叠层电磁振动筛动力学及技术优势分析

赵环帅 尹德夺

(1.中国冶金矿山细粒筛分机械工程技术研究中心，河北省唐山市，063020; 2.唐山杰斯德科技有限公司，河北省唐山市，063020)

随着采煤机械化程度的不断提高、煤田地质条件的复杂化及原煤品质呈多样化态势。原煤中的粉煤含量越来越高，选煤厂煤泥入洗比例不断提高，因此，许多选煤厂纷纷增设粗煤泥分选设备，以提高粗煤泥的分选精度。但又出现了粗精煤泥细泥夹带、污染精煤等新问题[1-2]。

目前，现有的弧形筛、高频筛等传统的脱泥、脱水设备已不能满足市场对粗精煤产品质量的要求。由于电磁振动筛适用于各种细粒物料的干法与湿法筛分，其筛面高频振动、筛箱不动，具有节能高效的特点。近些年，部分选煤厂采用电磁振动筛取代弧形筛等传统筛分设备，以脱除粗精煤中的高灰细泥，从而提高精煤质量和经济效益，取得了良好的应用效果[3-4]。但存在的问题是，受目前技术水平所限，电磁振动筛有效宽度及筛分面积过小，难以满足选煤厂对大型化设备及技术改造的需要。因此，研制开发了叠层电磁振动筛，在占地面积一定的情况下，通过增加筛面层数来增加有效筛分面积，进而提高筛分效率。

1 叠层电磁振动筛的工作原理与结构特点

1.1 工作原理

叠层电磁振动筛采用电磁激振器作为动力源，通过驱动传动装置带动振动机构实现筛网振动，而筛箱基本保持不动。振动系统处于近共振状态，可以较小的激振力达到所需的工作参数，电磁激振器系统结构示意图如图1所示。

1-筛箱(侧板)；2-振动器壳体； 3-电磁铁； 4-衔铁； 5-橡胶主振弹簧；6-传力连杆； 7-橡胶铰链弹簧； 8-振动杆；9-振动轴； 10-橡胶扭转弹簧；11-振动臂；12-快装振动帽；13-筛网；14-隔振弹簧图1 电磁激振器系统结构示意图

电磁激振器系统由激振器壳体、电磁铁、衔铁传力螺栓组件、橡胶主振弹簧等组建组成。激振器壳体固定在筛箱侧板外侧，电磁铁与激振器壳体相联，衔铁传力螺栓组件串起分别位于壳体内外的两个橡胶主振弹簧，安装于壳体内，在电磁铁与衔铁传力螺栓组件之间留有气隙δ。

传力连杆在一端O2点与衔铁传力螺栓组件固接，在O1位置处与振动杆的一端由橡胶铰链弹簧铰接，振动杆的另一端与振动轴固接。振动轴横穿筛箱，水平置于筛网下面，在其上成一定角度固接若干个振动臂，在振动臂的尾部安装有快装振动帽，快装振动帽沿筛箱宽度方向呈条状且其顶部与筛网接触。振动轴的两端由2个固定在筛箱两侧板外侧的橡胶扭转弹簧所支撑，由于橡胶扭转弹簧径向刚度较大，振动轴受其约束，基本上只能作扭转运动。

电流经可控硅半波整流输入线圈，在电磁铁与衔铁组成的闭合磁路中产生交变磁通量，电磁铁产生的交变电磁力使衔铁以50 Hz的频率振动。衔铁的振动通过传力连杆驱动振动杆的一端O1振动，振动杆再驱动振动轴以O点为转心作扭转振动，从而带动振动臂及快装振动帽垂直于振动臂往复振动，由于快装振动帽与筛网的接触激振筛网，而筛箱基本不动。振动系统处于近共振状态，用较小的激振力就可达到所需的工作参数。电磁振动筛每层筛箱有4组振动系统沿筛箱纵向(长度方向)布置，在激振器的带动下共同激振筛网，使筛网产生50 Hz的高频振动。激振器经控制装置设置，具有瞬时强振功能以随时清理筛网，减少筛孔堵塞。通过调整电流的大小，便可随时调节振幅。

1.2 结构特点

叠层电磁振动筛为振网式结构，筛箱基本不动。机架下端的橡胶减振器及筛箱与机架的二次减振系统，进一步减小了对基础的动载荷，可近似认为只有静载荷而无动载荷。叠层电磁振动筛总体结构(以四层结构为例)如图2所示。

叠层电磁振动筛有多层筛箱，依据人体工程学，每层筛箱之间的间距既要充分考虑更换筛网等操作所需空间，又要考虑尽量小的占地面积和空间高度。筛箱由两侧伸出的支撑梁架在机架上，用橡胶块进行减振，且可根据使用现场各项筛分指标的需要调节角度。为了操作方便，两侧布置检修台，以达到筛机每个位置操作都很方便的目的。叠层电磁振动筛主要结构件的特点如下所述。

(1)筛箱。筛箱主要包括筛框、筛网、激振器、传动系统等。叠层电磁振动筛的规格型号主要体现了筛箱的数量和结构。筛箱的数量决定筛机的层数。筛箱分单联和双联两种形式，单联只有一个通道且只在筛箱一侧装有激振器，双联有两个通道且在筛箱两侧装有激振器。筛框结构简单、紧凑、重量轻。筛网由3层网组成，下面一层与振动帽接触的为托网，一般为钢丝绳芯聚氨酯网或大孔径钢丝网。上面一层与物料接触的为工作网，由两层不同孔径的筛网粘接在一起组成。此种筛网质量轻、开孔率高。托网的安装主要为纵向张紧在筛箱中单联与双联的筛箱复合网，为了解决双通道在筛网纵向安装时中隔板处侧密封的问题，将筛网横向张紧在筛箱中。

(2)机架。机架由左右两侧架、横梁与减振弹簧组成，为框架结构。

(3)给料箱。给料箱用于输送物料，使物料沿筛面均匀分布并充分筛分。依据给料箱的结构不同，其可以用不同的方式与筛箱联接。

(4)收料槽。收料槽用于收集每层筛箱筛分后的筛上和筛下物料，各层筛上料、筛下料分别汇集后导出。收料槽独立安装于筛下。

(5)瓦座减振组合。瓦座减振组合是筛箱与机架联接的主要部件，安装在筛箱两侧的支撑管梁上。瓦座减振组合1只起筛箱与机架之间的弹性联接，瓦座减振组合2将筛箱与机架弹性联接在一起，同时可以使用调节块调节筛箱的安装角度。

2 振动系统动力学分析

叠层电磁振动筛振动系统以橡胶主振弹簧和橡胶扭转弹簧的连接为分界，可分为振动部分M1(衔铁传力螺栓组件、传力连杆、橡胶铰链弹簧、振动杆、振动轴、振动臂和快装振动帽)和固定部分M2(筛箱及其机架、激振器壳体和电磁铁)两大部分。筛箱及机架通过隔振弹簧支撑于基础上，振动杆、振动轴、振动臂、快装振动帽以振动轴的轴心为转心做扭转运动。振动系统的数学模型如图3所示。

图3 振动系统的数学模型

由图3可知，这是2个自由度的受迫振动系统。由于M2远大于M1，所以M2的振幅要远小于M1的振幅，M2近似不动，微小的振幅通过隔振弹簧传给地基的动载荷较小，近似于整个系统的静载荷。适当地确定M1和M2之间主振弹簧的刚度，可以使系统的振动处于近共振状态，这样能够以较小的激振力来获得所需要的振幅，功率消耗也能够大大减少。将图3所示的2个自由度受迫振动系统的数学模型进行简化，可以将其转化为一个诱导质量M(即质量M1和质量M2的当量质量)的一个自由度的受迫振动系统，受迫振动系统的数学模型如图4所示。

图4 受迫振动系统的数学模型

由图4受迫振动系统的数学模型可以得到运动的微分方程见式(1)：

Mx″+fx′+kx=F(t)

(1)

f——为相对阻尼系数，N/(m·s-1)；

k——弹簧刚度，N/m；

F(t)——激振力，N；

x——位移，m。

其特解见式(2)：

x=λsin(ωzt-α)

(2)

式中：λ——M1与M2之间的相对振幅，m；

ωz——振动轴回转的角速度，rad/s；

t——时间，s；

α——相对位移与激振力之间的相位差，(°)。

叠层电磁振动筛中的激振力是经可控硅半波整流而产生的电磁力，具有周期性、不连续、非谐波形式的特点，周期为2π，电磁力由平均电磁力、一次谐波激振力以及二次谐波激振力3部分组成。激振力计算公式见式(3)：

(3)

式中：Fa——基本电磁力，N；

ω——电源角频率，rad/s；

t1——一次谐波激振力的时间，s；

t2——二次谐波激振力的时间，s。

将式(2)和式(3)代入式(1)进行求解可得：

(4)

式中：λ——M1与M2之间的相对振幅，m；

Z0——频率比，取0.9；

b——相对阻尼比，取0.05。

弹簧刚度为振动系统主振弹簧的刚度与振动轴上2个橡胶扭转弹簧的刚度之和，设计时已加以匹配。根据激振力进行电磁铁的设计计算，为了使激振器体积小型化，确定电磁铁的铁芯硅钢片型式为“山”型，结构紧凑，便于安装，计算磁极面积见式(5)：

(5)

式中：S——磁极面积，m2；

S′——一个气隙的磁极面积，m2；

Fmax——最大激振力，N；

B0——气隙磁密交流幅值，T。

由磁极面积确定铁芯尺寸，电磁线圈的匝数与线径计算见式(6)：

(6)

式中：W——线圈匝数，圈；

U——电源电压，V；

Boτ——铁芯磁密，T；

f——振动频率，Hz；。

采用可控硅半波整流间歇触发来设计控制装置，通过的电流计算见式(7)：

(7)

式中：I=——平均直流分量，A；

I0——基本电流，A；

γ——隙幅比；取值0.8

ε——力与位移夹角，(°)。

激振力所完成的有功功率计算见式(8)：

(8)

式中：V——电流电压有效值，取380 V；

I0——基本电流，A；

α——相位差角，(°)。

3 技术优势分析

3.1 关键技术及创新点

(1)多个筛箱单元叠层布置，可有效节省设备占地面积，增加物料处理量。

(2)可根据现场工况对各筛箱单元振幅、频率等振动参数单独调节，各筛箱单元也可独立工作。

(3)电磁激振器通过传动装置激振筛网，筛网处于近共振状态，且振幅较大，实现了低振动强度下的高效筛分。

(4)各个筛箱单元筛分产物的筛上和筛下出料各自汇集一起导出。

(5)采用数字控制筛分系统的控制装置，可对各种筛分系统工艺参数进行调节，实现远程集中控制。

(6)采用隔振及阻尼的协同效应，降低了筛机动载荷对基础的冲击，达到了最佳的减振效果。

3.2 与国外同类产品技术比较

在国内，叠层电磁振动筛并无同类产品；在国外，同类产品叠层直线振动筛在工作原理及关键技术上有较大不同。

(1)驱动装置。国外叠层筛分设备由筒式振动电机带动所有筛箱直线振动，功耗较大。而叠层电磁振动筛由电磁激振器驱动传动装置拖动多组振动机构激振筛网，工作中激振力可调，且易于控制。

(2)筛箱。国外叠层筛分设备的各层筛箱通过联接梁组成一个整体，而叠层电磁振动筛各层筛箱具有电磁激振器， 各层筛箱独立互不干涉，功耗低且筛网不易堵塞。

(3)筛箱与机架联接。国外叠层筛分设备在所有筛箱联接后，需要由多个橡胶剪切弹簧与机架进行联接，安装难度较大，并且减振后对地基也有一定的动载荷。而叠层电磁振动筛每层筛箱独立摆放在机架上，由橡胶块进行二次减振，安装容易，筛箱单元可独立进行角度调节，由于筛箱本身动载荷较小，因此对地基动载荷较小。

4 结语

叠层电磁振动筛具有占地面积小、处理能力大及筛分效率高等诸多优点，在选煤厂煤泥处理方面，可以较好地对煤泥进行细粒分级。在选矿厂的细筛再磨工艺中，也可以取代传统的分级设备，提高分级效率、改善分选效果；在建材、化工及环保等领域，也获得了广泛推广应用。