动筛跳汰机床面运动曲线的研究.docx

文章编号 :0253 - 9993 (2000) 06 - 0649 - 06动筛跳汰机床面运动曲线的研究陈建中( 煤炭科学研究总院 唐山分院 , 河北 唐山 063012)摘 要 : 根据动筛跳汰分选过程的特点 , 分析了动筛下降期颗粒沉降规律 , 讨论了机械驱动装置产生的正弦速度曲线和液压驱动装置产生的梯形速度曲线特征 , 推导了床面纵向各点动力学参数 变化规律 , 提出了床面各点上颗粒脱离筛面实现床层松散的通用条件 , 计算了两种床面运动曲线 下不同密度颗粒在床层不同位置的脱离点. 发现梯形波曲线驱动时筛面各点加速度远大于高密度颗粒沉降加速度 , 筛面各点物料均能脱离筛面 , 床层有足够的松散空间和时间且移动速度快 、处理量大 、分选精度高 、适应性强 ; 正弦曲线驱动时 , 在选煤工艺要求的频率 、振幅条件下 , 排料 端的高密度颗粒难以完全脱离筛面或脱离床面的时间短 , 矸石层的移动只能靠纵向压力梯度 , 移动速度慢 , 通过量仅为梯形波曲线的 1/ 21/ 3 , 导致处理量小 , 而在相同处理量时分选精度低 ,矸石带煤量较高.关键词 : 选煤 ; 动筛跳汰机 ; 动筛机构 ; 驱动曲线中图分类号 : td922 + 11文献标识码 : a动筛跳汰机工作过程动筛跳汰选煤不用顶水和冲水 , 不用压缩空气 , 而是靠动筛机构的上下运动带动床层周期性地松散 , 使颗粒实现按密度分层. 在动筛机构上升阶段 , 床层被筛板整体托起 , 颗粒之间大部分不能交换位置 , 但 由于在上升阶段水流相对于床层作向下运动 , 它一方面使床层变得愈来愈紧密 , 另一方面介质阻力使得相 对小的颗粒穿过相对大的颗粒缝隙继续向下运动. 随着上升过程的继续进行 , 能穿过缝隙向下运动的颗粒 变小 , 这种作用类似于定筛跳汰机下降期的吸啜作用.动筛机构上升到最高点后转入下降期. 下降初期 , 在一定条件下 , 床层完全脱离筛面 , 呈悬浮松散状 态 , 颗粒在水介质中沉降. 由于颗粒受到重力 、阻力及其它力的综合作用 , 高密度颗粒向下层运动 , 低密 度颗粒相对向上层运动. 物料经多个周期分选后 , 低密度颗粒在上层 , 高密度颗粒在下层 , 最后经产品分 离装置分割后成精煤和矸石 , 透过筛板的颗粒成为透筛物.1颗粒在水介质中的沉降特性分析颗粒脱离筛面后 , 在水介质中沉降 , 颗粒的运动微分方程12(假定颗粒向下运动方向为正) 为m d v( 1)= g0 - pac + r ac -r ,d t式中 , m 为颗粒的质量 , g ; g0 为颗粒在介质中的重力 , n ; pac为加速运动的介质流对颗粒的附加推力 ,n ; r ac为介质的加速度惯性阻力 , n ; r 为颗粒与水因相对运动而引起的介质阻力 , n .由式 (1) 导出的颗粒在水介质中的沉降时间 、沉降速度 、沉降加速度 、沉降距离分别为收稿日期 : 2000 - 01 - 13650煤炭学报2000 年第 25 卷e2t/ v hs - ( + ) v hsv hs + v1t =2 ( - ) g ln, v=v hs ,e2t/ v hs + 1v hs - v= 4e2t/ v hse2t/ v hs + 1 2 ,a( 2)2e2t/ v hs + e - 2t/ v hsv hsh = ln,2g/ (+) ; , 分别为颗粒密度和介质密度 , g/ cm3 ; g 为重力加速度 , cm/ s2 ; vcm/ s ; v hs为颗粒干涉沉降速度.式中 , = (- )为颗粒的运动速度 ,上述表达式导出了颗粒在脱离筛面后加速期的速度 、加速度及达到干涉沉降末速经过的距离. 动筛跳汰机分选的典型颗粒 (如小颗粒精煤 、中等粒度中煤及大颗粒矸石) 在加速期的沉降速度 、加速度及行经 距离的变化规律如图 1 所示. 由图 1 可知 , 颗粒在加速沉降期 , 密度从低到高 , 颗粒的加速度 、速度 、行经距离逐渐加大.图 1 典型颗粒加速沉降期行经距离 、速度及加速度变化规律fig11 the change of t he set tling distance , t he set tling speeds and t he acceleratio ns of typical particles changes wit h times(a) 行经距离 ; 13 大块矸石 、中块中煤 、小块精煤 ; ( b) 沉降速度 ; (c) 沉降加速度 ; 13 矸石 、中煤 、精煤3动筛机构床面运动规律动筛机构的运动规律由其驱动装置决定. 驱动装置产生的运动曲线必须适应床层颗粒的分层规律.工业上使用的驱动装置有液压驱动源和机械驱动源. 不同的驱动源有不同的运动学特性 , 产生不同的分选效果.311机械驱动床面运动规律当动筛机构由机械装置驱动时 , 动筛机构速度曲线是作正弦或改良正弦曲线.构作正弦运动 , 偏心轮的偏心距为 r , 则动筛机构运动速度和加速度分别为v = rsint , a = r2co st ,式中 , 为机械驱动曲柄摆杆机构或凸轮机构转动角速度 , rad/ s , = 2n / 60 ;机构或凸轮机构转动速度 , r/ min .为便于分析 , 设动筛机( 3)n 为机械驱动曲柄摆杆动筛机构入料端位移或振幅 h =v d t =rsint = - rco st + k . 当 t = 0 时 , 动筛机构处于最低位置 , h = 0 , 则 k = r , 代入上式得h = r ( 1 - co s t ) .( 4)从式 (3) , ( 4) 可看出 , 动筛机构入料端的运动学参数是 r 和的函数 , 速度与偏心距 r 和转动角速度 成正比 , 加速度与偏心距 r 和转动角速度 的平方成正比 , 最大振幅是偏心距的 2 倍. 运动学参数 之间有内在联系 , 偏心距 r 增加 , 振幅 、速度 、加速度随之增加 ; 越大 , 速度和加速度越大. 当 r = 20 cm , n = 50 r/ min 时 , 由式 (3) , (4) 绘制的运动曲线如图 2 所示. 此时入料端最大振幅 、速度及加速度 分别为 40 cm , 104172 cm/ s , 54813 cm/ s2 . 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 第 6 期陈建中 : 动筛跳汰机床面运动曲线的研究651312液压驱动床面运动规律液压驱动式动筛跳汰机动筛机构的运动规律与液压系统流 程 、关键元件的结构有关. 用高速录像对 td 系列动筛跳汰机 的液压缸活塞杆运动规律进行了测量 , 结果见图 3 .由图 3 可知 :(1) h - t 位移曲线和 a - t 加速度曲线属锯齿形曲线 , v- t 速度曲线属梯形曲线.(2) 动筛机构运动的每个周期可分为 4 个阶段. 上升阶图 2正弦运动动筛机构的位移 、速度和加速度曲线 (动筛入料端)the curves of displacement , speeds and段 :段 :刻.2 g ,该阶段初期为加速运动 , 然后转为匀速运动 ; 上换向阶此阶段从动筛减速迅速停止并立即转入下降阶段的短暂时 此阶段的负加速度较大 , 它与上升速度成正比 , 最大可达时间约 01016 7 s ; 下降阶段 : 这个阶段初期约有 0105 sfig12acceleratio ns of a sine movement screenmoving mechanism的加速期 , 然后作近似匀速运动 ; 下换向阶段 : 即从动筛开始减速到下个周期开始 , 时间约 0105 s.(3) 从 许 多 实 测 数 据 看 , 在 不 同 的 周 期 曲 线 中 , 上 、 下换向阶段所需的时间差别不大 , 所以决定位移曲线形状的主参数是 : 位移 、上升时间 t 1 、下降时间 t 3 . 只需改变 这 3 个参数中的任何一个 , 就能改变位移曲线的形状. 如 保持 t 1 , t 3 不变 , 增 ( 减) 位移 , 则必须同时增 ( 减) 上升和下降速度 ,曲线变尖 ( 秃) , 此时频率不变 ; 保持 t 1t 3 , 则必须同时减 ( 增) 下降速度 , 曲线不变 , 增右侧变缓( 减)图 3 液压驱动式动筛跳汰机动筛机构运动曲线fig13 the movement curves of t he hydraulic driving screen moving mechanism( 陡) , 频率随之减 ( 增) ; 保持位移 、 t 3 不变 ,增 ( 减) t 1 , 曲线左侧变缓或陡 , 频率随之减增. 这 3 个参数在一定范围内取值 , 根据需要调整 、组合 , 可产生对 称或非对称锯齿形曲线.(4) 当油缸冲程为 20 cm , n = 50 次/ min 时 , 上升 、下 降速度分别为 33 , 51 cm/ s , 上换向加速度为 1 600 cm/ s2 . 通过调整上升速度 , 可使上换向加速度达 2 000 cm/ s2 .313动筛筛面纵向各点运动规律分析新型动筛跳汰机采用单端驱动 、动筛跳汰机构绕另一 端的固定轴 o 点作上下运动的结构形式 ( 见图 4) . 所以 o点处振幅为零. 物料从c , c点排出.a 端给入 , 矸石 、轻 产 品 分 别 由图 4 动筛跳汰机fig14 the movable2bed jig设动筛从 a 点运动到 a 点 , 振幅为 d ha , 则动筛各点均绕 o 点转过了角 , 对筛面上任一点有d ha / r a = d h x / r x , 式中 , d ha , d h x 分别为入料端 a 点 、筛面上任意点 x 的振幅 , 径 ( r c r x r a ) , m.由式 (5) 可得( 5)m ; r a , r x 分别为 a 点 、 x 点的回转半 r xd h x = d ha .( 6)ra式 (6) 两边同除以 d t ( d t 为筛面从 a 点升到 a 点的时间) , 得 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 652煤炭学报2000 年第 25 卷d h x r x d ha=.( 7)d trd ta式 (7) 两边同除以 d t , 得d h x r x d ha( 8)=d2 t .d2 trad had h xd had h x2式中 , d t 分别为筛面 a ,x 点的速度 , m/ s ;,分别为筛面 a ,d2 tx 点的加速度 , m/ s .d2 td t式 (6) (8) 说明 : 当r x 不等于 r a 时 , x 点的运动学参数 ( 振幅 、速度 、加速度) 小于 a 点的运动学参数 ; x 点的运动学参数正比于 a 点的运动学参数 , 比例因子为 r x / r a 1 ( 0 r x r a ) .因此筛面沿纵向各点运动学参数是线性变化的 , 从入料端向排料端逐渐减小.4床层颗粒脱离筛面的条件当动筛机构下降加速度大于大颗粒 、高密度颗粒的沉降加速度时 , 床层完全脱离筛面 , 呈悬浮松散状态 , 颗粒实现按密度分层.由于筛面纵向各点运动学参数是线性变化的 , 越靠近排料端运动学参数越小. 因此 , 动筛驱动装置的 运动不仅要使入料端床层完全脱离筛面 , 而且要保证排料端大块矸石脱离筛面 , 即满足d ha d h cd vd t d t d t .( 9)式 (9) 是筛面各点均能脱离筛面的条件. 根据式 (9) 分析在液压与机械两种驱动方式情况下 , 动筛跳汰床层中纵向各点颗粒脱离筛面的情况. 设 a , b , c 分别为筛面的入料端 、中部 、排料端 ; 跳汰频 率 : 液压 50 次/ min , 机械 55 次/ min ; 入料端振幅 : 液压 21 cm , 机械 40 cm. 根据式 (3) , (8) , 算出动筛机构上升到最高位置开始下降的瞬间各点加速度 , 根据式 ( 2) 算出不同密度颗粒的沉降初加速度 , 见 表 1 . 由表 1 说明 :表 1 动筛床层纵向各点颗粒脱离筛面的情况ta ble 1 the state of every point particlesleaving the screen2plate in the mova ble2bed jig bed longitudinal direction不同位置筛面下降加速度/ cms - 2颗粒沉降加速度/ cms - 2密度/ gcm - 3动筛运动速度曲线ab( b + c) / 2cab( b + c)/ 2c118211215正弦曲线梯形曲线6631 6005121 2364371 055362873341415490341415490341415490341415490(1)(2) (3)梯形曲线各点下降初期加速度是正弦曲线的 2141 倍 ;通过调整上升速度可改变上换向加速度.梯形曲线各点下降初期加速度大于高密度矸石沉降的初加速度 , 满足式 (9) .机械驱动时 , 可保证 a 点加速度大于高密度矸石沉降的初加速度 ; 由于动力学参数沿筛面纵向线性递减 , 最高密度的颗粒过中部后就不能脱离筛面 , 到了排料端 , 甚至中间密度的颗粒也不能悬浮 , 造成排料区失去精选作用 , 矸石中带煤量增加 , 同时床层移动速度减慢 , 床层向前运动只能靠纵向压力梯 度.(4) 机械驱动时 , 频率或振幅越低 , 能悬浮的密度越低 , 脱离点越靠近入料端 , 因此 , 在低频或低振 幅时 , 物料通过能力很低 , 分选效果差 , 甚至不能工作.(5) 机械驱动时 , 可通过增加频率或振幅提高加速度. 工艺要求的运动学特性与设备的可靠性是一对 矛盾 , 在设备可靠性能满足生产要求的前提下 , 可能出现排料端物料不能脱离筛面或脱离筛面的时间很 短. 加大振幅带来的负面效应是震动 、磨损 、维修量加大 , 同时颗粒按密度分层效果减弱 , 粒度及形状影响加大 , 分选效果变差. 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 第 6 期陈建中 : 动筛跳汰机床面运动曲线的研究6535 不同驱动曲线的分选效果两种驱动曲线的动筛跳汰机工业性试验结果见表 2 2 ,3 ,3 .表 2 不同驱动曲线的分选效果ta ble 2 separate eff ects of diff erent moving curves筛板角度/ ()处理量/ t h - 1动筛跳汰机型号驱动曲线形式分选不完善度分选粒度/ mmtd14/ 215td16/ 312gtd14/ 215液压 , 梯形曲线液压 , 梯形曲线 机械 , 改良正弦曲线5715排料端 715 , 1089145150250456001078011040107801093150253002510025从表 2 可以看出 , 当为改良正弦曲线时 , 尽管提高了排料端的筛板角度 , 企图加快床层移动速度 , 但其单位面积通过能力只能达到 1824 t / h , 这正是由于排料端的高密度矸石层在下降期未能脱离筛面或脱 离筛面的时间过短 , 床层不能松散或松散的空间和时间过小 , 高密度颗粒在筛面上不能移动或移动速度很慢 , 使通过能力无法提高 ; 另一方面 , 误入到高密度层的精煤颗粒难以浮起进入精煤层 , 造成精煤在矸石中的损失. 因此 , 改良正弦曲线 , 通过能力小 ; 在处理量相同的条件下 , 分选精度又低. 如果入料上限提 高 , 入选粒级加宽 , 通过能力和分选精度会进一步下降.液压驱动动筛跳汰机产生的梯形波速度曲线 , 在上换向时 , 在极短的时间内完成减速和加速过程 , 产生很高的加速度 , 远大于大块矸石干涉沉降的初加速度 , 床层纵向各点均能脱离筛面 , 有足够长的松散时 间和适度的松散空间 , 使床层颗粒在垂直方向能分层 , 在水平方向能以一定速度移动. 因此 , 单位面积处 理能力为 3658 t / h , 是改良正弦曲线的 2 倍以上 , 而通过能力还要大得多 , 分选上限高 , 分选粒级宽.结论6动筛机构床面运动曲线的形式是影响分选性能的最重要因素之一. 机械驱动产生的正弦曲线或改良正弦曲线 , 其最大加速度与驱动源的角速度的平方成正比 , 与偏心距成正比. 在满足选煤工艺要求的参数 下 , 难以保证床层纵向各点的加速度均大于颗粒沉降加速度 , 在排料端附近高密度颗粒难以脱离筛面. 角 速度或偏心距越小 , 颗粒脱离点越靠近入料端 , 矸石层移动只能靠纵向压力梯度 , 移动速度慢 , 通过量 小 , 误入矸石层的低密度颗粒难以回到上层 , 造成矸石带煤多. 参数调节范围小 , 对原料性质变化的适应性差. 液压驱动产生的梯形波速度曲线 , 在换向阶段有很高的加速度 , 在变幅 、变速的筛面上各点加速度 大于该点处颗粒沉降加速度 , 床层能完全脱离筛面 , 使颗粒有足够的空间和时间松散 , 实现按密度分层创 造条件 , 每个周期内水平移动距离长 , 处理量大 , 是机械驱动的 2 倍以上 , 分选精度高 , 矸石带煤量少. 可在线调整操作参数 , 使曲线形态适应各种物料分选要求.参考文献 :123孙玉波. 重力选矿 m .北京 : 冶金工业出版社 , 1982 .煤炭科学研究总院唐山分院. 动筛跳汰机的研制和工业性试验 j . 选煤技术 , 1990 (3) : 1721 .陈建中 , 齐连锁 , 董振华 , 等. td16/ 312 动筛跳汰机研制与应用 j . 选煤技术 , 1997 (5) : 36 .作者简介 :陈建中 (1957 - ) , 男 , 江苏扬州人 , 研究员. 1982 年毕业于中国矿业学院选煤专业 , 一直从事选煤工艺与设备的研究工作 , 先后主持完成国家攻关 、部重点课题等 10 项 , 获部级科技进步奖 4 项. 发表论文 20 余篇.3 沈阳煤炭研究所. gd t14/ 215 动筛跳汰机设计与研究报告. 1995 . 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 654煤炭学报2000 年第 25 卷study on movement curve of bed in mova ble2bed j igch en j ian2zho ng( t a n gsha n b ra nch , chi na coal resea rch i nst i t ute , t a n gsha n 063012 , chi na)abstract : acco rding to characteristics of separatio n p rocess of movable2bed jig , analysis and st udy are made o nit s following aspect s : law of particles set tlement during t he suctio n st ro ke ; characteristics of t he sine velocity curve and t rapezoidal speed curve p ro duced respectively by mechanical and hydraulic driving unit s ; and t he vari2 atio n law of dynamic parameters at individual point s of t he bed in t he lo ngit udinal directio n . the aut ho r also p ropo ses in t he paper : t he general co nditio ns fo r t he particles at different point s of bed to leave t he screen2plate fo r loo sening t he bed ; and t he met ho d fo r calculating t he point s at w hich t he particles wit h different densities at different po sitio ns of t he bed to leave t he screen2plate . it has been fo und t hat , wit h t he t rapezoidal2curve driv2 ing unit , t he acceleratio n of particles at different bed point s is f ar greater t han t he set tling acceleratio n of t he high2densit y particles , making it po ssible fo r all t he particles at different bed point s to go up ward f ro m t he screen2plate . this p rovides t herefo re ample space and time fo r t he jig bed to beco me mo bile . because of t he f aster motio n speed of bed , t he jig has , in t his case , a higher capacit y , separating accuracy and adap tabili2 ty . whereas wit h t he sine2curve driving unit , under t he specified f requency and amplit ude co nditio ns as re2 quired by t he separating p rocess , t he high2densit y particles at t he discharge end f ail to go up ward and t he ref use layer is allowed to move o nly under t he effect of p ressure gradient in t he lo ngit udinal directio n . due to slow bedmotio n , t he t hro ughp ut is fo und to be o nly 1/ 21/ 3 of t hat in t he fo r mer case , re