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论文题目：跳汰机风阀自动控制系统 摘要 存实现跳汰机单机自动化过程中，风水控制是关键，也址肿 度最人的课题。本文把y 射线用于检测床层分层状态，砹i f 了测 量眯层松散度的新方法，并应用人工神经网络控制算 ：实跳汰 机风阀的自动控制。 弋本文在y 射线检测床层分层状态的基础上，根掘松散度的榆 测原理，结合现场实际，提出了利用悬臂梁应变片式力传感器测 量松散度的新方法，并对测量信号进行硬、软件滤波，以兜互采 样时带来的测量误差。在实现控制过程巾，利用上位l 。u p 托制i f 算机完成数据的采集、处理和控制算法，其输入参数包括床层衙 度、松散度、给料速度、原煤灰分等：输出参数包括风阀的跳汰 频率、各跳汰室的跳汰参数等。控制器采用人上神经网络控制算 法实现，该控制器选用具有一个隐层的b p 网络求实现；拎制器 的输出量由j 位机传送给i j 编稃序控制器，j 编程序拧制器作为 执行机构，控制跳汰机风阀的进、排气电磁阀，完成胍阀的j 剐 洲 动作，鼓动洗水完成跳汰过程。 神经网络的训练是控制器初始化及优化的重要内容。大量的 现场数据经过分离与采制后，作为b p 网络的训练集，训练后的b p 网络即作为现场控制器使用。 现场应用表明：基于床层分层状态和松散度参数的跳汰机风 阀自动控制器，能很好地完成控制任务，实现跳汰过程的川贞利进 行、 关键词：跳汰机 松散度 y 射线 人l 神经刚络 f 床层分层状态 可编w 序拧h 器 查堕型! 叁兰! ! ! 兰些丝兰 t h e s i st i t i e ：t h ea u t o m a t i ec o n t r o ls y s t e m o fe l e c t r o m a g n e t i cv a l v e si nj i g a b s t r a c t i nt h ea u t o m a t i cp r o c e s so ft h ej i g ，t h ea i r w a t e rc o n t r o list h e k e ya n dt h em o s ti m p o r t a n tt a s k 、 t h ea u t h o ru t i l i z e st h e y r a y t od e t e c tt h es t a t eo fb e d s t r a t i f i c a t i o n ，d e s i g n san e wm e t h o do fs c a l i n gt h eb e dp o r o s i t y ，a n d a p p l y i n g t h ec o n t r o la r i t h m e t i co ft h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt o a c h i e v et h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fa i rv a l v e s a c c o r d i n g t ot h e d e t e c t i n gp r i n c i p l e o f p o r o s i t y ，t h e a u t h o r a d v a n c e sam e t h o dt h a tu t i l i z e st h ef o r c es e n s o rt om e a s u r et h e p o r o s i t y ，w h i c hi s at y p eo ft h ec a n t i l e v e r t h em e t h o dm a i n l ya u t h o r f a c i l i t a t e st h ey r a y t od e t e c tt h es t a t eo fb e d s t r a t i f i c a t i o n c o m b i n e sw i t ht h el o c a l ec i r c u m s t a n c ea n dc a r r i e so u t t h ef i l t e r i n go ft h es i g n a l sw i t ht h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ei no r d e rt o o v e r c o m et h ee r r o ri ns a m p l i n g d u r i n gt h ec o n t r o lp r o c e s s ，t h ea u t h o r u t i l i z e st h ei p c ( i n d u s t r i a lp c ) t of u l f i l lt h ec o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n ga n d c o n t r o la r i t h m e t i c t h e i n p u tp a r a m e t e r s i n c l u d et h eb e d d e n s i t y ， p o r o s i t y a n dt h er a t eo f f e e dp a r t i c l ea n dt h ea s hc o n t e n to fc o a ta n d s oo n ；t h eo u t p u tp a r a m e t e r si n c l u d et h ef r e q u e n c yo ft h ea i rv a l v e s ， t h ep a r a m e t e ro fe a c h j i g r o o ma n ds oo n t h ec o n t r o l l e risa c h i e v e d b yt h ec o n t r o la r i t h m e t i co fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k i ta p p l i e st h eb p n e t w o r kw i t hac r y p t i cl e v e lt of u l f i l lt h ec o n t r o lp r o c e s s t h eo u t p u t s o ft h ec o n t r o l l e ra r et r a n s m i t t e dt ot h e p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) b yi p c ( i n d u s t r i a lp c ) t h ep l ci st h ee x e c u t i v eu n i ta n d u s e di nc o n t r o l l i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v e so f i n h a u s ta n de x h a u s t a i ri nj i g m o r e o v e rt h es y s t e mf u l f i l l st h ep e r i o d i ca c t i o no ft h ea i r 太脓理1 人学坝t 学位论文 v a l v e st oa c t i v a t ew a t e rt oc o m p l e t et h ej i g a b o u tt h ei n i t i a l i z a t i o n a n d o p t i m i z e o ft h ec o n t r o j l e r ，t h e i m p o r t a n tp a r t i st h e t r a i n i n g o fn e u r a ln e t w o r kam u l t i t u d el o c a l e d a t ai su s e da st h et r a i n i n gs e t so ft h eb pn e t w o r ka f t e rs e p a r a t i n ga n d s a m p l i n g t h et r a i n e dn e t w o r ki s u s e da st h el o c a l ec o n t r o l l e r t h el o c a l ea p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h ea u t o m a t i cc o n t r o l l e ro ft h e j i g a i rv a l v e si sa b l et om e e tt h ed e m a n da n d f u l f t h et a s k p r e f e r a b l y k e y w o r d s ：j i g ；y r a y ；t h e s t a t eo f b e d s t r a t i f i c a t i o n ； p o r o s i t y ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ； p l c ( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ) i i i 太原趔t 人学坝十学位论史 第一章绪论 第一节跳汰选矿发展简介与跳汰分层理论 一、跳汰选矿发展简介 跳汰选矿，是指物料在垂直升降的变速水流中，按密度进行 分选的过程。跳汰时所使用的分选介质是水或空气，在个别情况 下也可能是重悬浮液。以水作分选介质的跳汰过程称为水力跳汰； 以空气作分选介质的称为风力跳汰；以重悬浮液作为分选介质的 称为重介跳汰。目前，在生产中以风力跳汰应用最多。 跳汰选矿已有4 0 0 多年的历史，最初用于选煤的跳汰机，是 一种手动的动筛式跳汰机。到1 9 世纪中叶以后，由于冶金、机械 工业的兴起，跳汰选煤才有了迅速的发展。从18 4 0 年开始，在煤 矿中应用了偏心传动的具有固定筛扳的活塞式跳汰机。18 9 2 年德 国工程师f r i t zb a u m 发明的b a u m 跳汰机标志着能连续生产并能 控制排料的现代跳汰机时代的开始。其后随着选煤技术的发展， 跳汰机的结构和性能逐渐得到改进和完善，出现了具有各种结构 的选煤用跳汰机。目前，按其用途、传动装置及排料机构的工作 原理、产品数目的不同以及其他一些互不关联的主要特征来区分， 已有9 0 种左右不同结构的跳汰机。 本课题以空气式跳汰机为研究对象。 二、跳汰分层理论 随着跳汰选矿的发展，人们很早就开始了对重力选矿中的重 要理论问题一一跳汰选煤原理进行探讨。但是由于跳汰过程的影 响因素较多，各种因素的变动较大，又复杂，以及当时科学技术 的发展及应用的限制，所以无法对它进行深入的研究。古典的跳 汰理论多是用某一种简单的概念表达分层理论，出现了各种各样 的跳汰假说。直到2 0 世纪5 0 年代以后，随着现代科学技术的发 展及应用，促进了跳汰理论的研究，如电子测量技术、快速摄影、 查堕堡三盔兰亟主堂焦堡皇 放射性同位素示踪技术及水电模拟等对跳汰过程进行测试与、i 用，所以对跳汰水流运动特性、床层松散状况、颗粒运动取得1 r 直观的认识，使得跳汰理论研究取得了新的发展。现有的跳汰理 论大致可以分为两大类。 ( 1 ) 、速度理论。速度理论是从分析每一颗粒在跳汰机中的运 动规律来研究分层过程。 古典的速度理论有四种假说： 1 ) 、颗粒按自由沉降末速分层假说 2 ) 、颗粒按干扰沉降末速分层假说 3 ) 、吸缀分层假说 4 ) 、初加速度分层假说 以上速度理论的各种假说，都以研究单个颗粒在跳汰机中的 运动规律来分析整个跳汰过程，所以每个假说认识都是不全面的， 每个假说只是在逐步接近客观实际，反映了对分层机理的认识过 程，故这些假说常被称作古典的跳汰假说。 ( 2 ) 、粒群一统计理论。 在跳汰机中，松散床层内的颗粒不停地运动，每组以确 定性质的颗粒都进入到各自的平衡层中。在运动中不同去向的颗 粒产生多次碰撞并交换动能。由于颗粒之间的碰撞和磨檫是随机 的，所以无法预计其中某个颗粒的动能变化。许多研究者提出 密度和粒度不同的颗粒在非定常流中的运动规律，只有用统计的 方法才能描述。以粒群一统计观点为基础，已提出了三种跳汰理 论模型，即悬浮模型、能量模型和概率统计模型。 上面各种跳汰理论模型，是从不同角度揭示了跳汰机中物料 分层的情况。但是，都没有给出计算工艺结果，特别是预算结果 的数学工具及其函数关系。有关跳汰理论的研究，至今还没有得 出满意的结果。今后，对跳汰理论和实践的研究，应当集中在找 到一条能把各种理论统一起来的途径。最终能比较客观地解决跳 2 查堕堡三盔堂雯兰二兰壁垒二王一 汰机的结构设计和正确选择主要工艺参数以及水动力学参数等川 题。 三、跳汰选矿方法在选煤工艺中的地位及其应用范围 跳汰选矿具有工艺系统简单、操作维修方便、处理量大、投 资少等优点。在选煤方法上，当煤的可选性适宜时，则优先被采 用。国外用跳汰选矿法处理的原煤占全部入洗原煤量的2 0 一 7 0 。如我国跳汰选煤的比例在7 0 以上，美国在5 0 以上，前 苏联在6 0 以上。对于分选o 1 5 0 m m 的不分级原煤，跳汰机也是 一种可靠的分选设备。 跳汰选矿在其他条件( 分级、分选密度和单位生产率) 相同 时，入选物料的粒度越大，各成分之间的密度差别越大，其分选 效率越高。 所以无论是从入洗物料性质上看，还是从加工数量上看，跳 汰在有用矿物精选中采用都很广泛。 跳汰的使用范围包括，有用成分的密度从1 2 0 0 至15 6 0 0 k g m 3 ， 有用成分和矸石间密度差从3 0 0 至1 3 0 0 0k g m 3 以及入料粒度从 o0 5 至2 5 0 m m 的各种矿物原料。 第二节跳汰机的分类及结构 跳汰时所使用的分选介质是水或空气，在个别情况下也可能 是重悬浮液。以水作分选介质的跳汰过程称为水力跳汰；以空气 作分选介质的称为风力跳汰；以重悬浮液作为分选介质的称为重 介跳汰。目前，在生产中以风力跳汰应用最多。 随着选矿技术的发展，跳汰选矿机械逐渐得到改进和完善， 并日趋大型化。跳汰机型号繁多，从床层脉动方法来区分，有机 械脉动和空气脉动两种。在选煤厂中机械脉动跳汰机( 如复振跳 汰机、动筛跳汰机) 用得很少，广泛使用的是空气脉动跳汰机。 空气脉动无活塞跳汰机，按其空气室的位置不同，又可分为筛侧 太原理工大学硕士学垡论文 ，i 室跳汰机和筛下空气室跳汰机两种。 、筛侧空气室跳汰机 筛侧空气室跳汰机的空气室位于机体的一侧，该跳汰机义称 为鲍姆式跳汰机。目前在我国选煤厂中，大部分采用筛侧空气审 跳汰机。按其结构与用途的不同，又可分为不分级煤用跳汰机、 块煤跳汰机和末煤跳汰机三种。 精燃萄一幽 婶簿 计 中煤 图卜l筛侧式空气室跳汰机基本结构 卜一机体2 一风阀3 一溢流堰4 自动排矸装置的浮标传感器 5 一排料轮6 一筛板7 一排矸道8 分隔板 筛侧空气室跳汰机基本结构见图卜l 所示。跳汰机主要由机 体1 、风阀2 、筛板6 和排料装置4 、5 等四部分组成。机体由纵 向隔板8 分为空气室和跳汰室，两室的下部彼此连通。空气室是 密闭的，上部设有一个特制的风阀，它可交替地把压缩空气给入 空气室，同时把室内的压缩空气排出。给入压缩空气时，跳汰机 中的水位被强制上升；当室内的压缩空气排出时，水则自动地下 降，所以推动水面上下运动形成脉动水流。改变给入的压缩空气 量可以调整跳汰机中水流的冲程；改变风阀的运动速度可以调整 水流脉动的频率。顶水从空气室下部的筛下补充水管进入，补充 水量可以调节，补充水可改变跳汰机水流运动特性，使物料在跳 汰室中进行松散、分层。跳汰机另一部分用水从机头与物料- - 起 加入。经过分层以后，第一段和第二段的重产物分别经过各段末 4 太原理工大学硕上学位论文 端的排料闸门排到机体下部并与透过筛面的小颗粒重，。物荆 会 合，一并用斗式提升机排出，轻产物自溢流 排至机外。 二、筛下空气室跳汰机 筛下空气室跳汰机的空气室位于跳汰机筛板下面，因而具有 些筛侧空气室跳汰机所不具备的特点。l t x 系列跳汰机是我国自 行设计制造的筛下空气室跳汰机。l t x 1 4 筛下空气室跳汰机的结 构见。图1 2 所示。 图1 2l t x 1 4 筛f 空气室跳汰机 l 一下机体2 一上机体3 一风水包4 一风阀5 风阀传动装置6 一筛7 一 水位灯光指示器8 一空气室9 一排料装置l o 一中煤段护板l l 一溢流堰盖板 1 2 一水管1 3 一水位接点1 4 一排料装置电动机1 5 一检查孔 l t x 一1 4 筛下空气室跳汰机除了把空气室移到筛板下面以 外，其它部分与筛侧空气室跳汰机的各部分基本相同。它的工作 原理也是压缩空气经风阀控制，交替地压入和排出筛板下面的空 气室，使其中水位交替地下降和上升，从而形成穿过筛板的脉动 水流。l t x 1 4 筛下空气室跳汰机，矸石段有两个跳汰室，中煤段 有三个跳汰室。每个跳汰室有两个空气室，每段空气室的间距彼 此相等。每个跳汰室装设一个卧式风阀，为其中两个空气室提供 叁星堡墨盔兰堡主兰焦j 垒兰二一 肚缩空气。压缩空气从字气室的 端给入，空气室的端部自j ：p 两个孔，上面的孔与风阀的进气口相接，用以进入压缩空气：卜 面的孔用以送入顶水。在机体的一侧设有风水包t 水包侧面与总 水管相接，下面则装有五个分水管，分别与空气室的进水孔相通。 分水管上接有阀门，以调节各空气室的补充水量。 第三节跳汰机控制系统的研究现状及本文的主要任务 一、跳汰机控制系统的研究现状 跳汰机是我国选煤厂的主选设备，它的生产效益指标对选煤 生产关系重大。跳汰机作业受入料、风水、排料、床层松散情况 等诸多因素共同作用，因而单靠人工操作，不但劳动强度大，而 且很难保证在线产品质量。其解决的根本途径在于实现跳汰机单 机生产过程自动化。跳汰机的自动控制技术的研究应归结为：排 料自动化、给煤自动化、风水控制自动化、产品质量在线控制自 动化等内容。实现跳汰机单机自动化包括：跳汰机自动程序起车、 给煤自动控制、缓冲仓料位监测、矸石料斗和中煤料斗过载点检 测保护及跳汰机过程控制调节两大内容。而跳汰机过程控制调节 是实现跳汰机单机自动化的前提。对跳汰机而言，实现跳汰机单 机自动化，能使跳汰机配合给煤特性，控制分选精度及处理量保 持在优化水平。而对于今后选煤厂全厂自动化而论，实现跳汰机 单机自动化更是势在必行。 近年来，国内外在有关跳汰机单机自动化方面做了许多工作， 如开滦范各庄矿选煤厂引进的巴达克跳汰机自动化程度较高，该 机采用了电控气动风阀，浮标一闸门液压排料机构和工作风调节 装置，对改善跳汰机的分选效果起到了重要作用。另外，在自动 给煤、自动排料等方面也取得了重大成就。 但是，在跳汰机的风阀控制装置中，目前大多仍采用手动调 节的开环控制方式。其风阀控制的自动化问题长期以来未能解决， 6 太原理上大学硕士学位论文 严重阻碍了跳汰机单机自动化的实现。 分析其原因，大致有以下几方面： ( 一)影响因素多压缩空气是宁气室跳汰机的工作动力 源，跳汰机用风量的大小受原煤特性、给料速度、水压、水量( 项 水和冲水量) 、风压、排料、产品质量要求等因素影响。这些因素 之间又相互影响，相互约束且没有固定的关系，而且其中的一些 参数难于实时测量和控制。对于跳汰司机来讲，在如此众多的因 素影响下，而处理的物料又是大批量、散状的、性质经常变化的， 要兼顾精煤质量和分选效果，仅凭手动操作是非常困难的。实际 情况经常是：以牺牲精煤回收率为代价换取精煤的质量。 ( 二)床层的分层状态及松散的好坏难以测量长期以 来，对于跳汰分层的状态和松散度没有理想的测量手段，其原因 是床层松散现象的实质比较复杂以及检测传感器信号的分离与采 制的困难，因此，风阀控制只能采用开环控制系统。现场工人只 能通过探杆人为感知床层分层状况，手动调节给风量的大小。这 种操作缺乏严密的科学性，即使是有经验的司机取得的一定经验， 也不便于总结和传授，更不能作为自动控制的依据。 二、本文的研究目标和主要任务 ( 一) 研究目标 本课题主要研究跳汰机风阀自动控制的工业实用方 法，应用这种方法，通过实验室和现场工业试验，达到对风阀的 自动控制，从而为实现跳汰机的单机自动化奠定基础。 ( 二) 本文的主要任务 a ) y 射线检测物体密度机理； b ) y 射线检测床层分层状态的研究； c ) 跳汰松散度检测方法的研究： d ) 跳汰机床层分层状况的采样及数据分析、处理； e ) 风阀自动控制系统硬件的研制； 太原理工大学硕士学位论文 f 1 风阀自动控制系统软件的开发与调试。 查垦堡三查兰堡主堂堡垒王一 第二章跳汰机风阀结构及操作工艺因素 第一章简单地介绍了跳汰选矿的发展过程及跳汰机的分类结 构，而对于我们所研究的风阀自动控制系统来说，风阀作为执行 部件，其结构的不同，将带来不同的工作方式、工作特性，随之 也带来精煤回收率和经济效益的巨大差别。本章就跳汰机的风阀 结构及风阀操作工艺参数进行全面的介绍，并在比较各种风阀结 构的基础上，着重介绍现在常用的电磁风阀及其操作工艺因素。 第一节跳汰机风阀的种类及结构 跳汰机的主要部件包括：机体、筛板、风阀、溢流堰、排料 装置、检测控制装置等，其中，风阀是重要的可控、常用的操作 对象，是跳汰周期的产生源。风阀周期性地使空气室与风包或与 大气相连或隔绝，从而在跳汰室造成脉动水流。风阀结构及其工 作制度，在很大程度上影响着水流在跳汰机中的振动特性，因此， 风阀是跳汰机最关键的部件。 风阀有滑动风阀、旋转风阀和电磁风阀三种。 一、滑动风阀( 即立式风阀) 滑动风阀的结构见图2 1 。它由顶端封闭的圆筒形壳体和圆 筒形的空心滑阀组成。壳体固定在跳汰机的空气室上，其上端有 进气管，并与压缩空气包联接，下端则与空气室相通。滑阀用拉 杆与偏心轮相连，偏心轮转动时，滑阀上下作往复运动。滑阀下 降时，外壳体上部的进气管打开，排气孔封闭，压缩空气经空心 滑阀进入跳汰机的空气室，在跳汰机中形成上升水流，这便是进 气期。滑阀上升时，关闭迸气孔而打开排气孔，空气室中的空气 被排放至大气中，跳汰机中产生下降水流，这就是排气期。为使 进气与排气不至于相窜，进气器与排气期间有一个短暂的间隙， 此时，进气孔己关而排气孔尚未打开，压缩空气在空气室内继续 查星堡兰查兰婴主! 二堕j 垒皇_ 一 膨胀，故称为膨胀期，同样，在排气期与进气期问也有+ 段时问， 这是排气孔已关而进气孔尚未打开，空气室内的水位因洗水的重 量而受到压缩，故称为压缩期。 嫠纛l - - _ 空气奎 口) 空气毫 f 6 图2 一l滑动风阀工作原理 i 一外壳2 一空心滑阀3 一进气管4 一进气孔5 一排气孔6 一拉杆 滑动风阀只要改变滑阀与外壳间的相对位置，可在小范围内 调节跳汰周期。现有滑动风阀的周期一般是：进气期1 7 0 。、膨胀 期1 0 。、排气期1 7 0 。、压缩期1 0 。 旋转风阀现已很少使用。目前只在一些老的选煤厂中使用。 二、旋转风阀( 即卧式风阀) 旋转风阀形式很多，使用很广泛。其工作原理与滑动风阀基 本相同。旋转风阀的结构见图2 2 。 旋转风阀的结构是在外壳中装有进气、排气调整套，调整套 里面是转子。外壳下部阀座有两个开口，一个与风箱相通，另一 个通过管子穿过风箱与跳汰机空气室相联。 转子旋转时，当转子的进气口与调整套的进气孔相遇时，排 气孔则被关闭，压缩空气由风箱经蝶阀、转子进入跳汰机空气室， 跳汰机中产生上升水流，这时为进气期。当转子的进气口离开调 整套的进气孔，而排气口仍未与调整套的进气孔相遇时，为膨胀 期。直到转子的排气口与调整套的进气孔相遇，才开始排气，这 个阶段为排气期。而多数旋转风阀没有压缩期。 l o 查堕堡三查兰堡兰堂! 里、一兰一 风阀进气孔面积大小与使用的风源压力、跳汰机的结杠j 刷入 料粒度等因素有关。风压高，开e 1 可小些，相反可大些。排e 孔 面积一般要比进气孔面积大些，因为排气时压力比进期时压力低。 图2 2 旋转风阀的结构 1 一阀座2 一排气端盏3 一转子4 一排气调整套5 一阀盖 6 一手把7 一进气调整套8 - 一进气端盖9 一碟阀 旋转风阀的特点：结构轻巧、转动平稳、跳汰周期调整范围 广、适应性强，所以应用很广泛。 三、电磁风阀 电磁风阀是七十年代设计的一种新型风阀结构。这种风阀调 整灵活，可以任意调整跳汰周期，进气、排气的变换速度极快。 因此，可以精确地控制脉动周期和吸缀过程地时间，获得良好的 床层松散度和精度较高的分选效果。为跳汰机大型化和跳汰制度 自动化创造了方便的条件。 电磁风阀的工作系统示意见图2 3 。整个工作系统由三部分 组成： l 、气路系统。包括高压风管至气缸的气动管路； 2 、数控装置。通过控制电磁风阀的通、断电时间，实现大 范围内无级调节频率和跳汰周期特性； 3 、进、排气阀。进、排气阀出气缸和阀盖组成。 电磁风阀的动作原理如下： 太原理工大学硕士学位论史 图2 3 为电磁风阀进气时的情况，即进气阀打开，排气阀关 闭。这时，两个电磁风阀的动作过程是：进气电磁风阀的电磁线 圈断电，铁芯被弹簧推下，关闭上部进气道，同时扣开上部的排 气道，放出阀体上部的气体，而下部则给入高压空气于进气阀( 如 图中箭头方向所示) ，推动进气阀的活塞向上运动，打开进气阀使 分配箱内的低压空气经进气管进入空气室。这时，排气电磁阀的 动作与进气电磁阀的动作相反，即电磁线圈通电吸上铁心，关闭 上部排气道，打开上部进气道，高压空气进入排气阀内，推动活 塞向下运动，关闭排气管。空气室的排气过程与上述过程相反， 排出的气体经消音排气包排出厂外。 图2 3 电磁风阀工作系统示意图 1 一油雾器2 一调压阀3 一滤气器 风阀工作压力( 低压) o0 3 5 00 5 m p a 。 风阀打开时间小于00 2 s ，最快达o 0 1 3 s 。这样可以提高水流 查堕望三查堂堕主兰垡堡兰一 上升初加速度，延长膨胀期，有利于物料按密度进行分选。 电磁风阀的缺点：需另配一套高压供风系统，气缸加 精度 要求较高，维修工作量较大。 第二节跳汰分层规律及分层过程 在跳汰过程中，物料给到跳汰机的筛板上，形成一个密集的 物料层，这个密集的物料层称为床层。在给料的同时从跳汰机的 下部透过筛板周期地给入上下交变的水流，物料在水流的作用下 进行分选。首先，在上升水流的作用下，床层逐渐松散悬浮，这 时床层中的颗粒按照其本身的特性( 密度、粒度和形状) 彼此作 相对运动，进行分层。上升水流结束后，在休止期( 停止给入压 缩空气) 以及下降水流期间，床层逐渐紧密，并继续进行分层。 待全部矿粒都沉降到筛板上以后，床层又恢复了紧密状态，这时 大部分矿粒彼此间以丧失了相对运动的可能性，分层作用几乎完 全停止。只有那些极细颗粒，尚可以穿过床层的缝隙继续向下运 动( 这种细粒的运动称作钻隙运动) 。下降水流结束后，分层暂告 终止，至此完成一个跳汰周期的分层过程。经过多次重复后，分 层逐渐完善。分层结果，密度低的矿粒集中在上层，叫轻产物； 密度高的矿粒集中在最底层，叫重产物。在生产中，随着物料的 不断给入，轻、重产物不断地从跳汰机中排出，构成了连续的跳 汰过程。 一、跳汰机脉动水流的运动特性 在跳汰机中水流运动包括两部分：垂直升降的变速脉动水流 和水平流。前者是矿粒在跳汰机中按密度分层的主要动力，后者 主要作用是运输物料，但对矿粒分层也有影响。 以分析比较简单的活塞跳汰机的脉动水流特性为例。 活塞跳汰机工作原理如图2 4 所示。当活塞向下运动时，跳汰 机中的水由活塞室被压向跳汰室，在跳汰室产生上升水流：当活 太原嫂上大学硕学位沧文 桌转过最低点开始向上运动时，水从跳汰室又彼吸回活塞室，钥! 跳汰 。毫产生下降水流。 由图2 - 4 可知，若偏心轮的偏，f i , 距为r ，连杆的长度为l ，并月当 l 与r 相比时，连杆长度1 较大时，活塞上下运动的速度v 可以看作 足偏心轮的圆周速度在垂直方向上的投影，即 v = w rs i nf o = w rs i nw t ( 2 1 ) 式中w 一一偏心轮转动的角速度，w = 2nn 6 0 ，r a d s ： t 偏心轮转过由所需要的时间，s ： n 一一偏心轮转数，r m i n 。 当中2 0 或中= n 时，活塞的瞬时速度为最小，v m i n = o ； 当中= n 2 时，活塞的运动速度达到最大值， v 。= w r = 等= 0 1 0 5 n r 眺( 2 - 2 ) 按绝对值计算，在一周内，活塞的平均速度v 。为 4 ， v m e a 2 了 式中t 一一跳汰周期，活塞转一周所需的时间，s 。 由于 一 6 0 y = s 玎 故 = 詈= u 0 0637v，。(2-3) 活塞运动的加速度可由水速的一阶导数求出 西， v 。瓦2 w 7 。0 8 w ( 2 4 ) 经过时问t ，活塞的行程可由水速对时间的积分求出 = j ：, d t = f o t w fs i n w t d t = ，( 1 - c o s w t ) ( 2 - 5 ) 1 4 太原理工大学硕士学位论文 在跳汰机里，由于跳汰室的面积b ：均大于活塞室的面秋b ， 活塞与跳汰机机壁之间有缝隙，所以在运动时活塞有漏水现象，此， 在跳汰室里水流运动的实际速度总比活塞运动的速度小些，所以跳汰 室的水流运动速度u 、加速度u 及行程s 分别为 b ， “。面 8 s i n 4 ( 2 6 “= 加2 rc o s 酬 ( 2 7 ) 一2 s = 拿励( i c o s 口r ) ( 2 8 ) d 2 式中b b ，一一冲程系数； b 一一活塞的漏水系数。 根据公式( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 、( 2 , - 8 ) 可以在直角坐标系中，绘出活 塞跳汰机的脉动水流运动速度、加速度及行程曲线。曲线如图2 - 5 所 示。 从图2 5 可以看出，活塞跳汰机水流升降运动速度曲线是一条正 弦函数曲线，水流运动的加速度曲线是一条余弦函数曲线。 活塞跳汰机偏心轮转动一周，水流在跳汰室中完成次上升和 下降作用。把跳汰机中水流上下脉动一次所经过的时间称为跳汰周 期，以“t ”表示。在一个跳汰周期内，跳汰室里脉动水流速度变化 曲线叫做跳汰水流特性曲线。 2 - 4 活塞跳汰机工作原理图 薹划- 。 o 2r 笾7 。il 上升 上弃0 ，午障： 下障 静勰 后期f前期i 后婀 ii 图2 5 活塞跳汰机的速度、加 速度及行程变化曲绩 奎墅堡! ：叁兰璺主堂壁堡苎 无活塞跳汰机的水流运动是由压缩空气来推动，用风阀调节的n 由于空气是可压缩的，故无活塞跳汰机的水流特性就复杂得多，经测 试其水流特性曲线，见图2 - 6 a 繇2 j ! 。 j 弋3 衫h 刚 、 图2 - 6 各种跳汰机的水流特性曲线比较 1 一活塞跳汰机2 一滑动风阀跳汰机 3 一旋转风阀跳汰机 滑动风阀水流特性曲线( 如图2 。6 中曲线2 ) ，上升时水流速度大， 时间短；下降时水流速度小，而时间长。旋转风阀水流特性曲线( 如 图2 - 6 中曲线3 所示) 上升水流速度大，时间短，中间有一段周期水 流速度呈缓慢下降，速度变化很小：下降水流速度亦小，时间亦短。 无活塞跳汰机的水流运动特性是与风阀的结构特点、跳汰频率、 风压以及跳汰机结构的特点等因素有关。旋转风阀水流运动特性中间 有一段周期水流速度呈缓慢下降，根据理论与实践证实，它有利于物 料在跳汰机中按密度分层。 无活塞跳汰机风阀特性曲线和水流特性曲线是不相同的。风阀特 性曲线是指风阀运动一周即在一个跳汰周期内，风阀进、排气面积的 变化曲线。在跳汰室中，水流的上升期常常滞后于风阀的进气期，这 是因为跳汰机要靠空气室中的气压上升到超过下降水流的动能及两室 间的液位差所形成的压力时，跳汰室中的水流才能回升，于是需要在 空气室里有一段升压的时间。这段时间的长短取决于风源风压的大 小、空气室容积的大小和风阀结构特点等因素。利用电子示波器测试 筛侧式跳汰机，它的滞后角度为4 0 6 0 。；测试筛下式跳汰机，它的 查堕望! ：查堂堡主堂堡垒二蔓一 滞后角度为7 0 l o o o 。 跳汰机中水流下降期开始的时问，一般发生在排气孔打开之后，若 风阀的膨胀期较长，下降水则与排气孔打开同时发生；若风阀特性没 有膨胀期或膨胀期较短则下降水稍有滞后，这是因为水流运动具有滞 后的缘故。 二、跳汰机的工作过程 跳汰机的结构示意简图见图2 7 所示。图中虚线分割部分表示跳 汰机内不同密度物料层的分布情况。 图2 7 跳汰机结构示意简图 i 一原煤：i i 一精煤：i i i 一精煤和中煤的混合物；i v 一中煤： v 一中煤和矸石的混合物：v i 一矸石 l 一原煤入煤口2 一筛板3 一压力项水4 一矸石段溢流堰5 一排矸装置 6 一矸石排出道7 一中煤排出道8 一排中煤装置9 一精煤溢流口i o 一风阀 跳汰机在工作过程中，被选物料原煤在给入跳汰机后落到筛板 上，便形成一个密集的物料层，这个物料层，称为床层。在给料的同 时，风阀周期地开启和关闭。当进气风阀开启时，压力风经入风口进 入跳汰室，使水具有一定的压力，压迫水流上升，床层被冲起，呈现 太原理上大学硕士学位论文 松散及悬浮状态。此时，床层中的矿粒，按其自身的特性( 密度、粒 度和形状) ，彼此作相对运动，开始进行分层。当进气风阀关闭时， 水流己停l 】二一l 升，但还没有转为下降水流，此时，由于惯性的作4 ， 矿粒仍在运动，床层继续松散、分层。当排气风阀打开时，水流转为 下降，床层逐渐紧密，但分层仍在继续。当全部矿粒落回筛面，它们 彼此之间已经丧失相对运动的可能，则分层作用基本停止。此时，只 有那些密度较高、粒度较细的矿粒，穿过床层中大块物料的间隙，仍 在向下运动，这种行为被看成是分层现象的继续。下降水流结束，床 层完全紧密，分层便暂告结束。水流完成一次周期性变化所用的时间 称为跳汰周期。在一个周期内，床层经历了从紧密到松散分层再到紧 密的过程，颗粒受到了分选作用。只有经历多个跳汰周期之后，分层 才逐渐完善，最后，高密度矿粒集中在床层下部，低密度矿粒则集中 在床层上层。高密度的矸石从矸石排出道排出，中煤从中煤排出道排 出，低密度的精煤则从上端的精煤溢流口排出，从而得到跳汰洗选的 三种产物。 物料在跳汰过程中之所以能分层，起主要作用的内因是矿粒自 身的性质，但能让分层得以实现的客观条件，则是垂直升降的交变水 流。由于它的存在，原本密集的床层获得松散，同时在已获得松散的 床层中，密度、粒度、形状各不相同的颗粒，表现出不同的运动状态， 最终得到矸石、中煤和精煤三种产物。 当跳汰机运转时，有两种水流在工作：一是垂直升降的交变水 流，另是水平水流。前者是使性质不同的颗粒按密度分层的动力； 而后者则主要是肩负湿润原料和将已分层的低密度物及时送走的任 务。 第三节跳汰机风阀操作工艺因素及风水控制的必要性 跳汰机的工作指标在很大程度上决定于跳汰机的操作工艺。最适 宜的操作制度与原料的性质( 粒度及密度组成) 及对产品的要求有关， 1 8 太原理工大学硕士学位论文 而且各参数之间又是相互关联的。因此，在选择合适的操作制度州， 必须根据不同的情况作具体的分析。 一、风阀操作工艺因素 跳汰机风阀操作工艺制度各因素介绍如下： 1 、跳汰频率和跳汰振幅 跳汰频率和跳汰振幅是跳汰过程的重要因素。 跳汰脉动水流的振幅决定了床层在上冲期间扬起的高度和跳汰床 层的松散条件。床层必须扬起的高度主要与给料的粒度和床层的厚度 有关。粒度大、床层厚，就要求床层扬起的高度大，所以要求有较大 的水流振幅。 振幅与频率必须配合得当。用低频( 3 5 4 0 次r a i n ) 大振幅跳汰， 床层松散度较大，分层较快，故跳汰机的处理量增加。但此时的速度 因素、矿粒的粒度和形状因素对分选效果影响较大，而且因频率低， 操作时的风水制度和给料等的变化相当敏感，故操作较困难。所以低 频，大振幅跳汰只适用于分级块煤分选或易选煤分选。相反，高频率 跳汰时( 5 0 6 0 次r a i n ) 工作稳定，加速度影响因素大，粒度和形状 因素影响减弱，细粒透筛能力较强，故产品的质量好而稳定。但因松 散度减小，分层速度减慢，跳汰机处理能力降低。故适用于末煤和较 难洗煤分选。 频率和振幅的合理配合，应根据具体情况由试验确定。频率只 能通过改变风阀的转数来调整。振幅主要通过改变风压、风量( 调节 风门) 、风阀的进、排气孔面积及频率加以控制。 一般滑动风阀的频率为5 0 7 0 次m i n 。旋转风阀的频率为4 0 9 0 次r a i n 。用旋转风阀跳汰机分选小于5 0 r a m 的不分级煤时，所用频率 为3 5 6 0 次r a i n ，振幅约为8 0 - 1 2 0 m m ，但中煤段的振幅一般小于矸 石段的振幅。 2 、风量和水量 应根据所要求的床层松散度调节风量。第一段的风量要比第二 太原理工大学硕士学位论文 段大些。各段各分室的风量由入料到排料依次减少，台时为了j u 强 第二段小，问风室的吸缀作用，加强细矸石透筛，用风量可适当加大 些。 通常筛侧式跳汰机用的风压为0 0 1 8 o 0 2 5 m p a ；筛下式跳汰机 用的风压为0 0 2 5 0 0 3 5 m p a 。 跳汰机用水量包括筛下顶水和冲水。冲水的用量般以给料口 的原料能完全湿润为准。冲水的用量约为总水量的2 0 3 0 。筛下顶 水占总水量的7 0 8 0 以上。前段的筛下水将成为后段的运输水。筛 下顶水的作用是补充筛下水量的短缺，减少跳汰室和空气室之间在工 作时的液位差，其目的是增加空气室内压缩空气的有效压力。 风量和水量的正确配合使用，对分选过程极为重要。虽然在 定范围内增加风量或增加筛下补充水都能提高床层松散度，但加风能 提高下降期的吸缀作用，而加水却是减弱它的作用。在实际操作中应 根据具体情况和工作经验灵活应用。 3 、风阀周期特性 脉动水流特性主要决定于风阀周期特性。应根据分选物料的性 质( 粒度和密度组成) 和风阀的特点选择风阀周期。滑动风阀的工作 周期几乎是固定的，不易调整。旋转风阀有一定的调节范围，可根据 需要选择合理的风阀周期特性，使每次脉动水流有利于按密度分层的 过渡阶段得到充分利用。 选择旋转风阀周期特性的原则是：保证床层在上升后期维持充分 松散的条件下，尽量缩短进气期，延长膨胀期，使之有个足够的排 气期。同时由于跳汰机第一段的床层厚且重，所以第一段的避气期通 常比第二段长些，而第一段的膨胀期却要比第二段短一些。在实际操 作中要注意各分室的风阀周期特性要保持一致，否则床层运动1 i 协 调。 电磁风阀调整灵活，可根据工作需要迅速调整风阀周期特性。 随着物料的变化，创造良好的床层松散、分层条件。以获得较好的分 2 0 查；里堡三查兰堡主堂堡垒二l 一 选效果。在国内外，为了自动控制跳汰周期，出现了广泛采用电磁风 阀的趋势。 4 、床层状态 床层的运动状态决定着矿粒按密度分层的效果，所以操作的主 要目的，是为了使床层处于有利于分选的工作状态，并使之保持稳定。 床层愈厚，床层所需的时间愈长，分层的时间也愈长。若床层 太厚，在风压或风量不足的情况下，不容易达到要求的松散度。床层 减薄能增强吸缀作用，有利于细粒级的分选并得到比较纯净的精煤。 如果床层太薄，吸缀作用太强，精煤透筛损失将增加，床层不稳定， 操作困难。曾对床层厚度与分选效果的影响进行研究，结果表明，随 着床层厚度的增加，松散度逐渐降低。床层厚度适中时，分选精度最 高。 在某一具体条件下所需要的松散度，应该通过实验确定。分选 不分级煤时，松散度应小些，一般在0 4 o 5 5 之间。而分选分级煤 时，为了提高跳汰的生产率，可适当提高床层的松教度，一般在 0 5 o 5 5 之间。 通过调整筛板倾角和风水量可以控制床层水平移动速度，使它 与床层按密度分选的速度相适应，使物料到达排料闸门时应按密度分 好层次；并使矸石床层和中煤床层的水平移动速度与原煤中矸石和中 煤的含量相适应，以保持适当的重产物床层厚度，创造一定的分选条 件；同时沿宽度和长度各点上的水平移动速度也应基本一致，否则会 造成床层局部薄厚不均匀，松散不均匀，以致破坏按密度分层。 二、风水制度在分层过程中的作用及其控制变量 由以上风阀操作工艺因素可见，风水调节是跳汰机分层的源头， 风水调节的直观反映是床层松散度，松散度将在第四章详细介绍。 风水制度是实现分层的先决条件，风水制度主要考虑以下几个 方面的控制变量：风阀周期、顶水、跳汰频率。 1 、 风阀周期分为四个阶段：进气期、膨胀期、排气期和压缩 太原理工大学硕士学位论文 期，进气期决定进气量的大小，从而决定跳汰振幅的大小，州气期删 踪进气期，膨胀期最有利于颗粒按密度分层，压缩期是自由最，w m j 对于风阀周期的优化控制，着重于对进气期的优化，进气期和排气期 n ，在控制系统启动前，由人工设定初值。进气期的优化以床层松散度 达到最优为原则，合适的松散度有利于床层按密度分层。表现在床层 跳动正常，不出现跳不起来、跳动过急、过慢等现象。 2 、当进气期寻优不能找到满足控制要求的值时，即固定这一 进气期，转而寻找顶水的最优值。但各室的顶水决不是越大越好，也 存在一个最优值的问题。其优化过程同上。 3 、当以上两个变量的寻优还不能满足要求时，再考虑跳汰频 率的优化。和以上两个变量一样，根据跳汰理论，跳汰频率也存在一 个最优值，只不过在变化频率的同时，一是要固定压缩期，二是要按 各期的进气绝对时间相等的原则将空气周期作相映的调整，优化过程 同上。 三、 分层控制的必要性及控制现状 由上可知，床层的运动状态决定着矿粒按密度分层的效果，所 以跳汰机操作的主要目的，是为了使床层处于有利于分选的工作状 态，并使之保持稳定。操作的控制