激振电机振动频率与布置角度对振动螺旋分选机性能的影响

钱海军

(中煤科工集团南京设计研究院有限公司，江苏 南京 210031)

研究开发和推广应用干法选煤技术，对于为我国干旱缺水、冬季严寒的产煤地区以及其他不适合湿法洗选的煤炭提质具有重要作用；同时，这对提升我国煤炭质量，发展煤炭清洁技术，实现能源节约利用，防止环境污染等具有十分重要的意义[1-2]。目前，国内干法选煤技术应用比较成熟的主要有复合式干法分选技术和流化床重介质分选技术等[3]，但由于工艺结构较复杂，对入料水分要求严格等原因，流化床重介质分选技术并未得到较好的推广[4-5]。现场实际应用发现，分选粒度下限较高是现阶段工业应用的干法选煤技术存在的共性问题，其分选粒度下限一般在6～13 mm之间，导致很多细粒煤得不到有效分选。

针对目前我国干法选煤技术分选粒度下限较高的缺陷，选煤工作者设计出了一种新型干法分选机——振动螺旋分选机。为了提高振动螺旋分选机的性能，通过试验样机研究激振电机振动频率与布置角度对设备分选效果和颗粒运动速度的影响。

1 试验目的与试验设备

1.1 试验目的

试验目的主要是考察激振电机频率和布置角度对振动螺旋分选机分选效果和颗粒运动速度的影响规律，试验在制作好的样机上进行。在分选机正常工作后开始给料，待物料得到充分分选后停机取样，初步分析设备分选结果；在物料分选过程中仔细观察，并拍照、摄像、记录试验现象，结合试验现象综合分析设备分选效果和颗粒运动速度，寻找各因素对分选机性能影响的规律。

采样点位于螺旋槽面的对称位置(图1中的Ⅰ、Ⅱ区域)，在不同分选条件下进行多次分选试验，于每个采样区域的外侧区、中间区、内侧区分别采取三个样品；将各相同区段的样品混合形成综合样品，对各综合样品分别计量、化验，依据化验结果和试验现象综合分析设备分选效果和颗粒运动速度。

图1 螺旋槽面采样点分布图Fig.1 Distribution of the sampling point along the spiral trough surface

1.2 试验设备

试验的主要设备为振动螺旋分选机样机(图2)，其主要由支座、振动电机座、振动电机、振动平台、螺旋床面、螺旋筒体等组成。振动电机是螺旋分选机的振动源，为分选机工作提供源动力；振动体和支座之间布置有橡胶弹簧，能够有效减弱支座所承受的载荷及扭力[6-7]。

煤炭和矸石的混合物在振动螺旋分选机内运动时，其利用机械振动力实现不同密度物料的分选。该分选机的激振器不仅产生垂直方向的激振力，还产生围绕垂直轴的激振力矩。物料在垂直方向力的作用下不断向前运动，并在上下周期性的振动力作用下实现按密度分层；围绕垂直轴的激振力矩使物料沿螺旋槽面运动，这部分物料同时产生径向离心力，在离心力和重力等作用下物料按密度分布，从而实现矸石与精煤的分离[8]。

1—集尘罩；2—螺旋筒体；3—螺旋床面；4—振动平台；5—振动电机；6—振动电机座；7—支座

2 物料来源与性质

从粒度组成来看，玉米和石子的粒度都较小，均在13 mm以下；从密度组成来分析，玉米的堆密度为0.77 t/m3，石子的堆密度为1.50 t/m3，精煤的堆密度在0.90 t/m3左右，矸石的堆密度在1.60 t/m3左右。由于玉米和石子的粒度组成、密度组成与精煤和矸石的相似，故以玉米代表煤炭中的精煤，以石子代表煤炭中的矸石，二者的混合物即为未分选的煤炭。

在试验过程中，以玉米和石子的混合物替代煤炭作为试验物料，主要是因为该试验在设备加工厂中进行，试验结果检测条件有限；此外，考虑到玉米和石子较易分开，在便于直接观察分选过程的同时有利于试验结果的检测。

3 试验结果与分析

3.1 振动频率对设备分选效果和颗粒运动速度的影响

3.1.1 振动频率对设备分选效果的影响

激振电机的振动频率主要影响该分选机的振动强度，研究激振电机相同布置角度时不同振动频率对设备分选效果的影响，主要是研究设备不同振动强度时的分选规律，结果如图3所示。

由图3可知：随着振动频率的增大，外侧区的轻产物含量先增大后减小，内侧区的轻产物含量先减小后增大；在振动频率为45 Hz时，外侧区与内侧区的轻产物含量分别达到最大值和最小值；也就是说，该分选机的分选效果先提高后降低，在振动频率为45 Hz时分选效果最好。就试验结果来看，Ⅰ区域与Ⅱ区域的试验结果平行性很好。结合试验现象发现，在振动频率较高(50 Hz时)的条件下，排料口处的轻产物含量低于中间区，分选效果较差；在振动频率较低(35 Hz时)的条件下，分选槽中间区和内侧区的轻产物含量均较高，分选效果不理想。

图3 振动频率与各区的轻产物含量关系曲线

上述分选现象与设备振动强度存在如下关系：

(1)物料在床层上主要有滑移运动和抛掷运动两种方式，其运动方式由振动强度决定。在振动强度较小时，物料在床层上处于静止状态，随着振动强度的增大，其开始产生滑动位移[9](即作滑移运动)；此时，由于颗粒之间的间隙较小，且相互之间的相对位移很小，不能实现位置互换，不存在分层和分选作用。在振动强度增大到一定程度时，颗粒开始作抛掷运动，此时运动比较剧烈，颗粒相互之间的空隙逐渐增大；在振动力的周期性作用下，颗粒在按密度分层的同时在各种力的作用下沿着各自的轨迹运动，并开始发生位置转移，进而实现分层和分选。在振动强度继续增大时，颗粒的抛掷运动更加剧烈，此时床层处于“沸腾”状态，即颗粒处于混乱状态，其位置互换不再明显，分层和分选过程遭到破坏。

(2)振动频率为35 Hz时设备分选效果较差，这与振动强度不够有关；由于振动强度较小，颗粒处于亚抛掷状态，各颗粒之间的分层不明显，床层介于运输与分选的中间状态。在振动频率较高时，排料口处的轻产物含量低于中段区，这是因为在较高的振动强度下，外侧区的低密度物(玉米)存在“返流”现象，导致中间区的低密度物(玉米)含量升高。在实际生产过程中，在提高振动强度的同时要防止物料“返流”，这也可能与试验对象(玉米)的形状特性有关。随着振动频率的增大，设备分选效果在达到峰值后下降，这说明随着振动强度的增大，颗粒运动状态由静止转为活跃再转为混乱。在活跃运动状态下，颗粒之间的位置互换较好；而静止状态、混乱状态都不利于颗粒之间的位置互换。

3.1.2 振动频率对颗粒运动速度的影响

振动频率不仅影响设备分选效果，还影响颗粒运动速度。在一定试验条件下，不同振动频率时的颗粒运动速度曲线如图4所示。

图4 不同振动频率时的颗粒运动速度曲线

由图4可知：随着振动频率的增大，颗粒运动速度随之增大，其在增加到一定水平后基本不再变化。颗粒运动速度的变化可分为三个阶段，在振动频率小于37 Hz时，其速度增长呈现出线性变化；此时，由于振动强度不足，颗粒在槽面上以滑移方式运动，其加速梯度沿同一方向增大。当振动频率在37～40 Hz之间时，颗粒运动速度明显增大，此阶段是颗粒从滑移运动转为抛掷运动的一个突变阶段，速度变化梯度很明显。在振动频率大于40 Hz后，振动频率对颗粒运动速度的影响不再明显，其运动速度基本稳定在0.07 m/s左右，此时颗粒处于抛掷运动状态。

3.2 布置角度对设备分选效果和颗粒运动速度的影响

3.2.1 布置角度对颗粒运动速度的影响

激振电机的布置角度也会影响槽面颗粒的运动速度，从理论上分析，水平扭力是槽面颗粒作螺旋运动的主要原因，也是直接原因[10]。布置角度越大，颗粒受到的水平切向力越大，其运动速度也越大，试验中对颗粒运动速度的测定结果也验证了这一观点。从两种布置角度的颗粒运动速度曲线(图5)可以明显观察到，在振动频率相同时，布置角度48°时的颗粒运动速度大于布置角度42°的颗粒运动速度。

图5 不同布置角度时的颗粒运动速度曲线

3.2.2 布置角度对设备分选效果的影响

激振电机的布置角度也是影响分选机分选效果的因素，其直接影响垂直方向激振力的大小和水平方向激振扭力的大小，进而影响颗粒运动状态和设备分选效果。在其他试验条件相同的条件下，探索了激振电机在两个布置角度(42°、48°)时的分选情况，不同布置角度时的轻产物含量柱状图如图6所示。

由图6可知：两种布置角度时的设备分选效果相差不大，外侧区的轻产物含量均在70%左右，中间区的轻产物含量均在18%左右，内侧区的轻产物含量均在24%左右；对比各区的轻产物含量可以发现，内侧区明显高于中间区。

图6 不同布置角度时的轻产物含量柱状图Fig.6 Content of lighter materials vs. motor arrangement angle

从理论方面分析，布置角度越小，颗粒在垂直方向上受到的激振力越大，分层效果越好，分选效果也越好。故布置角度42°时设备分选效果应该优于布置角度48°，这是因为小角度时设备的垂直振动强度更大。但设备分选效果与分选时间也有关，布置角度48°时颗粒垂直方向受力较小，物料分层较慢；而在分选时间充分的条件下，颗粒也能实现充分的分层和分选。颗粒分层效果决定分选效果，布置角度48°时颗粒受到的激振力更充分，物料分层效果更好，分选效果能够得到保证。试验样品是在床面物料得到充分分选后停机采取的，所以两种布置角度时的分选效果差别不大。

4 结论

通过研究振动频率和布置角度对设备分选效果和颗粒运动速度的影响，可得出如下结论：

(1)随着振动频率的增大，该分选机的分选效果先提高后降低，在振动频率为45 Hz时分选效果最好；随着振动频率的增大，颗粒运动速度随之增大，其在增加到一定水平后基本不再变化。

(2)激振电机布置角度不同，设备分选效果相差不大，这与样品采取状态和时间有关；对于两种不同的布置角度，颗粒运动速度明显不同，布置角度越大，颗粒运动速度越大。

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