文海麗

（潞安集團(tuán)蒲縣常興煤業(yè)有限公司，山西臨汾 041207）

0 引言

隨著我國(guó)煤礦工業(yè)的快速發(fā)展，選煤機(jī)械逐漸向大型化。在選煤廠中臥式離心脫水機(jī)作為關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于0～50 mm級(jí)煤的脫水工作。相應(yīng)的客戶(hù)對(duì)精煤產(chǎn)品中含水量也提出了更高的要求，高效率、低成本、高可靠性的脫水設(shè)備市場(chǎng)需求越來(lái)越大，世界主要煤炭生產(chǎn)國(guó)都在積極研究地發(fā)展離心脫水機(jī)，并逐步取代原有的刮刀卸料離心機(jī)[1-2]。國(guó)內(nèi)大型選煤廠目前使用的離心脫水設(shè)備主要來(lái)自進(jìn)口，國(guó)外主要生產(chǎn)廠家有美國(guó)的SHARPLES公司、德國(guó)的DBT、KHD公司、法國(guó)的ALFALAVAL公司。國(guó)外臥式離心脫水設(shè)備處理能力大，水分控制在5%～9%，但其價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)離心脫水設(shè)備主要使用煤科院研制的WZL-100、WZL-1300型，但是故障率、可靠性始終存在問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)有的臥式振動(dòng)離心機(jī)均采用二次激振動(dòng)力的減振原理，可有效增加篩籃振幅，增強(qiáng)入料適應(yīng)性，減小振動(dòng)對(duì)地基的影響[3]。因此，研究二次激振動(dòng)力的減振原理以及其振動(dòng)特性，對(duì)提高設(shè)備整體性能具有重要指導(dǎo)意義。

1 振動(dòng)離心機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為臥式振動(dòng)離心機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其組成主要由主電動(dòng)機(jī)、大小皮帶輪、篩籃、旋轉(zhuǎn)主軸、軸承箱及軸承、橡膠彈簧、入料管等組成。臥式振動(dòng)離心機(jī)的工作過(guò)程主要由振動(dòng)卸料、離心脫水兩部分組成。工作過(guò)程中主電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)1，帶動(dòng)小皮帶輪2一起旋轉(zhuǎn)，小皮帶輪通過(guò)三角帶3帶動(dòng)大皮帶輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸5及篩籃一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)物料通過(guò)入料口15進(jìn)入篩籃底部后，物料隨著篩籃一起旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下將其中的水透過(guò)篩縫及料層甩向四周，最終通過(guò)離心液出口12將水分排出[4]。而脫水后的物料，在振動(dòng)電機(jī)10振動(dòng)力的作用下，料層分層均勻的向篩籃出口端移動(dòng)，通過(guò)機(jī)殼上產(chǎn)品出口14排出。

圖1 VM1400型臥式振動(dòng)離心機(jī)結(jié)構(gòu)

2 振動(dòng)離心機(jī)力學(xué)模型的建立

2.1 系統(tǒng)振動(dòng)模型建立

根據(jù)振動(dòng)離心機(jī)工作原理，建立如圖2所示的力學(xué)模型，m1為主要由入料管、機(jī)殼及振動(dòng)電機(jī)等質(zhì)量；m2為主要由軸承箱、軸承、篩籃、旋轉(zhuǎn)主軸等質(zhì)量；K1為橡膠彈簧剛度；K2為剪切彈簧剛度；F為作用在m1上的激振力，其振動(dòng)系統(tǒng)的微分方程如下：

圖2 VM1400型臥式振動(dòng)離心機(jī)力學(xué)模型

通過(guò)上式兩端取拉普拉斯變化求解其頻率響應(yīng)函數(shù)：

得出傳遞函數(shù)如下：

將s=jω代入上述傳遞函數(shù)可知頻率響應(yīng)函數(shù)如下：

2.2 系統(tǒng)振動(dòng)原理

當(dāng)主動(dòng)電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)振動(dòng)電機(jī)，振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生軸向簡(jiǎn)諧振動(dòng)作用在質(zhì)體m1上，此簡(jiǎn)諧作用力通過(guò)中間剪切橡膠彈簧傳遞給質(zhì)體m2，在設(shè)計(jì)計(jì)算中，選取m2質(zhì)體的固有頻率要接近振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的激振頻率，這樣就能保證m2通過(guò)中間剪切橡膠彈簧傳遞給m1的力與m1上的激振力相互平衡。m1受到振動(dòng)電機(jī)的激振力大部分被m2吸收，質(zhì)體m1表現(xiàn)為靜止?fàn)顟B(tài)，不收激振力影響，同時(shí)m2受到較大激振力，所以理論上m1對(duì)地基不產(chǎn)生激振力。與單級(jí)振動(dòng)離心機(jī)相比較其基本原理相同，不同之處主要在于二級(jí)振動(dòng)離心機(jī)振動(dòng)部分分為質(zhì)體m1和質(zhì)體m2，兩質(zhì)體之間通過(guò)中間剪切橡膠彈簧和預(yù)壓銷(xiāo)連接在一起。工作過(guò)程中m1質(zhì)體通過(guò)振動(dòng)電機(jī)使得m2質(zhì)體作軸向振動(dòng)，而m1與m2質(zhì)體間想過(guò)作用最終可使m1產(chǎn)生非常微小振動(dòng)，從而極大降低強(qiáng)振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，減少系統(tǒng)對(duì)材料性能要求，但同時(shí)二次激振離心機(jī)的安裝和維修相對(duì)單級(jí)離心機(jī)較為復(fù)雜[5-6]。

圖3 m1幅頻特性曲線

3 系統(tǒng)仿真分析

該離心脫水機(jī)m1=4 400 kg，m2=1 785 kg，k1=1.33×108N/m，k2=3.83×107N/m，振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=1 400 r/min，將各參數(shù)代入上式后，通過(guò)Matlab進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真，得出質(zhì)量m1、m2幅頻特性曲線如圖3、4所示。從圖可知建立的振動(dòng)模型中出現(xiàn)兩個(gè)共振頻率，約在120 Hz左右出現(xiàn)同相位共振，在210 Hz左右出現(xiàn)反相位共振；約在150 Hz左右質(zhì)體m1振幅為0，只有m2振動(dòng)，通常將新系統(tǒng)中出現(xiàn)的振幅為0的現(xiàn)象稱(chēng)之為反共振。

圖4 m2幅頻特性曲線

為了進(jìn)一步研究反共振現(xiàn)象中系統(tǒng)的振動(dòng)情況，對(duì)系統(tǒng)中兩質(zhì)體m1、m2求相對(duì)位移量，即 || X1(ω)|- | X2(ω)| |，

計(jì)算結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出在150 Hz左右系統(tǒng)的相對(duì)位移比較小，與兩個(gè)不同共振點(diǎn)相比較，中間彈簧的壓縮量大幅減小，可以有效的延長(zhǎng)彈簧的使用壽命。

圖5 反共振離心機(jī)相對(duì)位移與頻率的關(guān)系曲線圖

圖6 ω1與隔振彈簧剛度k1的關(guān)系曲線圖

設(shè)備生產(chǎn)制造過(guò)程中，在滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的前提下，設(shè)備質(zhì)量越小，其綜合成本越低。通過(guò)上述分析可知質(zhì)體m1、m2質(zhì)量一定時(shí)，如果所選用的激勵(lì)電機(jī)型號(hào)及頻率選定后，剪切彈簧剛度K2隨之確定，那么只能通過(guò)改變橡膠彈簧剛度K1來(lái)調(diào)整系統(tǒng)幅頻特性，從而滿(mǎn)足某些工藝要求[7-8]。

由式子：

得出固有頻率與隔振彈簧的關(guān)系如圖6、7所示。從圖可以看出，隨著隔振彈簧剛度k1的增大，固有頻率都隨著增加，但是ω2開(kāi)始時(shí)增加很快，但隨后逐漸平緩接近穩(wěn)定值，在ω2=146 Hz左右為漸近線；但是ω1隨著k1的增大逐漸增大，k1趨于無(wú)限大時(shí)，就相當(dāng)于質(zhì)體m1與基礎(chǔ)剛性連接。

圖7 ω2與隔振彈簧剛度k1的關(guān)系曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)臥式離心脫水機(jī)的工作原理和振動(dòng)原理的研究分析，得出了離心脫水機(jī)兩部分質(zhì)體的幅頻特性曲線，以及固有頻率與隔振彈簧剛度之間變化規(guī)律曲線，分析可知建立的振動(dòng)模型中出現(xiàn)兩個(gè)共振頻率，一處為120 Hz左右出現(xiàn)同相位共振，另一處為210 Hz左右出現(xiàn)反相位共振，并且系統(tǒng)在反共振現(xiàn)象時(shí)，質(zhì)體m1振幅很小，但是二級(jí)振動(dòng)的振幅很大，有效的提高了離心機(jī)的處理能力，同時(shí)減少了對(duì)地基及周?chē)h(huán)境的不良影響。但是二次激振的臥式離心機(jī)在維修及型號(hào)大小上都存在不少問(wèn)題，實(shí)際生產(chǎn)中仍然無(wú)法滿(mǎn)足大型選煤廠的要求，因此研究其振動(dòng)原理就為設(shè)計(jì)及制造提供理論依據(jù)，對(duì)提高振動(dòng)離心機(jī)的整機(jī)性能起到重要作用。