4 5 0 0 m m x 6 0 0 0 m m ，筛面达2 7 m 2 ，德国的另一筛子 技术公司生产的5 5 0 0 m m x l l o o o m m 的筛机，面积达6 0 5m 2 ，日本川崎重工研制出了面积 为3 8m 2 的直线振动筛。设备大型化需要解决两个问题：一是筛分机的结构强度；二是 机械制造方面的困难。对振动筛来说，筛宽增加1 倍，管梁的应变要增加1 6 倍，所以 梁的直径会迅速增大，对地基的动负荷也成倍增加。因此，对大型筛分设备来说，使筛 箱、机架、激振器不参与振动，仅筛网参与振动是一个很好的解决办法。如已进行工业 试验的大型抛射筛、大型弧线振动筛均采用了筛面振动而筛箱不参与振动的工作方式， 整机在低应力状态下工作取得了较好的筛分分级效果。 ( 2 ) 向理想运动轨迹振动筛发展。以提高各区段的筛分效率和整个筛机生产率为 目标，寻找一种以理想运动方式为基础的新型筛分机成为筛分设备发展的一个新方向。较 为理想的筛面运动方式是：在垂直方向上，入料端的振幅大于出料端的振幅，沿长度方 向上，从入料端到出料端，物料运动速度递减。在此理想情况下，可以创造良好的透筛环 境。该理想筛机的筛分效果要优于一般的筛分机械。 ( 3 ) 向标准化、系列化、通用化发展。这是便于设计、生产和降低成本的有效途 径，另外，标准化有利于采用模块组合设计方法，将一台机器分成不同的模块，提高新 产品开发速度，满足一机多用的需要。 ( 4 ) 优化参数设计，采用先进技术，进一步提高筛分效率。如在七十年代采用双电 机自同步技术以代替齿轮强迫同步，可简化结构，降低噪音，从而简化了机器润滑、维护和 检修等经常性的工作，减少设备故障。目前，国内外的筛分设备均倾向于采用较高的频率， 振幅的选择也比以前略有提高，以取得较大的速度和加速度，从而提高生产能力和筛分效 率。如日本和德国的筛机所采用的振次为9 8 0 r m i n ，振动强度为4 5 7 9 ，圆振动筛的 倾角达2 5 - 3 0 0 。美国的直线振动筛，频率8 0 0 r m i n 时，双振幅要求达1 6 m m 。由于振幅 提高，大大强化了筛分过程，有效地提高了筛分机的性能，但是，筛分过程的强化，往往 7 第一章绪论 会影响筛分机的使用寿命。 ( 5 ) 体现环保要求，降低运行噪声。各国的筛分机噪声级差别不大，我国的筛分机 噪声级一般在8 0 , - - , 1 1 0 d b ，新的筛分机噪声一般在9 0 d b 左右，德国振动筛的噪声在 9 0 d b ，日本的筛机噪声9 4 d b ，美国一般控制在8 4 - , 9 4 d b 之间。 1 4 课题的提出及意义 1 4 1 课题的提出 随着我国工业的迅速发展，振动筛分设备在各类工程中得到广泛应用，对整个国民 经济的发展起着至关重要的作用。因此，针对振动筛分机械进行的研究具有重要的现实 意义。从目前国内外的研究动向看，一方面致力于现存筛分机的运动分析的结构调整； 另一方面瞄准新颖的设计目标，探求合理的结构型式，动力配置和动力学参数，以便进 一步推进筛分机的应用。考虑到筛分机械的这种发展趋势，本课题的研究选择对双频合 成振动筛分机的运动学和动力学参数进行理论分析，并设计样机进行试验研究。 众所周知，各种物料都有一定的固有频率，在一定的单位面积处理能力下要想获得 较大的筛分效率，取决于激振频带的宽窄。在常规筛分中，用单一频率振动筛板，不同 的颗粒受到的振动作用相同，筛分的质量和效率受到限制。如果能够采用多频的振动筛 分方式，在工作时，就能将多种振动波传递给筛面。此时筛面上的物料颗粒受到不同振 幅和不同频率的力作用，使物料的透筛率提高，最终达至提高筛分效率的目的，同时筛 网堵塞程度也会降低。 1 4 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。通过对双频合成振动筛分方 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重要的现实意义。 8 长安大学硕士学位论文 第二章筛分效率的分析 筛分效率是筛分过程中重要的质量指标，它描述了筛分的完全程度及其产物的质 量。物料筛分时，可以获得筛上和筛下两种产品( 对单层筛而言) 。实际上，在筛上产品 中常常还含有可以被筛下的细级颗粒。因此，实际筛下的细粒级物料的质量应该小于原 始给料中细粒级物料的质量。这个小于1 的比值就称为筛分效率： r = m b 1 0 0 ( 2 1 ) 刀弘 式中：砌实际透过筛孔的筛下物质量； 7 抛原始给料中细粒级物料( 一般指小于筛孔尺寸的物料) 的质量。 筛分效率决定与下列许多因素：物料的水分含量、“难筛颗粒 的多少、物料颗粒 的形状、筛孔形状与筛面有效面积、筛机的运动学参数、料层的厚度和筛面的长度和宽 度等等 2 1 物料筛分过程的概率理论 物料在振动筛上的筛分过程是以概率论的原理为基础的。熟悉和掌握物料透筛概率 原理，对于选取合理的机器结构和工作参数，以及提高筛分过程的质量具有重要的现实 意义【5 2 6 , 4 1 】。 2 1 1 物料颗粒每次跳动的透筛概率 物料颗粒在筛面上实现筛分，必须使物料对筛面作相对运动，以利于细粒物料透过 筛孔。在振动筛中，物料通常对筛面作连续地跳动。 在每次跳动过程中，将有部分细粒物料透过筛孔。每 次跳动透过筛孔物料的百分率，称为某一级别物料的 透筛概率。 如图2 1 所示，若物料颗粒从垂直方向落到筛孔为 a 筛丝直径为万的筛面上时，通常是当颗粒不与筛丝 相碰才能透过筛孔，还可能有一小部分物料与筛丝内 侧相碰后折射入筛孔中。因此，颗粒尺寸为d 的物料， 每次跳动的透筛概率等于可以透过筛孔的面积 n ( a - d + 渺) 2 和筛面总面积刀( 口+ 万) 2 之比，即颗 9 加口 口囱臼 口 口 口 一厢 图2 1 物料从垂直方向落到 筛面上的透筛概率 第二章筛分效牢的分析 粒为d 的物料，每次跳动的透筛概率，等于可以透过筛孔的面积和筛面总面积之比，即 巾= 9 卅) 2 _ _ 笥 力( 口+ 万) 2 ) 2 式中：n 筛面上筛孔的数目； a 筛孔尺寸( m m ) ； d 物料颗粒尺寸( m m ) ； 万筛丝直径( 1 i l 】 1 1 ) ； 沙考虑物料与筛丝内侧碰撞后仍聊队 能落入筛孔的系数，沙小于1 。 但在普通振动筛中，物料的下落方向往往不 是垂直于筛面，而是沿某一倾斜角落于筛面上。 如图2 ，2 所示，设物料下落运动的方向线与 垂直线的夹角为，筛面倾角为口o 将可以透过筛 孔的面积和筛面总面积投影到平面a 上，则相对 粒度为d a 的物料颗粒的透筛概率为； ( 2 2 ) 图2 2 物料从倾斜方向落到 筛面上的透筛概率 & 。= 坐二兰! 丝丞! 鱼鎏竺坐! 生2 二兰二兰幽 n ( a + 万) 2c o s ( 口。+ ) 2 1 2 物料透筛概率动力学理论 ) 2 c o s ( ) ( 2 3 ) d 设物料中小于筛孔的物料量为q 。，其中x 表示各级别物料的平均尺寸，d 表 示应该筛下物料的最大尺寸，q o 表示x 级别物料含量的百分比。设尺寸为x 的物料在 单位时间内的透筛概率为c ( x ) ，物料在筛面上所经历的时间为t 。列x 级别物料在缸时 一 长安大学硕士学位论文 二| _ 二= = = 二一一 间内的透筛物料量q 为： q = ( q 。一q ) c ( x ) f ( 2 4 ) 对式2 4 积分可得： f - q 皇。垒- q 一= p ( x ) 衍一h 1 i q 。一q l + c = c ( z ) f ( 2 5 ) 解式2 5 可得： q = q 。( 1 一p 吖“p ) ( 2 6 ) 由以上分析可以得出，物料在筛面上经过时间f 通过筛孔的物料量q 和留在筛面上 的物料量只分别为： q = q 。( 1 一p ”功)只= q 。一q = 2 。e 叫枷 ( 2 7 ) 因此，x 级别物料的筛分效率为： 仇= 罴斗e _ c ( 咖 眨8 ， 最终求得所有级别物料的筛分效率为： 刁= a i x m - ；, o 喜鲁( 1 - - e - c ( x ) t ) 血= 壶i d q ( x ( 1 - - e - ( j ) t ) 出= 一p 一瓶 c 2 m 式中：e o 被筛分物料理论上可以通过筛孔的物料总量； q = 喜q 。= j c d q ( x q ( x ) 物料的各种粒度组成； & 当量透筛概率； ，z 大于i 的指数。 在某些工况下，单位时间内的出率c 0 ) 可近似等于一个常数c 。在这种情况下，式 2 9 就可以写为： r = 1 一矿d( 2 1 0 ) 2 2 筛分效率影响因素 研究振动筛筛分效率的影响因素具有重要的实际意义，有助于优化振动筛的结构参 数，改善筛分机的筛分性能。以下从物料性质、筛面结构参数和振动特性参数等三个方 第二章筛分效率的分析 面对筛分效率的影响加以阐述 5 , 2 6 , 4 2 4 3 m ，4 5 1 。 2 2 1 物料性质 被筛分物料的性质是影响筛分效果的重要因素之一，主要有物料松散密度、物料的 颗粒组成、物料含水量及含泥量、物料的颗粒形状等。 ( 1 ) 物料松散密度：一般松散密度大的物料，在筛面上的运动状态良好，分层容 易，能过比较快的通过筛孔排出。所以，对于松散密度较大的块状物料容易透筛，筛分 效率也较高；相反，对于松散密度较小的物料及粉状物料不容易透筛，筛分效率也低。 ( 2 ) 物料颗粒组成：筛分机给料中小于筛孔尺寸的细颗粒，应该在筛分时完全透 筛。实际上不可能都筛分出去，只有那些比筛孔小很多的细颗粒通过的概率高，而与筛 孔尺寸差不多的颗粒通过的概率低，粒度越接近筛孔尺寸，透筛的概率越小。这些粒级 的颗粒，称为“难筛粒 。由筛分理论和实践证明：粒度大于筛孔尺寸3 4 的颗粒为难筛 粒；相反，粒度小于筛孔尺寸3 4 的颗粒，为“易筛粒 。所以，给料中难筛粒含量越多， 筛分越困难，筛分效率越低；相反，给料中易筛粒含量越多，筛分越容易，筛分效率也 越高。 ( 3 ) 物料含水量及含泥量：给料中的水分含量低时，颗粒表面只有吸附水分和依 附水分，对筛分效率的影响不大。当水分含量增加到5 8 时，将出现楔形水分。楔 形水分使颗粒间或颗粒与筛网间产生内聚力，最终导致颗粒产生团聚，堵塞筛孔，使筛 分效率下降。当水分含量增加到1 0 - - 1 4 以上时，在颗粒间会出现空隙水分，此时颗 粒间的内聚力减小，团聚体松散成单体颗粒，其筛分效率又会增高。水分的影响还与含 泥量的高低有关，含泥量高即含粘土类矿物多，物料的粘结性大，即使水分很低，也易 使物料粘结成闭和堵塞筛孔，降低筛分效率。 ( 4 ) 物料的颗粒形状。物料的颗粒形状将影响物料的透筛率。立方体形状和球体 的物料易于透筛，筛分效率高。而片状物料则易于卡在筛孔中，而影响透筛，筛分效率低。 物料在筛分过程中的透筛概率受很多因素影响，其中最直接和重要的因素是物料粒 度与筛孔尺寸的相对大小。 由式2 2 看出，相对粒度d a 愈小，透筛概率愈高。当相对粒度d a 接近于1 时， 透筛概率趋近于零，因此通常把d a = 0 7 l 的物料称为难筛物料或临界物料。在筛 分物料中难筛物料的含量越大，透筛概率越小，筛分效率就会越低：反之筛分效率越高。 为了能够得到更高的筛分效率，应该尽量降低物料中难筛物料的含量。 1 2 1 3 第二章筛分效率的分析 要由较小物料组成，而在其后筛落的物料以较大粒径组成。 根据以上对筛分过程的分析可以看出：在物料筛分过程中，如果需要筛去尺寸小于 d 的物料( 采用普通筛分方法) ，由于应筛下物尺寸接近筛孔，单位时间内的出率小， 被筛落的速度较慢，要达到一定的分离完全度，则需花费较长的时间( 如图2 3 中的 “一一曲线) 。但如果根据情况采用比d 大些的筛孔尺寸来进行筛分，应筛去的物料 由于比值i 的减小，物料单位时间内的出率能够得到较大的增加，可以被迅速筛除( 如 图2 3 中的“一”曲线) ，使筛分效率得到较大的提高。而小于筛孔尺寸却大于j 的不要 求筛去的物料由于比值f 较大，物料单位时间内的出率很低，在较短筛分时间内被筛除 的数量有限( 如图2 3 中的“一”曲线) 。因此，只要选取合适的筛孔尺寸和筛分时 间，利用适当扩大筛孔尺寸来提高筛分效率是完全可行的，且能使物料的筛分效率得到 较大的提高。 ( 3 ) 筛孔形状。筛孔形状的选择主要取决于对筛分产物粒度和对筛下产品用途的 要求。圆形筛孔与其它形状的筛孔相比在名义尺寸相同的情况下，透过圆形筛孔的筛下 物粗度较小，例如透过圆形筛孔颗粒的最大粒度平均只有透过同样尺寸的正方形筛孔颗 粒的8 0 一8 5 。而长方形筛孔的筛面有效面积大，筛面质量轻，生产能力大，同时 透过筛孔的粒度大于透过名义尺寸相同的圆形和正方形筛孔的物料粒度。 因此，为了获得好的筛分效率，必须针对不同的筛分物料选择合适的筛孔形状。如 处理块状物料选择正方形筛孔；处理板状物料采用长方形筛孔。 2 2 3 振动筛的振动特性参数 振动特性参数包括振动频率、振幅、振动方向角和筛面倾角，这4 个参数对振动筛 产生不同的影响 4 7 , 4 8 , 4 9 舯】，他们的影响还可归纳为一个参数抛掷强度d ( 或称抛掷 指数) 。其关系式为： d = 0 2 a s i n 万o( 2 1 1 ) g c o s 口0 式中：彳振幅( 嗍) ； 彩振动的圆频率( r a d s ) ； g 重力加速度； 万o 振动方向角( 。) ； 口o 筛面倾角( 。) ； 1 4 长安大学硕士学位论文 k = c 0 2 a g 称为振动强度。 当d = 3 3 3 时，筛面每振动一次，物料将出现一次抛掷运动，此时物料与筛面接 触时间最短，物料最易透筛，这种运动状态对于减少不必要的能量消耗和提高振动筛的 筛分效率是有益的。然而这是基于单个物料颗粒跳动的基础上获得的。实际上，物料在筛 面上均以粒群的状态出现，物料颗粒之间常常产生摩擦，从而要求更大的抛掷强度。所 以在实际应用中应选取较高的抛