WZYT1600卧式振动离心脱水机振动响应分析

杨 杰

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

离心机是湿法选煤厂末煤脱水的主要设备[1]，其中卧式振动离心脱水机以其占地面积小、检修方便、节能、易损件少、筛篮寿命长且对煤的粉碎率低等优点得到市场的青睐，目前国外对卧式振动离心脱水机的研制开发投入很大[2]。近年来，离心机的结构、品种等方面得到快速开发。国内外卧式振动离心脱水机在向大型化发展，国外最大规格直径达1 650 mm，国内最大规格为中煤科工集团唐山研究院有限公司研制的WZYT1600双质体卧式振动离心脱水机。为了探究离心机振动响应特性，以WZYT1600双质体卧式振动离心脱水机为研究对象，从该机动力学模型入手，对其振动响应进行分析，找到亚共振区，选择适当的振动频率，为离心机的参数选择提供一定的理论依据。

1 双质体卧式振动离心脱水机力学模型

1.1 双质体卧式振动离心脱水机结构

二次激振原理振动器结构如图1所示，初级振动体由振动电机、振动箱体和机壳组成，二级振动体由筛篮、主轴承、主轴、轴承箱和皮带轮组成。初级振动体与地基用隔振弹簧连接，初级振动体与二级振动体靠激振弹簧和预压装置连在一起。振动电机产生的激振力作用在初级振动体上，通过弹性系统的传递，使初级振动体在较小振幅的状态下，二级振动体获得较大振幅[3]，并在保证筛篮振幅的前提下，降低有害振动。

1—基础支撑； 2—隔振弹簧 ；3—振动电机； 4—激振弹簧；5—振动箱体；6—主轴承； 7—主轴； 8—轴承箱

1.2 双质体卧式振动离心脱水机力学模型

以WZYT1600型卧式振动离心脱水机为研究对象，利用多体动力学理论，将卧式振动离心脱水机分成初级振动体和二级振动体[4]两部分，取m1、m2分别为初级振动体和二级振动体的等效质量，k1、c1为初级振动体与机座的等效刚度和阻尼，k2、c2为初级振动体与二级振动机的等效刚度和阻尼，建立水平方向的两自由度振动模型(图2)[5]。

图2 双质体卧式振动离心脱水机振动模型Fig.2 Model of the double-mass horizontal vibrating centrifuge

2 双质体卧式振动离心脱水机数学模型

令x1、x2分别为初级振动体和二级振动体质心的纵向位移。结合简化模型，根据能量守恒定律可知，离心机的动能T、势能U和耗散能D[6]分别为：

(1)

第二类拉格朗日方程为：

(2)

将式(1)带入式(2)，写成矩阵形式为：

3 仿真分析

在不考虑物料的情况下，在Matlab/Simulink中建立仿真模型[7-8]。取该机参数设定为：m1=4 890 kg,m2=1 690 kg,k1=5.5×103kN/m,k2=1.8×104kN/m,c1=20 kN·s/m，c2=50 kN·s/m,振动电机激振频率ω=24.33 Hz，激振力F0=80 kN，进而得出初级振动体和二级振动体的位移曲线如图3所示。离心机启动时，初级振动体和二级振动体的振幅较大且趋于稳定，在1.2 s后达到稳定状态，与实际情况相符。为方便研究，取4.5～5 s区间，初级振动体和二级振动体的位移曲线，如图4所示。

图3 位移仿真曲线

图4 初级振动体和二级振动体的位移曲线

空载时，初级振动体的双振幅为1.021 7 mm，二级振动体的双振幅为4.587 8 mm。这是因为振动电机产生的激振力作用在初级振动体上，振动电机产生的激振频率与双质体振动系统二级振动体的固有频率接近,二级振动体通过激振弹簧传给初级振动体的力恰好与作用在初级振动体上的激振力相平衡，通过弹性系统的传递，使初级振动体在较小振幅的状态下，二级振动体获得较大的振幅，这也符合双质体振动的特性[9]。

4 激振频率对振幅的影响

振动电机的激振频率是初级振动体和二级振动体振幅的重要影响因素。保持其他参数不变，在Simulink中将激振频率由定值改为在20～30 Hz均匀变化的一次函数，再进行仿真模拟，得出的不同激振频率下初级振动体和二级振动体的振幅曲线如图5所示。整个过程中初级振动体振幅较小且略有变化，但变化不大。激振频率较小时，二级振动体振幅较大且呈上升趋势；当激振频率在23～26 Hz区间时，振幅最大，之后随激振频率的提高，振幅急剧下降，激振频率已远离共振点[10]。由此可见，激振频率在23～26 Hz区间，二级振动体振幅较大且初级振动体振幅较小，是双质体振动较为理想的状态，此频率区间为亚共振区。

图5 不同激振频率下两质体的振幅曲线

5 结论

对WZYT1600双质体卧式振动离心脱水机进行Matlab/Simulink仿真模拟后，可得出以下结论：

(1)利用多体动力学理论，由拉格朗日法建立WZYT1600双质体卧式振动离心脱水机振动微分方程，为研究该机空载时的振动响应特性奠定了基础。

(2)应用Matlab/Simulink仿真，探明了在平稳激振下初级振动体和二级振动体的振动情况，其中初级振动体振幅较小，二级振动体振幅较大，与亚共振原理相符。

(3)由位移曲线分析得知，该机初级振动体和二级振动体在20～30 Hz激振频率区间不会发生共振，并找到亚共振区，此激振频率区间内，系统振幅理想，并为双质体卧式振动离心机设计和降低有害振动提供理论依据。