新型振动筛分机的创新设计

马鲁豪，张玉华，梅克明，郑燕武

(1.天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室 天津 300384; 2.天津理工大学 机械工程学院，天津 300384)

新技术新设备

新型振动筛分机的创新设计

马鲁豪1,2，张玉华1,2，梅克明1,2，郑燕武1,2

(1.天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室 天津 300384; 2.天津理工大学 机械工程学院，天津 300384)

振动筛分是矿业生产过程中的重要组成部分，振动筛分装置主要是用于对矿物质的筛分和去杂，是使用频率最高、应用范围最广的生产设备。新型振动筛分机对传统筛分机构进行了结构上的创新改进，加入初步筛分装置，提高了筛分装置的自动化程度及其筛分效率；同时，该设备通过移动一体化设计，其工作适应能力强，主要适用于临时性、工作周期短、工作地点不断变化的场合。

新型振动筛分机；创新改进；筛分装置；效率

0 前言

随着国民经济的快速发展，国家对于矿产品的需求正在不断地提高。2015年，我国年矿产资源总产量超过90亿吨，年矿业利润总额(不含油气)突破2000亿元。在矿业生产中，振动筛分装置主要是用于对矿物质的筛分和去杂，是使用频率最高、应用范围最广的生产设备[1]。可以说，筛分装置在一定程度上决定了矿产业的发展，因此研究筛分装置具有重要的意义及其必要性。本文通过对矿物筛分中进料、输送、筛分等过程的分析，设计出了特定的进料、输送、筛分机构，并对其进行集成化设计，最终设计出移动一体式的新型筛分机。

1 传统振动筛分装置的结构组成及其局限性

传统振动筛分机在大型矿业生产中发挥着重要作用。如图1所示，该装置结构组成简单，与传送带相结合，共同组成传统式振动筛分机。然而随着生产实际的逐步变化，传统筛分机逐渐显示出了其局限性：传统振动筛分机往往采用的是“串联式单层筛分”结构，体型较为庞大，且各设备均固定于地面，工作地点不可变，因此传统振动筛分机并不适用于工作地点不断变化或小型矿业生产的场合。

1.横梁 2.前支座 3.前耳轴 4.加强梁5.激振器 6.侧板 7.后支座 8.后耳轴图1 传统筛分装置

2 新型振动筛分机的整体结构及工作过程

新型筛分机整体结构如图2所示，其主要由进料筛分装置、输送装置、筛分机构和支撑车架四大部分组成。进料筛分装置1通过螺柱安装在支撑车架的左侧，由筛分板、液压装置和箱体等组成，主要起到进料和初步筛分的作用；输送装置可分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级输送机构，其中Ⅰ级输送机构2位于进料箱1的正下方，其功能为传送经进料箱初步筛分后的矿物至下一环节；Ⅱ级输送机构3位于Ⅰ级输送机构2和筛分机构5之间，有30°倾斜角，左下端固定在支撑车架底盘上，右上端通过四根支撑架支撑，主要是将矿物运至筛分机构进行筛分环节；Ⅲ级输送机构又可分为Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3和Ⅲ-4输送机构，分别为图中的4、13、12和7，主要是将筛分后的矿物运往指定地点，其中Ⅲ-4输送机构可通过液压杆进行一定程度的折叠，从而减少了非工作状态下的机构空间；筛分机构5安装在支撑车架的工作板上，主要由筛箱、筛分网、激振器等组成，本筛分机构具有三层筛网，可最终分选出四种矿物；支撑车架主要由车架14、车轮13和液压装置组成，其中液压装置由八个液压支撑杆8组成，主要起到支撑保护作用。

1.进料筛分装置 2.Ⅰ级输送机构 3.Ⅱ级输送机构 4.Ⅲ-1输送机构 5.筛分机构 6.输送机构异步电机 7.Ⅲ- 4输送机构 8.液压支撑杆 9.扶梯 10.筛分装置异步电机 11.护栏 12.Ⅲ- 3输送机构 13.Ⅲ- 2输送机构 14.车架 15.车轮图2 新型筛分机

新型筛分机的运动过程包括四个阶段。第一阶段(即前期准备)，车架下的八个液压支撑杆启动并延伸至地面，与车轮一起支撑起整个车体；与此同时，Ⅲ- 4输送机构7中的液压装置也开始工作，使输送机构运行到工作位置。第二阶段(即初步筛分)，将未经过筛分的矿物送入进料筛分装置中，筛分板通过微小振动将较大的无用矿物分离出来，其余通过筛分板进入进料箱体，并落入Ⅰ级输送机构送入下一环节；同时，进料筛分装置上的液压系统启动，推动筛分板逆时针转动，最大转角为55°，此时遗留在其上面的无用物料将顺势滑落至无用物料回收装置，然后筛分板通过回程过程恢复至原位，等待物料的再次进入。第三阶段(即二次筛分)，经过初步筛分后的矿物途径Ⅰ级、Ⅱ级输送机构到达筛分机构中，通过三层筛网筛选出四种矿物，并将四种矿物送入Ⅲ级输送机构。最后Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3和Ⅲ-4输送机构分别运送四种矿物至指定地点。

3 新型振动筛分机的创新改进

与传统振动筛分机相比，新型振动筛分机对其进行了“移动一体化”创新设计，加入了初步筛分装置，并对筛分机构做了改进，经过仿真实验验证了其可行性。

3.1 “移动一体化”创新设计

如图2所示，新型振动筛分机采用“移动一体化”创新设计思想，将进料装置、输送装置、筛分机构和车体进行集成化设计，这种创新改进相比于传统振动筛分机具有以下优点。

(1)集成化、自动化程度高，工作生产效率高，且初次工作无需对设备进行选址、定位及装配，节约了时间，有利于后续工作的推进；

(2)具有可移动性。新型筛分机通过车载的方式很容易实现异地之间的运送，更加适用于临时性、工作周期短、工作地点不断变化的场合，传统筛分装置较难实现；

(3)体型小，费用低，适用于小型矿业生产。

3.2 进料装置的改进

新型振动筛分机对传统式进料箱进行了改进，即加入初步筛分机构。这种改进不仅可以让装备实现进料功能，也可对物料进行初步筛分，有利于之后筛分机构的工作；并且提前去除掉体积过大的矿物，也可防止筛分机构的过载，对筛分机构有着保护作用。

1.进料箱 2.支撑平台 3.左侧液压杆 4.筛分板 5.右侧液压杆 6.支撑架图3 新型进料筛分装置

改进后的进料筛分装置如图3所示，其由初步筛分机构(筛分板4、升降机构(由液压系统组成))和进料箱1等组成。由于改进多集中于初步筛分机构，故需要对筛分板4和升降机构进行单独设计。

3.2.1 筛分板的结构设计

筛分板的结构如图4所示，主要由筛分板体4、方柱1、左挡板2、右挡板6和支架(3、5)等组成，十一根方柱1通过螺栓7固定在筛分板体4上，形成了筛分板的主体部分。根据工作场合和工程实际的不同，每两个方柱1之间间隔有所不同。本文以每两个方柱1之间间隔为200 mm为例进行分析，即筛分板可筛分分离出长、宽、高任意一方向超过200 mm的矿物。左右两侧各有4个支架(3、5)，支撑起左、右挡板(2、6)，挡板主要起到保护和防止物料意外滑落的作用。

1.方柱 2.左挡板 3.左支架 4.板体 5.右支架 6.右挡板 7.螺栓图4 筛分板

3.2.2 筛分板最大倾斜角θmax的设计计算

最大倾斜角θmax的设计计算，需要考虑到两种情况。

(1)第一种情况。矿物各个方向尺寸都大于200 mm，此时可以设定矿物与筛分板之间的接触为面接触。设某块矿物的质量为M，密度均匀，则可对其进行受力分析如图5a所示。

图5 矿物受力分析图

以平行于斜面和垂直于斜面建立平面直角坐标系，可得到力学平衡表达式

Mgsinθ=f

f=uFn

Fn=Mgcosθ

其中，f为静摩擦力；u为摩擦系数，由工程实际和筛分板材料(钢结构)，可以选取u为0.7；Fn为筛分板对矿物的支持力；g为重力加速度。

则可以得出θ=35°。

(2)第二种情况。矿物只有若干方向尺寸大于200mm，此时可以设定矿物与筛分板之间的接触为双点接触。假设某块矿物的质量为m，密度均匀，双点对物块的支持力相等，则可对其进行受力分析如图5b所示。

以平行于斜面和垂直于斜面建立平面直角坐标系，可得到力学平衡表达式

mgsinθ=f

f=2uFn

2Fnsinα=mgcosθ

α的大小由物块的重心决定，由实际工况(物块的各向尺寸相差不大)，则α的范围为30°～90°，选取u为0.7，则可以得出θ的取值范围为35°～54.5°。

综合上述两种情况，可选取θmax=55°，即当筛分板逆时针转过55°时，其上的被分离出的无用矿物便可以全部自动滑落下来。

3.2.3 升降机构最大行程的计算

升降机构的最大行程，即为进料箱左右两侧液压杆的最大伸长量(即初、末位置液压杆长度之差)。末位置时，液压杆长度可以通过筛分板最大倾斜角θmax=55°来计算。通过计算计算升降机构的最大行程，可用来确定液压装置的行程，进而选在液压装置型号。

如图7所示，为升降机构初、末位置的结构简图。

1.活塞杆 2.液压缸 3.筛分板图6 升降机构初、末位置的结构简图

(1)初位置状态为图6实线部分所示。

LAB=1 356.5mm，LBC=2 300mm，

LAC=1 268.9mm，β=30°

(2)末位置状态为图6虚线部分所示，由余弦公式得

γ=β+θmax

3.3 筛分机构的改进

筛分机构是新型筛分机的核心装置，主要完成“细筛”的过程。新型振动筛分机摒弃了传统矿用筛分机构常用的“串联式单层筛分”形式(如图1所示)，采用“并联式多层筛分”结构，该结构可减小设备体积，降低成本，提高筛分效率。

按照筛箱运动轨迹的不同，筛分机构可分为直线振动筛、圆振动筛和椭圆振动筛等[3]。其中，圆振动筛是指当筛分机构工作时筛箱的运动轨迹近似圆形的一种高效惯性振动筛，可利用筛箱的振动特性完成对物料的筛选、分级、脱水等环节[4]。其具有结构可靠，激振力强，筛分效率高和维修方便等特点[5]，广泛应用于矿山、能源等行业。故本设计选用圆振动筛，采用三层筛分方式，其整体结构如图7所示。

1.筛网 2.出料口 3.前支撑弹簧组 4.筛箱5.主动激振器6.后支撑弹簧组 7.从动激振器图7 筛分机构

4 改进前后的振动筛分机参数比较

新型振动筛分机主要适用于工作场地不断改变或小型矿业生产的场合。本文选择小型矿业生产的场合，对改进前后的振动筛分机的主要参数进行比较。

4.1 改进前后的振动筛分机相关参数

通过实地调研，传统振动筛分机(以“三级单层筛分”结构为例)的主要参数如表1所示。其中，初次工作前期准备考虑初次装配、选址等工作，平时工作不再考虑；筛分工作时间为筛分10 t矿物所用时间。

表1 传统振动筛分机主要参数

通过仿真实验，新型振动筛分机的主要参数如表2所示。其中，筛分工作时间为筛分10 t矿物所用时间。

表2 新型振动筛分机主要参数

(1)传统型筛分机构功耗的计算。根据功耗公式W=P·t及表1中的数据, 一级筛分机构功耗W1=15×0.83 kW·h=12.45 kW·h； 二级筛分机构功耗W2==7.5×0.83 kW·h=6.225 kW·h 三级筛分机构功耗W3=2.2×0.83 kW·h=1.826 kW·h总功耗W=W1+W2+W3=20.501 kW·h

(2)新型筛分机构功耗的计算。由W=P·t及表2中的数据,总功耗W=P·t=22.5×0.75=16.875 kW·h。

4.2 参数比较

通过表1、表2中的数据可以看出：新型振动筛分机的总工作时间和筛分机构总功耗比传统筛分机小很多，初次工作总时间由3.25 h减少到0.633 h，减少了413.43%，平时工作总时间由0.917 h减少到0.633 h，减少了44.87%；筛分机构功耗由20.501 kW·h减少到16.875 kW·h，减少了21.5%。此外，新型振动筛分机筛分效率提高明显，占地面积及其设备成本均有大幅度减少，虽筛分有效率有所减少，但减小幅度较小，仍可满足生产实际要求。故比起传统型筛分机，新型振动筛分机更加符合并满足小型矿业生产的要求。

5 结论

新型振动筛分机是一种创新设备，主要针对传统振动筛分装置难以实现异地运送的缺点，对其进行了“移动一体化”创新设计，使之更适合于临时性的、工作周期短、工作地点不断变化的场合；同时，该装置体型小，减少了传统筛分装置中的多余工作环节，增大了筛分效率，减少了工作成本。

[1] 闻邦椿，李以农，张益民.振动利用工程[M].北京：科学出版社，2005.

[2] 左建民．液压与气压传动[M]．北京：机械工业出版社，2011.

[3] 段志善.我国振动筛分设备的现状和发展方向[J].矿山机械，2009,37(4):1-4.

[4] 洛阳矿山机械工程设计研究院．GB/T7679.6-2003矿山机械术语(第6部分)：矿用筛分设备[S]．北京：机械工业出版社，2004:5.

[5] 徐文彬．圆振动筛的发展及其技术分析[J]．矿山机械，2016,44(4):47-53.

Innovative design of the new vibrating screen machine

MA Lu-hao1,2, ZHANG Yu-hua1,2, MEI Ke-ming1,2, ZHENG Yan-wu1,2

(1.Tianjin Key Laboratory for the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China ; 2.School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

Vibrating screen plays an important role in the mining industry production. The installation of vibrating screen machine mainly focuses on screening and removing the impurity in the mineral, and it is the device which is highest frequently and widely used in the area. The new vibrating screen machine innovates and modifies the structures on the basis of traditional screens, the primary screen device is adopted to promote the degree of automation and its efficiency in screening. Meanwhile, the integrated design of the device consists of multiple advantages, however, the utility model can be operated in the short-term or the temporary situations, which reveals the wide usage of the new equipment.

new vibrating screen machine; innovate and modify; screening device; efficiency

2016-09-08；

2016-11-18

马鲁豪(1991-)，男，天津理工大学硕士研究生。

TH237+.6

A

1001-196X(2017)02-0007-05