振动筛的一、二次隔振与反共振技术的应用

马 超

(山西晋煤集团 晋城乾泰安全技术有限责任公司,山西 晋城 048006)

振动筛的一、二次隔振与反共振技术的应用

马 超

(山西晋煤集团 晋城乾泰安全技术有限责任公司,山西 晋城 048006)

振动筛是近些年来全国各洗煤厂对物料进行筛分,以及对选后产品进行脱水与脱介的必要机械设备之一。通常使用一、二次隔振以减少其工作时对地基的动负荷及其所产生的噪音。普通一次隔振振动筛的隔振装置可以减小其带给地基振动的85%～90%,二次隔振振动筛的隔振效果甚至可以达到90%～95%。反共振机械因为有其独特的反共振原理,可以很好地满足系统对振动频率、幅值的要求,并减少对地基的损害以及工作噪声。反共振振动机械在工作时传给基础的动负荷,可以比普通一次隔振振动筛减小大约57%,甚至比一般的二次隔振振动筛还要小。

振动筛;一次隔振;二次隔振;反共振理论

近些年,我国各地洗煤厂都在稳步提升各自的年处理量。随着旋流器、溜槽等重介质选矿的逐步普及,各大选煤厂都越来越重视对选后介质的回收以及煤炭的分级。筛分设备是用于物料的分级及对其脱水、脱介的设备。当振动筛用于脱水、脱介时,可以大量回收附着在选后的精煤、中煤或矸石表面的重介质和水并循环使用,从而避免了资源的浪费。此外重介质和水的有效循环利用还提高了精煤、中煤的发热量和质量,从而降低选煤的成本增加企业的经济效益[1]。

振动机械在设计的时候必须考虑到两个问题:第一,振幅和工作频率要达到设计初值;第二,尽量减少其工作时对地基的动负荷和所产生的噪音[2]。在振动工程中,首先要利用机械所产生的稳定的振动来达到工作的目的,同时还要努力使用隔振来减小该振动给地基带来的动负荷[3]。振动筛的减振主要是指对地基的减振和启、停车时过共振区产生剧烈振动的减振,共振是指当激振器产生的激振频率等于整机的固有频率时所产生的一种剧烈振动的现象。振动筛工作时还会产生很大的噪音,这些噪音主要来源于各零部件(如轴承)工作时产生的噪声、筛面上的颗粒与筛面发生接触碰撞时产生的噪声以及金属弹簧伸缩运动时产生的声音, 相关设计人员针对这些问题提出了使用隔振弹簧以及阻尼等方式进行改进[4]。

1 振动筛一次隔振技术

普通一次隔振单质体振动筛的力学模型如图1所示。

图1 一次隔振振动筛力学模型Fig.1 Mechanical model of the one-stage vibration isolation vibrating sieve machine

其中M为筛机与筛上物料的总质量,安装在筛机侧帮上的激振器工作时产生Psinωt的正弦激振力带动振动筛工作。整机工作时通过弹性系数为k的隔振弹簧和阻尼系数为c的阻尼进行隔振处理,从而达到降低噪声及减轻基地动负荷的目的。普通一次隔振振动筛的隔振装置可以减小其带给地基振动的85%～90%。

2 振动筛二次隔振技术

普通二次隔振双质体振动筛的力学模型如图2所示。

二次隔振振动筛的工作原理与一次隔振相同,只是在其弹簧下安装了下质体与二次隔振弹簧进行进一步消振处理。目前已开始大量使用的二次隔振振动筛的隔振效果甚至可以达到90%～95%,且可以不错的克服振动平衡点的困难[5]。

图2 二次隔振振动筛力学模型Fig.2 Mechanical model of the two-stage vibration isolation vibrating sieve machine

3 反共振技术

对于两个或两个以上自由度的振动系统,当其激振力的频率达到某一个定值的时候其中一个自由度的振动会静止,这种现象叫做反共振现象。反共振机械因为有其独特的反共振原理,可以很好地满足系统对振动频率、幅值的要求,并减少对地基的损害以及工作噪声[6]。反共振振动机械在工作时传给基础的动负荷,可以比普通一次隔振振动筛减小大约57%,甚至比一般的二次隔振振动筛还要小[7]。目前在我国洗煤厂中,应用反共振技术较为广泛的是煤用反共振离心脱水机。

反共振振动筛的力学模型为双自由度物体在某激振力下的受迫振动,其力学模型如图3所示。

图3 原点型反共振振动筛的力学模型Fig.3 Mechanical model of driving point anti-resonant vibrating sieve machine

图中上质体重量m2，为工作质体,惯性激振器装在重m1的下质体上,提供大小为Fsinωt的简谐激振力,k1和k2、c1和c2分别为下质体和地基之间、下质体和上质体之间的弹簧刚度系数和阻尼系数。由该力学模型可得出系统的运动微分方程为

反共振振动筛包括上质体和下质体两个大部分。上质体即工作质体,由筛框、筛板以及大梁等组成,是反共振振动筛的主要工作部分,其质量为m2,kg;下质体质量为m1,kg,并且在下质体上安装有激振器,激振器工作时产生大小为Fsinωt的简谐激振力。x1、x2分别为m1和m2的响应位移,m。k1和k2分别为橡胶弹簧和螺旋弹簧的刚度系数,N/m;c1和c2为下质体m1和地基之间、m1和m2之间的黏性阻尼系数,N·s/m。

设弹簧的阻尼系数很小可以忽略,即c1=c2=0,此时由式1可知系统在忽略阻尼下的振动微分方程为:

.

(2)

为简便运算带入符号:

K11=k1+k2,K12=K21=-k2,K22=k2,

则式2可变为

.

(3)

式3是一个二阶线性常系数非齐次微分方程,其解由齐次方程的通解加方程(3)的特解组成。由于有微小阻尼的存在,系统的自由振动在一段时间后衰减为零,非齐次方程的特解则为稳定阶段的等幅振动,系统在与激振力相同的频率下作受迫振动[8]。设方程的特解为

(4)

则有,

.

(5)

式中：A1、A2分别为质体m1和m2受迫振动下的稳态振幅,m。

将式(4)和式(5)代入式(3)后简化可得

.

(6)

解方程组(6)后即可得到系统在激振力Fsinωt作用下的响应为：

(8)

反共振振动筛工作时,由激振器产生的简谐激振力通过上、下质体之间的螺旋弹簧传入上质体中,从而带动上质体以一定振幅振动,而下质体保持不动或轻微振动,激振器也不参与振动,大大减小了参振质量(其中参振质量可减少约30%～50%)。下质体与地面之间的圆柱形橡胶弹簧工作时非线性强且阻尼系数大,可消除工作时下质体的轻微振动以及整机起停车过共振区时的剧烈振动对地基的影响,从而减小地基的动负荷。

对于反共振振动筛的外观,笔者已初步设计出的三维模型如图4所示[9]。

1-筛箱;2-下质体;3-激振器;4-电机;5-圆柱型隔振金属螺旋弹簧.图4 反共振振动筛的初步设计Fig.4 Preliminary design of anti-resonant vibrating sieve machine

4 结语

反共振理论在振动机械领域的使用面可以更加宽阔,但现在在该方向的研究却不是很多。由于较二次隔振而言,反共振振动筛的激振器安装在下质体上,这样就大大简化了工作质体的结构,并且整机质量和参振质量都可以有很大程度的减轻,这样激振力也可以相应地减小。而且设计下质体时因为其几乎不振动所以更方便确保其在刚度和强度方面的要求, 激振器不需考虑振动时整机和地基的动负荷,同时整机工作时产生的噪声也会有明显减小;此外工作质体不用受激振力的直接带动作用,因此筛箱的使用寿命相应可以延长很多。但是反共振振动筛的振幅容易被筛面上颗粒质量的变化而影响,因此对其激振频率稳定性的要求十分严格。在后续研究中,笔者将综合考虑一些如材料的节省、结构的精简和一些零部件的更换,对反共振振动筛进行精简,并对存在问题进行改进。

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ApplicationofOne-stage/Two-stageVibrationIsolationandAnti-resonantVibrationTechnologyinVibratingSieve

MAChao
(QiantaiSafetyTechnologyCo.,Ltd.,JinchengCoalGroup,Jincheng048006,China)

In recent years, vibrating sieve has been widely used in coal preparation plants to sieve materials and it is also one of necessary machines for dehydration and medium-removing for the selected materials. Under normal conditions, one-stage and two-stage vibration isolation are used to reduce the dynamic load of the machine on its foundation and reduce the noise. The vibrating sieve of the one-stage vibration isolation could reduce the vibration by 85%～90% and the two-stage vibration isolation could reduce by 90%～95%. With its unique anti-resonant vibration theory, the anti-resonant vibration machine could satisfy the requirement of the vibration frequency and amplitude of the system and reduce its damage and noise. When the machine is working, the dynamic load of the anti-resonant vibration machine is about 57% smaller than that of the one-stage vibration isolation, even smaller than that of the two-stage vibration isolation.

vibrating sieve; one-stage vibration isolation; two-stage vibration isolation; anti-resonant vibration theory

1672-5050(2017)03-0056-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.016

2017-04-05

马 超(1988-),男,山西晋城人,硕士,从事矿山机电的研究。

TD452

A

(编辑:杨 鹏)