双质体卧式振动卸料离心机主振弹簧的研究

张双江，石永超，董晓磊，阚晓平

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

双质体卧式振动卸料离心机主振弹簧的研究

张双江，石永超，董晓磊，阚晓平

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

介绍了双质体卧式振动卸料离心机的振动原理，研究了WZYT1500双质体卧式振动卸料离心机弹簧性能，并在此基础上设计了WZYT1600卧式振动卸料离心机弹簧，研究了剪切、正压力、温度、动刚度等因素对弹簧刚度的影响和变化规律。运用有限元技术对弹簧性能进行了分析，并对其进行单机和带煤调试。研究结果表明，双质体卧式振动卸料离心机的弹簧设计方法可行，为此系列弹簧的优化设计提供了依据。

双质体；振动；离心机；主振弹簧

双质体卧式振动卸料离心机是选煤厂处理0.5～50mm 煤炭脱水的关键设备[1-2]，由于其具有处理量大、入料上限大、易损件少、煤粉碎率低等诸多优点，各国都在积极发展卧式振动卸料离心机[3]。卧式振动卸料离心机主振弹簧的性能直接决定离心机的工作性能[4]，为了开发处理量更大，性能更稳定的卧式振动卸料离心机，有必要对卧式振动卸料离心机主振弹簧进行研究。

1 整机结构和工作原理

双质体卧式振动卸料离心机主要结构如图1所示。

工作时物料从入料管经筛座进入到筛篮底部，在离心力作用下物料紧贴筛面，细颗粒及水通过物料层透过筛缝被甩到机壳内壁，在机壳内壁上汇集经出水口排出机壳，物料则在振动力的作用下由小端向大端移动，最后从大端经排料口卸出机壳，完成脱水过程。

1—底架；2—旋转电机；3—皮带轮；4—主振弹簧；5—振动电机；6—筛篮；7—入料管；8—排料口；9—出水口

2 振动系统结构和原理

2.1 振动系统结构

双质体卧式振动卸料离心机采用亚共振原理[5]，以振动电机做激振源，激振结构如图2所示，分为初级和二级振动体。初级振动体主要由外箱体、机壳组成，二级振动体主要由内箱体、主轴、皮带轮、轴承、筛篮等组成。

1—振动电机;2—外箱体;3—橡胶弹簧;4—内箱体;5—主轴

2.2 振动原理

双质体振动是一种双自由度的振动系统，系统中含有两个质体m1和m2，质体m1和m2的阻尼分别为c1、c2，两个弹簧刚度分别为k1、k2，联接刚度与阻尼模型图如图3所示。质体m1受到谐波激励，产生较小的振动并通过k2传递给m2，m2获得较大的振幅，即以较小的激振力获得较大振幅，将能量进行有效的传递，此过程实际是系统振动的放大过程[6-7]。此系统是带有阻尼的双自由度受迫振动系统。

图3 双质体受迫振动原理模型图Fig.3 Model graph showing the principle of the double-mass forced vibration

图4 振动系统稳态响应曲线

3 弹簧试验研究

以WZYT1500卧式振动离心机橡胶弹簧为模型，分别对其进行剪切、正压力、温度、动刚度等因素进行研究，探究影响弹簧刚度的因素及其变化规律，为弹簧系列化设计提供参考。橡胶弹簧构件如图5所示。

3.1 剪切试验

从弹簧的不同部位切下三个相同尺寸的试件进行剪切试验(试件尺寸：120 mm×40 mm×40 mm)，在无压力情况下，采用恒位移加载的方式加载，加载时采用不同的速率对弹簧进行剪切方向施力，试件位移与载荷关系如图6所示，从图6可以看出：试件的剪切刚度随着位移量的增加而增加，当位移量增加到一定值(通常为变形量的20%左右)时，其刚度成指数形式增大。

图5 双质体卧式振动卸料离心机主振弹簧

图6 试件位移与载荷关系曲线

在有压力情况下对橡胶弹簧进行剪切试验，在剪切力垂直面上施加恒位移载荷，分别对其施加1、2、3 mm的位移量，其中弹簧位移和载荷关系曲线如图7所示，即随着压缩量的增加弹簧的剪切刚度也增加。在压缩量为1 mm时位移-载荷曲线出现了拐动，这是由于在1 mm压缩量下，剪切力克服了弹簧与压板之间的摩擦力，产生了滑移现象，因此弹簧压缩量必须达到一定的预紧力才能保证设备正常运转。

图7 不同压缩量下的位移与载荷关系曲线

3.2 正压力试验

正压力试验检验弹簧在恒位移条件下，施加正压力作用下的变化规律，试件1、试件2、试件3在正压力作用下的位移与载荷曲线如图8所示，从图8中可以看出：在变形量小于20%时，曲线呈现线性变化，当变形量大于20%时，曲线则呈指数形式增加。对于厚度相同面积不同的弹簧刚度测定时，取一试件4(尺寸：120 mm×80 mm×40 mm)与试件1进行恒位移加载试验，单位面积位移与载荷关系如图9所示，从图9可知：相同厚度的弹簧，在相同压缩量时，单位面积上的力增大即随着面积的增加单位面积上压缩刚度增加。

图8 试件位移与载荷关系曲线

图9 正压力下单位面积位移与载荷关系曲线

3.3 温度试验

鉴于橡胶弹簧的工作温度，分别对橡胶弹簧在15℃，25℃，30℃，35℃的情况下进行刚度测试，测试结果如表1所示，由表1可知：橡胶弹簧在以上温度范围内的刚度变化很小，说明在试验温度范围内，弹簧的刚度变化不大，弹簧属于正常工作。

表1 弹簧平均刚度数据

3.4 动刚度试验

在常温下对试件进行动刚度测试试验。将其以沿着激振力方向为法线的两个面进行固定，并在这个方向上进行激振，研究不同频率下，不同激振力所获得的振幅变化。通过处理试验数据，获取试件的动刚度。试验中施加正弦位移载荷x(t)=Asin(wt)+x0，A为±0.2 mm。

对于不同频率下试件的载荷与位移关系曲线如图10所示。从图10中可以看出：在同一频率下随着加载力的增大，动刚度值增加。在20%变形量的位置是动刚度线性与非线性的区分点。24 Hz处的动刚度值最小，这是因为在24 Hz处弹簧出现共振现象所致。

图10 试件1的载荷与位移关系曲线

4 有限元分析

以试验弹簧作为试验研究对象，并建立了符合试验弹簧的有限元模型，建模时采用非线性五参数Mooney-Rivlin模型建模[9-10]，模型图如图11所示。将实验结果与有限元结果进行对比分析，对比曲线如图12所示，经计算得出均方根误差为0.015%，即所建立的有限元模型是可行的。

图11 橡胶弹簧试件的分析模型

图12 试验与模拟对比曲线

采用相似放大原理，依据橡胶弹簧试件五参数Mooney-Rivlin的模型，建立WZYT1600卧式振动卸料离心机弹簧参数，并进行了模拟分析。将WZYT1600振动电机激振力转化到橡胶弹簧有限元模型上进行模拟分析，结果表明最大位移为6.5mm，完全满足卧振实际工况的需要。

5 整机测试

将设计完成的弹簧应用到WZYT1600卧式振动卸料离心机，并进行单机和带煤调试，检测弹簧是否满足设计需要。具体测试如下：

5.1 单机调试

在整机测试过程中主要测试如下参数：

(1)机壳轴向振幅。设计要求0～1.5 mm，实测 0.2 mm。

(2)机壳横向振幅。设计要求≤0.5m，实测0.2 mm。

(3)筛篮振幅。设计要求2～6 mm，实测2.8～5.6 mm。

(4)筛篮频率。24.3(1±2.5%)Hz，实测24.8 Hz。

(5)噪声。标准要求≤85 dB(A)，实测75 dB(A)。

5.2 带煤调试

对现场整机带煤运转过程中进行整机测试，主要测试如下参数：

(1)机壳轴向振幅。设计要求0～1.5 mm，实测0.3 mm。

(2)机壳横向振幅。设计要求≤0.5 mm，实测0.2 mm。

(3)筛篮振幅。设计要求2～6 mm，实测3.2 mm。

(4)筛篮频率：24.3(1±2.5%) Hz，实测24.5 Hz。

(5)噪声。标准要求≤85 dB(A)，实测 78 dB(A)。

根据测试结果可以看出，所设计的弹簧完全符合整机性能要求。

6 结论

以WZYT1500卧式振动离心机橡胶弹簧为模型，并在此基础上分析了主振弹簧剪切、正压力、温度、动刚度等因素对弹簧刚度影响，得出如下结论：

(1)橡胶弹簧的非线性刚度是呈指数幂增长，不同的加载速度、不同的压缩量及不同的弹簧面积对橡胶弹簧刚度有比较大的影响。

(2)弹簧需要有足够的预紧力，才能保证橡胶弹簧正常工作。

(3)对比试验和有限元分析结果表明：在误差允许范围内，运用五参数Mooney-Rivlin模型，确定了WZYT1600卧式振动卸料离心机橡胶弹簧的结构和工艺参数，试验方法可行，同时为系列化弹簧的优化提供依据。

[1] 阚晓平.近三年来离心脱水设备的发展[J].选煤技术，2006(5)：61-62.

[2] 饶颜涛，陈海员.WZY1500卧式振动离心机的设计计算[J]，2006，27(8)：11-13.

[3] 冯朱涛，阚晓平，赵艳平，等.1.6m双质体卧式振动离心机参数选取及计算[J].选煤技术，2013(4)：12-15.

[4] 宋 亮，滕海燕.离心机用橡胶弹簧的动刚度实验研究[J].煤矿机械，2012，33(5)：51-52.

[5] 阚晓平.WZYT1500大型双质体卧式振动卸料离心脱水机的研制[J].煤矿机械，2012，33(7)：168-169.

[6] 杨伟红，刘克铭，任兰柱，等.反共振离心脱水机隔振橡胶弹簧的动态特性研究[J].煤炭学报，2010，35(6)：1028-1031.

[7] 陈海员，赵 立，温艳辉，等.二次激振的卧式振动离心机振动机理的研究[J].选煤技术，2008(6)：4-7.

[8] 温艳辉，阚晓平，何建新，等.双质体振动离心机振动机理的研究[J].煤炭技术，2008(8)：29-31.

[9] 董晓磊.双质体卧式振动离心机弹簧机械特性的试验研究[D].北京:煤炭科学研究总院，2012.

[10] 阚晓平，梁金钢，董晓磊，等.卧式振动离心机主振弹簧的特性试验[J]. 煤炭学报，2013，38(4)：700-706.

A study on the primary vibration spring of the double-mass horizontal vibrational discharge centrifuge

ZHANG Shuang-jiang, SHI Yong-chao, DONG Xiao-lei, KAN Xiao-ping

(Tangshan Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology & Engineering Group, Tangshan, Hebei 063012, China)

Following an introduction to the principle of vibration of the double-mass vibrational-discharge centrifuge , the paper goes to elaborate on the design of the springs for use on the WZYT 1500 horizontal vibrational-discharge centrifuge based on the study of the performance of the springs used on the WZYT 1500 version. The studies made involve the effects on rigidity of spring produced by such factors as shear, positive pressure, temperature and dynamic stiffness, and the laws of their variation. Finally, an analysis is made of the performance of the spring designed using finite-element method. As evidenced by test made with the spring on the WZYT 1600 double-mass horizontal vibrational-discharge centrifuge which runs either individually or under load-up condition, the method for the design of the spring for use on such a kind of centrifuge is feasible. This may provide the basis and direction for realizing optimum design of series springs.

double-mass; vibration; centrifuge; primary vibration spring

1001-3571(2016)06-0025-05

TD455+.5

A

2016-06-28

10.16447/j.cnki.cpt.2016.06.007

中煤科工集团有限公司科技创新基金青年基金项目(2014QN048)

张双江(1983—)，男，浙江省金华市人，助理研究员，硕士，从事离心脱水设备的研究与开发工作。

E-mail：sjzhang83@163.com Tel：0315-7759410

张双江，石永超，董晓磊，等. 双质体卧式振动卸料离心机主振弹簧的研究[J]. 选煤技术，2016(6)：25-29.