大型强迫同步圆振动筛的研制与应用

黄 涛，蒋春辉，王来伟，高艺菲

(鞍山重型矿山机器股份有限公司，辽宁 鞍山 114042)

圆振动筛是原煤准备系统的关键设备之一，主要用于原煤分级。20世纪70年代，我国在大型筛分机的研制方面做了大量工作，在使用寿命、筛分效率等方面取得了很大进展[1]。根据振动器布置的不同，将其主要分为两类，一种是振动器位于筛框中间的圆振动筛，另一种是振动器位于筛框上方的圆振动筛。常见的振动器位于筛框中间的圆振动筛为YA型圆振动筛[2-3]，其筛框结构紧凑，机械设计合理，大游隙轴承运转温升低，运行噪声小，使用寿命长，安全可靠，易于维护；但振动参数小，处理能力低，无法满足选煤厂对大型设备处理能力的要求。常见的振动器位于筛框上方的圆振动筛为YK型圆振动筛[2-3]，其能够有效避免物料在入料端的堆积，并起到检查筛分作用，处理能力较高；但筛机质量大，采购成本高，维修不便，无法实现大型化设计。

随着选煤厂设计能力的不断增大，要求原煤分级效率不断提高，这就对圆振动筛的技术水平提出了更高要求。鉴于普通圆振动筛的筛分面积小、振动强度低，无法满足当前选煤生产的需要，在对圆振动筛研制现状分析的基础上，研制出了大型强迫同步圆振动筛。

1 关键技术点的选取

针对目前普通圆振动筛存在的问题，确定了大型强迫同步圆振动筛的关键技术点，其中主要包括技术参数、设备材料、筛框结构、振动器结构。

1.1 技术参数的选取

振动筛的技术参数包括振幅、振次、筛面倾角等，这些参数直接影响筛机的筛分效率和处理能力[4-5]。目前，普通圆振动筛的双振幅为9 mm，振次为750 r/min，筛面倾角为20°，结合生产需要和设计经验，确定大型强迫同步圆振动筛的双振幅为10 mm，振次为850 r/min，筛面倾角为20°。依据式(1)、式(2)、式(3)计算出其处理能力、筛面物料运动速度、振动强度，

Q=3 600B·H·v·γ,

(1)

(2)

(3)

式中:Q为处理能力，t/h；B为筛面宽度，m；H为料层厚度，m；γ为物料堆密度，t/m3；v为物料运动速度，m/s；K0为修正系数，计算中取0.1；A为振幅，mm；n为振次，r/min；α为筛面倾角，(°)；KV为振动强度，g；ω为角速度，rad/s；g为重力加速度，取9.80 m/s2。

通过计算可得出两种振动筛的技术参数(表1)，对二者的技术参数对比发现，大型强迫同步圆振动筛的振动强度比普通圆振动筛的振动强度高42个百分点，物料运动速度高40个百分点，故大型强迫同步圆振动筛的筛分效率和处理能力大大提高。

表1 两种振动筛的技术参数对比结果

1.2 设备材料的选取

1.2.1 整机材料的选取

在振动筛其它参数确定的条件下，如果筛面宽度增加1倍，则横梁应变提高16倍，这说明振动筛筛面越宽，横梁挠度变形越大[6]。振动筛的筛箱越长，其侧板的横向摆动变形量越大，这严重影响筛机运行的可靠性，导致其使用寿命缩短。在设计中过量加大横梁和加厚板材，对于提高筛框的刚度和强度有一定帮助，但动力消耗就会增加，经济性较差。

在设备材料选取上，传统圆振动筛采用Q345钢板，而大型强迫同步圆振动筛创新性地选取了高强度结构钢板。这种专用特殊钢板具有抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀、寿命长的特点，在保证足够的刚度和强度条件下，能够使相同规格的振动筛主机质量明显下降，有助于减轻振动惯性力对筛框的破坏。

大型强迫同步圆振动筛与普通圆振动筛所用材料的力学性能对比结果见表2。由表2可知：大型强迫同步圆振动筛的屈服强度、抗拉强度、疲劳强度更大，抵抗变形的能力和抵抗断裂的能力更强，所以该筛机能够承受更多冲击次数，使用寿命更长。

表2 材料力学性能对比结果

1.2.2 筛板材料的选取

表1为5种参数化方案以及集合平均模拟的24 h、6 h和3 h累积降水的评估结果。对于24 h累积降水,距平相关系数和均方根误差的值均变优。相对于最优的单方案结果,集成后的距平相关系数提高了2个百分点,均方根误差降低了0.2 mm。从TS评分的结果可以看出,集成后对于中雨和暴雨的TS评分值改进较为明显,优于最优的单方案,而小雨和大雨的TS值不如最优的单方案,但也仅次之。该结论与陈茂钦等(2012)对江淮和华南两次暴雨过程进行多微物理方案的集成预报试验的结论相一致,均得出多方案集成后结果较为优异且稳定的结论。

筛板使用寿命的长短不仅取决于筛面张紧程度，还与其结构形式和材料有关[7]。大型强迫同步圆振动筛的筛板(图1)结构分为轻型和重型两种。通常上层为重型筛板，采用锰钢板或聚氨酯板冲孔而成[8]，筛孔尺寸在25～50 mm之间；下层为轻型筛板，采用钢丝或聚氨酯编织而成[8]，筛孔尺寸在6～25 mm之间；筛孔形状包括正方形、长方形、椭圆形等，根据物料情况而定。筛板长度均为1 220 mm，具有良好的通用性和互换性，性能可靠，使用寿命长。

1.3 筛框结构

筛框主要由侧板、筛板支撑横梁和纵梁组成，是安装筛板、承载物料筛分的核心部件，其结构布置、刚度强弱均会影响大型振动筛的可靠性[9]。普通圆振动筛主要采用焊接加强筋的方式(图2)对侧板进行加固，筛板支撑横梁选用无缝钢管，支撑纵梁选用角钢型材，这样的结构设计易使焊接应力集中，此外无缝钢管和角钢厚度不均也会导致筛框薄弱处应力集中，进而导致筛框过早失效。

图1 筛面结构图

图2 普通圆振动筛的焊接侧板

大型强迫同步圆振动筛的侧板结构采用整体折弯技术(图3)，既能减轻筛框质量，又能增强其刚度和强度，且不存在焊接应力集中的问题，从而使弹性变形的可能性降至最低。横梁采用矩形折弯结构设计，在尺寸相同的条件下，其与侧板的接触面积增大了27个百分点，且筛框的整体刚度提高。侧板与所有横梁全部采用冷铆(虎克铆钉)技术联接，能够有效避免氧气切割和焊接产生的加热和应力集中问题，从而避免焊接热应力引起的侧板变形和开裂缺陷，这为圆振动筛大型化的实现奠定了技术支持。

1.4 振动器结构

大型强迫同步圆振动筛选用两组振动器，能够减少激振器每个轴承的动载荷，延长轴承使用寿命。传统的两组振动器一般通过外接齿轮箱实现同步振动，故障率高，噪声大；而大型强迫同步圆振动筛的两组振动器之间通过同步齿形带连接(图4)，能够有效保证两组振动器同步振动，进而产生较大的激振合力，从而解决单振动器设计无法大型化的缺点。

图3 大型强迫同步圆振动筛的折弯侧板

`图4 双振动器同步齿形带连接图

普通圆振动筛的轴式振动器的偏心轴为实心，存在质量过大的问题，导致加工、安装不便，振动器的负荷和设备能耗增加，生产成本过高[10]；对于大中型振动筛即使采用实心直轴，也不能减轻振动器的自身质量。大型强迫同步圆振动筛的振动器也为轴式结构，其选用轻型振动器(已获专利技术，专利号为ZL200720142650.5)，内部主轴为空心直轴，振动器偏心轴质量小，总体质量轻，激振力增大，运行轻便而灵活，维护简单，加工与生产成本均较低。

2 大型强迫同步圆振动筛

2.1 结构组成与工作原理

大型强迫同步圆振动筛(图5)主要由筛箱、弹簧支撑装置、电机传动装置、振动器等组成，两组振动器均安装于筛箱侧板，物料进入筛面后与筛箱一起作为参振质量，在减振弹簧支撑下组成整个振动系统；每组振动器的轴上均有对称、相等的偏心质量，在轴承的支撑作用下，经电动机传动装置驱动后产生激振力；两组振动器之间采用同步齿形带连接，能够保证两组振动器同步转动，从而形成较大的激振合力，进而促使整个参振系统周期性的往复振动，其振动轨迹为圆形。

图5 大型强迫同步圆振动筛结构示意图

该振动筛的筛面采用倾斜方式布置，筛面倾角为20°。在筛面做圆振动时，物料被反复抛起而落下，同时向前滚动；小于筛孔尺寸的颗粒通过筛孔被分离到筛下，大于筛孔尺寸的颗粒继续向前运动，最后从出料端排出，成为筛上物。

2.2 技术特点

从设计方案与现场应用效果来看，大型强迫同步圆振动筛具有如下技术特点：

(2)与普通圆振动筛相比，其振动强度高42个百分点，物料运动速度高40个百分点，筛分效率和处理能力均大大提高；根据物料性质和筛分需要选择不同类型的筛板，能够保证物料筛分的准确性和筛分效率。

(3)筛框的侧板、横梁和纵梁均采用整体折弯技术，并选用空心直轴轻型振动器，实现了振动筛的轻型化与高结构强度设计。

(4)减振系统采用内外弹簧组合技术和横向弹簧阻尼技术，能够避免振动筛工作时振动不稳定和横向摆动问题。

2.3 型号与技术参数

优化的大型强迫同步圆振动筛的结构设计和振动参数满足现场需求，能够有效解决普通圆振动筛筛分面积小、处理能力小等问题。目前，该型振动筛已经形成系列化产品，设备的型号与技术参数见表3。

表3 大型强迫同步圆振动筛的型号与技术参数

注：生产能力是以煤为物料计算得到的。

3 应用实例

大型强迫同步圆振动筛主要用在原煤或其他矿石的干法筛分环节，其在工业现场的成功应用，不但使企业的生产能力大幅提升，而且带来了显著的经济效益。2014年5月12日，准格尔旗弓家塔宝平湾煤炭有限责任公司选煤厂(处理能力为2.40 Mt/a)选用2YAQ3673大型强迫同步圆振动筛对原煤进行筛分，其上层筛孔尺寸为50 mm×50 mm，下层筛孔尺寸为20 mm×20 mm，处理能力为1 100 t/h。

在入选原煤粒度<100 mm，平均水分为8%的条件下，大型强迫同步圆振动筛的筛分效率为92%，完全能够满足选煤厂高效率、大处理能力的筛分要求；在实际生产过程中，该振动筛可以实现18 h/d的无故障运行，稳定性很高。

4 结语

为了提高大型强迫同步圆振动筛的性能，在筛

机研制过程中，引入了模态分析和运动分析两种现代化设计方法对其进行优化和完善；在样机制成后，建立了振动筛试验台，对其性能进行检测。目前，该振动筛已在国内各大选矿厂(包括选煤厂)成功应用50余台，生产实践表明：该设备运行可靠，停机时间短，维修费用低，能够大大提高生产效率。该振动筛的成功研制和应用，对于促进我国振动筛行业的技术进步具有积极意义。

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