（机械工程专业论文）棒条筛片结构设计方法研究.pdf

捅要 摘要 在大量查阅资料的基础上，阐述了国内外筛分机械的发展和应用情况，分析了 国内筛分机械的现状、存在的问题和发展趋势。 文中简要介绍了筛分工艺的基本原理及物料在筛面上的最佳运动情况，分析了 影响筛分效率和筛面寿命的主要因素，建立了单根棒条有载振动的力学模型并给出 其振动方程。针对包钢炼铁厂烧结矿棒条筛存在的主要问题和具体结构，采用有限 元法研究了棒条在工作时的应力和应变分布情况，为进一步优化和改进结构提供了 方向和途径。 此外，文中对悬臂棒条在基础位移激励下的强迫振动形态进行了较深入的分析， 得到了一些很有启发性和实用价值的结果。在此基础上，总结出基于充分发挥棒条 二次振动效果的筛面设计方法，为合理设计棒条尺寸提供了指导。 按文中所述方法设计的棒条筛片在包钢炼铁厂使用已经超过三个月，创造了包 钢铁厂烧结矿筛分的最高效率。其性能稳定，维护方便，经济效益具大，具有推广 价值。 文中还讨论了数值模拟技术在工程中的应用状况，展示了a n s y s 程序瞬态结 构动力学分析的步骤和方法，为类似问题的解决提供了借鉴。 关键词棒条筛片：结构设计；力学模型：有限元法 北京工业大学工程硕士学位论文 詈m mi o 一一 一 ! i i i i 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼! 曼曼量量曼量! 曼曼 o nt h eb a s eo fl o o k i n gu pam a s so fl i t e r a t u r e s ，t h ed e s s e r t a t i o ne l a b o r a t et h ed e v e l o p m e n t h i s t o r ya n dt h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fi n t e r n a la n de x t e r n a ls c r e e n i n gm a c h i n e ，p o i n t i n go u tt h e d o m e s t i c s e r e e n i n gm a c h i n e ss t a t e - o f - a r t se x i s t e dp r o b l e ma n df u t u r ed i r e c t i o n t h ed e s s e r t a t i o nb r i e f l yi n t r o d u c e st h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e $ c r e e ! l la n dt h eb e s t m o v i n gs t y l eo fm a t e r i a lo i l $ c t e e i li n d e t a i l a tt h es a m et i m e ，t h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c e e f f i c i e n c ya n dl o n g e v i t y o ft h es c r e e na r ca n a l y z e d b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h em e c h a n i c s m o d e lo fs i n g l es c r e e nb a rw a sb u i l ta n dt h ev i b r a t i o ne q u a t i o no fs i n g l eb a rw a so b t a i n e d a i m i n ga tt h es p e c i f i cs l a u c t u r eo f b a rs c r e e na n dt h em a i np r o b l e mu s e di nb a o t o us t e e lc o r p ， t h es t r a i na n ds t r e s sf i e l dd i s t r i b u t i o no fs c t e e l lb a ri ss i m u l a t e db yu s i n gf i n i t ed e m e n t m e t h o d a si t , r e s u l t ，au s e f u lg u i d a n c ef o rf 1 t r t h e ro p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n to ft h es c r e e n s t r u c t u r ei ss u g g e s t e d i na d d i t i o n , t h ed e s s e r t a t i o nd e e p l ya n a l y z e dc a n t i l e v e rb a r sf o r c e dv i b r a t i o nf o r me x c i t a t e d b ym o v i n gf u n d a m e n td i s p l a c e m e n ta n dg o ts o m e r e s u l t sw h i c hh a v e i n s p i r a t i o na n du d l i t y t h e na k i n do fs c r e e nd e s i g nm e t h o dw h i c hf u l l ye x e r t sb a r ss e c o n d a r yv i b r a t i n ge f f e c tw i t ss u m m a r i z e d t h em e t h o dc a r lb eu s e dt od e s i g nt h er e a s o n a b l es i z eo ft h eb a r t h ec a n t i l e v e rs c r e e nd e s i g n e db yt h ep r e s e n tm e t h o di nt h ed e s s e r t a t i o nh a sb e e nu s e dm o r e t h a nt h r e em o n t h si nt h ei r o n - m a k i n gp l a n to fb a o t o us t e e lc o r p ，a n dt h em a x i m u mp r o d u c t i o n e f f i c i e n c yh a sb e e nm a d e i t sp e r f o r m a n c ei ss t a b l e , m a i n t e n a n c ei sc o n v e n i e n ta n dt h ee c o n o m i c b e n e f i ti sg r e a t i ti sv a l u a b l et ot h ep o p u l a r i t y t h ed e s s e r t a t i o ni n l r o d u c e st h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a n dd e s c r i b e st h ea n a l y t i c a ls t e pa n dm e t h o df o rt r a n s i e n td y n a m i c so f b a s e do na n s y ss o i l - w a r e i ti sh e l p f u lt os o l v et h es i m i l a rp r o b l e m k e y w o r d sc a n t i l e v e r $ c r e e l ls u r f a c e ；s t r u c t u r a ld e s i g n ；m e c h a n i c a lm o d e l ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垫烂隰砬丛丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垄憋导师签名： 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 在农业、冶金、矿山、建筑等生产中，需要对于散性物料按粒度要求进行分 级，这项工作称为筛分【1 1 。筛分所用的机械就叫筛分机械。根据筛分机械的运动特 征进行分类【2 】【3 1 可分为直线运动筛、平面曲线( 平面圆、椭圆、复杂曲线) 运动 筛、空间曲线运动筛和固定筛。 振动筛是工矿企业应用最多的筛分机械，它是利用振动的多孔工作面，将颗粒 大小不同的混合物料按粒度进行分级的机械。振动筛也常用于【4 1 物料的脱水，脱介 及清洗物料表面的污泥。 振动筛是高炉槽下物料筛分的关键设备【5 l ，它的可靠与否直接关系到高炉能否 正常生产，可以说是高炉生产的咽喉。对槽下振动筛性能的基本要求是：耐磨性能 好，筛分效率高，维护方便、噪音低等，但目前包钢炼铁厂使用的梳齿式振动筛存 在以下几方面的问题【6 j ： ( 1 ) 筛孔结构不合理，因梳齿筛孔为下大上小，长度在3 0 - - 5 0 r a m 的三角 孔，虽然开孔最大宽度为5 m m ，但烧结矿不规则的外形使大于5 m m 的片状也落入 筛下，进入返矿，增加了返矿中大于5 m m 颗粒的比例。 ( 2 ) 原梳齿筛板倾角较小，在处理相同数量的物料时流速较低，料层较厚， 物料与筛面的有效接触机率不高，有时甚至无法接触到筛面就进入高炉，因而使入 炉矿中小于5 m m 的粉末较多，筛分效率不高。 ( 3 ) 梳齿筛网的结构特点使物料易卡在梳齿孔中，造成有效筛分面积下降， 严重时堵塞面积达5 0 ，这也是导致筛分效率降低的重要原因。 ( 4 ) 梳齿筛为双层，下层更换较困难。 ( 5 ) 梳齿筛随使用时间的延长筛孔磨大，入炉粉末和返矿率都随使用时间而升 高。 ( 6 ) 筛分过程中，由于物料的摩擦滑动，导致梳齿尖部易于磨损，一般严重 部位仅3 - 4 个月即报废而更换。频繁的停工维修，高额的筛网配件费，给企业造 成严重的生产与经济负担。 为了克服梳齿式振动筛的一些缺点，现场最近使用一种新型棒条筛片7 】【8 】。 振动棒条筛是一种装有弹性棒条筛面的振动筛，属于近似筛分设备。其基本工作原 理与普通振动筛相同。不同之处在于：棒条筛面的筛孔呈长缝形，这减少了物料前 北京工业大学工程硕士学位论文 进的阻力，有助于提高物料流速，使料层减薄；开孔率提高1 0 以上，减少了颗粒 透筛的阻力和潮湿物料粘附的机会；棒条筛面沿筛场方向“阶梯状”布置，物料通 过阶梯时跌落有助于加速物料分层过程；筛面由悬臂弹簧钢圆杆组合而成，圆杆尾 部通过弹性材料固定在横梁上，悬臂端在筛箱振动与物料冲击下产生二次振动，由 此产生防堵效果和对物料更强烈的松散作用；筛面倾角较大，物料运动以小幅跳 动为主，流动速度加快，料层减薄，筛分效果较好；由于筛网棒条采用弹簧制作， 与梳齿筛网相比强度较高，提高了使用寿命，节约了运行费用，减轻了工人的劳动 强度。棒条筛具有结构简单、处理量大、筛孔不易堵塞等优点，尤其适合于处理干 性物料，目前在其它生产现场广泛使用 9 1 。若能把这种筛分机用于烧结矿筛分，会 产生巨大经济效益。 ： 棒条筛主要有以下优点 i o l ： ( 1 ) 应用呈阶梯形布置的弹性棒条筛面，开孔率高，物料流速快，料层薄， 棒条筛面在参与主机振动的同时，产生二次振动，可基本解决筛面堵塞问题。 ( 2 ) 处理能力大( 是普通振动筛的2 3 倍) ，分级下限低呵达6 r a m ) 。 ( 3 ) 维护检修方便。 ( 4 ) 电机通过轮胎联轴器驱动振动器，结构简单，维护方便。 ( 5 ) 采用偏心块单元体振动器，振动器安装在筛帮，受力状况好。 ( 6 ) 采用新型的隔离降噪和阻尼降噪技术，在基本不增加生产成本的条件 下，使整机工作噪声轻松地控制在8 5 d b 以内。 ( 7 ) 通用化程度高，可简便地转换为普通圆振动分级筛，并且圆振动筛和直 线振动筛的振动器通用。 棒条筛采用棒条缝面作为筛子的工作表面是该筛区别于普通振动筛的主要特 点，棒条筛面这一独特的设计是该筛机被众多工矿企业所认同的关键。 然而，由于自身结构的特点，实际使用中还存在一些问题，在一定程度上影响 了其优越性的发挥。主要表现在【1 1 1 1 1 2 1 1 ”】： ( 1 ) 由于振动棒条一端安装在固定梁上，另一端悬臂，所以弹簧钢棒条二次 振动时在其根部产生交变弯曲应力，容易产生疲劳断裂，增加了维修工作量； ( 2 ) 由于棒条动力学和结构参数的制约，当料层太厚时，棒条二次振动不充 分，达不到自清理的目的，高质量筛分的性能和节能的优越性也得不到充分发挥； ( 3 ) 振动筛轴承寿命普遍偏低的问题也待解决。 ( 4 ) 现场的筛机是以成品方式购入的，对于给定筛机( 筛面) 和被筛分物料 之间的偶合作用，缺乏有针对性的系统研究，因而其工作参数匹配( 料厚、振幅、 工作频率、安装倾角等) 可能不是最佳的，影响到筛机的性能。 一2 一 第1 章绪论 虽然目前已有一些厂家在生产棒条振动筛，并有系列化产品，但在理论研究和 结构优化等方面做的工作还比较薄弱。为了充分发挥棒条筛的优点，进一步提高筛 机的筛分效率和筛网的使用寿命，有必要从理论和实践方面开展系统研究，找出最 佳的工艺和结构参数。这对于提高筛分质量，节约能源，保证高炉连续生产，降低 生产成本，减轻工人劳动强度等具有重要意义。 本课题研究的目的就是要在研究棒条振动规律的基础上，结合筛分工艺的要求 和现场生产实际，优化棒条结构，进一步提高筛分效率和使用寿命，使之更加适应 筛分烧结矿作业，降低成本，提高经济效益。 1 2 散性物料分级理论及分级工艺的发展 在散性物料分级理论和分级标准制定方面，首先是英国制定了潮湿细粒干法筛 分困难程度的评价方法( 指从2 5 一- - 0 m m 原煤中筛出4 或5 m m 的细粒煤) 1 4 1 ，该 方法的核心思想是物料分级的困难程度可用可处理性指数来衡量。所谓可处理指数 是指1 2k g2 5 一- - 0i i i m 原煤从振动圆锥中卸出的时间，当指数超过5 s 时，用普通振动 筛筛分比较困难。可处理性指数与煤炭粒度组成，水分含量( 特别是表面水分) ， 泥质页岩含量、泥化特性有关。 5 0 年代瑞典学者m o r g c n s o n 在研究透筛概率的基础上提出了概率筛分原理。 我国学者陈清如和赵越民教授在此基础上进一步发展了该理论，突破了中外学者提 出的单颗粒透筛概率理论，从总体上提出了粒群沿筛面长度透筛概率模型，发现潮 湿细粒原煤干法筛分时，由粘附力引起筛分分配曲线在细粒区间出现反常的上翘现 象，并建立了使用概率筛分模型。 在6 0 年代，法国学者布尔斯特莱因首先提出等厚筛分原理，它是通过调节筛 面各段的抛射加速度和运动速度，促进物料快速分层，而在排料端抛射强度减小， 排料速度减慢，这样就增加了细粒物料透筛机会，通过这样处理使筛面上物料基本 上保持厚度一致。 德国海英勒曼公司自6 0 年代以来经过几十年的探索，提出用于潮湿细粒煤 筛分的张弛筛筛分原理。它是利用筛面交替地张紧和松弛使筛孔变形和筛面弯曲产 生很大的加速度，从而使潮湿细粒煤得以良好地松散和分层，使得干法深度筛分得 以顺利进行。 进入9 0 年代，国外学者n o r g a t e 和w a l l e r 在研制潮湿细粒物料筛分过程中， 提出粘着细粒物料筛分模型，利用模型参数和给矿水分含量之间的关系成功的预测 了给矿水分含量变化对产品质量和铁矿石干法筛分设备的影响。德国h o l l i d e r 和 一3 一 北京工业大学工程硕士学位论文 h o b e r g 详细研究了潮湿细粒物料的粘附机理，提出了潮湿细粒物料在表面水分作 用下相互粘附的粘结力计算公式，并提出了减少粘结力的几种方法。与此同时，我 国的选煤工作者也从潮湿细粒煤干法筛分实践中总结出低频大振幅的筛分方法 【1 5 】【1 6 1 。 事实上，筛分工艺、筛分理论和筛分设备是共同发展的，不可能割裂。就筛分 方法而言，目前主要有【1 7 】【1 8 】【1 9 】： ( 1 ) 普通筛分法：维持给料量一定、筛体平动时，随着料流的移动料层厚度 逐渐减薄，这种方法就是普通筛分法，普通筛分法的平均单位筛面积透筛能力约为 2 5 左右。 ( 2 ) 等厚筛分法：这种筛分法的特点是，不管入料中小于筛孔的颗粒所占百 分比如何，在筛分过程中筛上物粒层的厚度保持不变或递增( 通过控制筛体不同部 位振幅来实现) ；采用等厚筛分法，小颗粒和筛面接触的概率大大增加，平均单位 筛面透筛能力约为筛面实际透筛能力的8 0 ： ( 3 ) 摩根森概率筛分法：该方法是以概率论为原理的新型筛分机，适合于筛 分水分大和难筛分的细粒级物料。典型概率筛是由一个悬挂在弹簧上的筛箱和一组 多层的倾斜筛板以及不平衡重激振器组成。 1 3 国内外筛分机械的发展和筛分设备的应用现状 1 3 1 国外筛分机械的发展训2 2 2 1 筛分机械广泛应用于矿山、冶金、化工、建筑、筑路、粮食及环卫行业中，用 于物料的分级、洗涤、脱介、脱水之用。筛分机在工业上正式应用，已有上百年的 历史。 国外从1 6 世纪开始筛分机械的研究与生产，在1 8 世纪欧洲工业革命时期，筛分 机械得到迅速发展，到本世纪，筛分机械发展到一个较高水平。例如k h d 公司生 产2 0 0 多种规格筛分设备，通用化程度较高，s t k 公司生产的筛分设备系列品种较 全，技术水平较高，德国的申克公司可提供2 6 0 多种筛分设备，k u p 公司和海因勒 曼公司都研制了双倾角的筛分设备。美国r n o 公司新研制了d f l l 型双频率筛，采 用了不同速度的激振器。d r k 公司研制成三路分配器给料，一台高速电机驳动。日 本东海株式会社和r x r 公司等合作研制了垂直料流筛，把旋转运动和旋回运动结合 起来，对细料一次分级特别有效。英国为解决从湿原煤中筛出细粒末煤，研制成功 旋流概率筛；前苏联研制了一种多用途兼有共振筛和直线振动筛优点的自同步直线 一4 一 第1 章绪论 ! n；m m m m m _ m 皇曼量 振动筛；德国在发展中小型筛分机的基础上，研制了大型筛分机，最大筛分机的面 积达5 5 m 2 ；等等。 在筛分机械的发展过程中，由手动筛发展到机械摇动筛、快速摇动筛、共振 筛、振动筛等。由于振动筛的结构简单、性能稳定、维修方便等特点，目前获得了 广泛的应用。各国对振动筛分技术的研究很重视，最近几年来，无论在筛分机的品 种规格上，还是在结构强度上，或在技术性能上，都有了很大的发展。 1 3 2 国内筛分机械的发展 我国筛分机械是在引进国外技术的基础上发展起来的。建国以来，我国的筛分 设备走过了一个从无到有，从小到大，从落后到先进的发展过程，前后经历了测绘 仿制，自行研制和引进提高3 个阶段【2 3 1 。 ( 1 ) 仿制阶段 上世纪5 0 年代，我国的筛分设备极为落后，生产上使用的都是从前苏联引进的 n 【型圆振动筛；波兰的w p l 型和w p 2 型吊式直线振动筛。为适应生产的发展，当 时以洛阳矿山机器厂，锦州矿山机械厂和上海冶金矿山机械厂为主的几个制造单 位，通过对以上几种进口筛机进行测绘仿制，形成了国产型号为s z z 系列的自定中 心筛、s z 系列的惯性筛和s s z 系列的直线筛等，初步奠定了我国筛分机械的基础。 ( 2 ) 自行研制阶段 通过对用户的走访和调研，1 9 6 7 年由洛阳矿山机械研究所、鞍山矿山机械厂、 北京煤矿设计院、沈阳煤矿设计院、平顶山选煤设计研究院组成了联合设计组，制 定了我国第一个煤用单、双轴振动筛系列型谱，并进行了z d m ( d d m ) 系列单轴振 动筛和z s m ( d s m ) 系列双轴振动筛的产品设计工作。1 9 7 4 年，两个系列设计工作完 成，并投入生产制造，基本上满足了当时国内中、小型选煤厂建设的需要。在此基 础上，由洛矿所、鞍矿厂、西安煤矿设计院、东北大学等9 个单位又组成了矿用基 型振动筛设计组。通过采用块偏心振动器、复合弹簧、环槽铆钉等先进技术，进行 了2 z k b 2 1 6 3 直线振动筛，y k l 5 4 5 和2 y k 2 1 4 5 圆振动筛、y h l 8 3 6 重型振动筛、 f q l 2 2 4 复合振动筛等4 种基型新系列振动筛设计工作。1 9 8 0 年，鞍矿厂完成了这四 种基型筛的制造，并通过了技术鉴定，在工业上得到了广泛的应用，这标志着我国 筛分机械走上了自行研制发展的道路。 ( 3 ) 引进提高阶段 上世纪，8 0 年代以来，冶金和煤炭系统不断从国外引进先进的振动筛产品。在 冶金行业：上海宝钢引进了日本神户制钢所和川崎重工株式会社制造的用于原料分 一5 一 北京工业大学工程硕士学位论文 级、焦炭筛分、电厂煤用分级的振动筛和烧结矿用的冷矿筛；鞍钢、唐钢从德国申 克公司引进了热矿筛。在煤炭行业：山东充州矿务局兴隆庄选煤厂引进了美国r s 公司的t i 倾斜筛和t h 水平筛；河北开滦矿务局范各庄选煤厂引进了德国k h l ) 公司 制造的u s k 圆振动筛、u s l 直线振动筛：钱家营矿选煤厂引进了波兰米克乌夫采矿 机械厂制造的p w k 圆振动筛、p w p 直线振动筛：山西西山矿务局西曲选煤厂和淮 北矿务局临涣选煤厂从日本神户制钢所引进的挑w 型直践振动筛等。这些筛机技术 参数先进、结构合理、工作平稳、可靠耐用，基本上代表了2 0 世纪7 0 年代国际振动 筛的技术水平。在引进筛机产品的同时，国内生产振动筛的专业厂一鞍矿厂先后 派谴专业技术人员去美国和德国进行技术考察，并进行技术引进。1 9 8 0 年鞍矿厂从 美国r s 公司引进t l 和t h 型振动筛制造技术，转化为国内型号定为y a 系列圆振动筛 和z k x 系列直线振动筛，在国内得到广泛应用。1 9 9 6 年鞍矿厂又引进了德国k h d 公司u s k 系列圆振动筛和u s l 系列直线振动筛制造技术，这是k h d 公司2 0 世纪8 0 年 代的改进型产品，其中u s l - 卣线筛宽达4 5 m ，这表明我国中、大型振动筛制造水平 向前迈进了一大步。此外，1 9 8 6 年洛矿厂也从日本神户制钢所引进了h l w 型振动 筛制造技术，转化后国内型号定为z k 系列振动筛，该筛结构紧凑、重量轻，最大 规格的筛分面积j e - 生2 7 m 2 ，是当时国内最大的直线振动筛。国外振动筛产品和制造技 术的引进，拓宽了我国筛分机械设计制造人员视野，他们从中了解和学习到了先进 国家的设备和筛分技术，从而我国的筛分技术水平得以大大提高。 1 3 3 我国筛分机械的应用现状 基于振动筛的几种不同的运动轨迹( 圆、直线、椭圆、空间曲线等) ，采用不 同的筛分方法，并针对国民经济中各行各业的特殊需要，形成了各种形式的筛分机 械，并使其在工业部门得到广泛的应用 2 4 1 。 在冶金工业部门，选矿厂普遍采用圆振动筛对矿石进行预先筛分和检查筛分； 用振动细筛对磨矿机的产品进行分级以提高精矿品位；针对烧结矿和冷烧结矿分级 的要求，采用直线运动轨迹和二次隔振原理，形成了热矿筛和冷矿筛；另外采用直 线筛对焦炭进行筛分，取代了原始的滚动筛。 在煤炭工业部门，煤的分级在不同的场合分别采用圆振动筛、利用概率筛分法 的概率筛和等厚筛分法的等厚筛；用直线振动筛作为精煤和末煤的脱水、脱介；针 对6 m m 以下含水7 - - 1 4 的潮湿细粒的分级先后出现了琴弦筛、旋转概率筛、 滚动筛以解决堵孔问题和提高筛分效率：另外将弧形筛和直线筛结合在一起，形成 弧形高频细筛来解决脱水问题。 第1 章绪论 在水利电力部门，火电厂对煤的预先筛分是通过圆振动筛或等厚筛来实现的； 利用直线筛解决煤炭的处理，在水电站的建设工作中，如三峡工程需要各种大型筛 机对砂石进行分级。 在交通工业部门，针对铁路石碴的清砂和除泥，采用概率等厚原理的概率等厚 筛效果很好；用热石筛可对沥青混凝土的石头分级，在高速公路建设中起着重要作 用。 在化工部门，对于化工原料和产品的筛分，化肥和复合肥分级，振动筛和化肥 筛是关键设备。 此外，针对环卫部门的垃圾处理、水煤浆在电厂的应用，又出现了新型的筛 机驰张筛和水煤筛。 1 4 存在的问题和发展趋势 1 4 1 筛分机械存在的普遍问题 目前现场使用的振动筛大多定型化和系列化，但普遍存在以下几方面的共性问 题【冽： ( 1 ) 筛体自重过大，筛板与筛箱一起运动，结构大，惯性大，因而传到地基 上的动力大。不仅浪费能源，而且还对周围工作设备和人员产生不良影响。 ( 2 ) 筛面耐磨性差，随使用时间的延长，筛孔磨大、造成返矿中合格颗粒急 剧增加、导致资源浪费。 一 ( 3 ) 筛网堵塞严重，透筛率差，操作工人清筛频繁，工人劳动强度大。 ( 4 ) 振动器振动频率与减振弹簧不匹配，导致振幅不稳定，经过共振区时， 对支撑或吊挂结构产生很大动应力，容易发生事故，影响生产。 ( 5 ) 转速过高，振动器轴承运行负荷过大，设备故障多，筛分效率仅4 9 5 l 比较低，入炉 刀】，代入式3 1 8 计算可得： 棒条长度1 = 0 2 6 m 。 ( 3 - 1 8 ) ， 0 2 8 m 。 2 ) 用位移条件校核端部变形 方程( 3 1 1 ) 给出了棒条任意位置处挠度随时间的变化规律。可用解析法( 分离变量 法) 求解，但过程复杂。 随着计算理论和计算机技术的快速发展，许多过去认为是不可能解决的问题现在得到 了解决。数值模拟方法已成为解决实际问题强有力的工具。对于有限元软件，目前已有许 多优秀产品可供选择，典型的有m s h m a r c 、a n s y s 等。本文采用a n s y s 程序的结构瞬态分 析功能【4 5 j 对棒条的位移、应力、应变等进行研究，校核棒条直径、长度能否满足变形要 求。 棒条有限元模型的建立 一个棒条筛片由固定悬臂棒条的横梁和固定于此横梁上的棒条组成，在横梁方向上， 棒条的结构具有周期性。为研究筛面工作时棒条在自身及作用其上物料惯性力作用下的变 形情况，在横梁上取一根棒条进行分析。如图3 - 3 所示为筛片横梁方向上的一小段，在该 方向只包含一根棒条( 图中实际显示的是双层结构) ，其中左端方框为横梁断面，在该断 面的右侧固定有上下两根棒条。 横梁的材料为q 2 3 5 _ a ，弹性模量e = 2 1 2 g p a ，泊松比u = o 2 8 8 ，密度p = 7 8 6 0 k g 川3 。棒条的材料为6 0 s i 2 m n ，弹性模量e = 2 0 6 g p a ，泊松比= 0 3 ，密度 p = 7 9 0 0 k g m3 ；直径6 衄，长度2 6 0 咖，其余尺寸如图所示。 北京工业大学1 二程硕十学位论文 ： 图3 - 3 筛面横梁及棒条的有限元模型 f i g 3 - 3t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs c r e e ns u r f a c eb e a ma n db a r 边界条件的确定与施加 棒条的位移响应是典型的支撑运动激励引起的响应。由于有振动方向角的存在， 所以应在横梁的水平和竖直方向施加对应位移载荷。如前所述，设筛面在振动方向上 的振幅为( 临界转速下振幅4 m m ) a = o 0 0 4 s i n ( 2 9 万t )( 3 1 9 ) 则在横梁的水平和竖直方向( x 方向和y 方向) 上应分别施加 x = 0 0 0 4 c o s 6 0 0s i n ( 2 9 万t ) y = 0 0 0 4 s i n 6 0 。s i n h a 时，材料的磨损很小； k n 1 4 l a 时，则很少 发生磨料磨损；当h m h a 时，金属的磨损极为严重；h m h a 时，则为过度磨损。随着棒条 硬度的增加，它的寿命显著提高。但是，在提高棒条硬度的同时，要防止它的脆性增大， 这是因为棒条筛筛面的棒条是悬臂布置，且受较大冲击载荷作用，在棒条磨到一定程度时 容易发生脆性断裂，断裂后的棒条掉到运料皮带上，可能划开皮带，造成重大损失。筛面 所用的棒条是用圆钢加工制造，选材时要从适用性、可得性及经济性三方面来综合考虑。 目前棒料材质一般有q 2 3 5 、2 0 、3 5 、4 0 、4 0 c r 、4 5 m n 、5 0 m n 等，对这几种材料进行比较， 应该首先选择5 0 m n 棒条。建议它的淬火硬度不宜超过4 8 h r c 。 3 棒条表面强化 表面强化处理是一种经济有效的办法。棒条通过表面处理，改变它的表面特性，从而 改善它的摩擦和磨损性能。棒条的磨损发生在它与矿石接触的表面上，这样就可以在这个 易磨损的表面堆焊一层炭化钨，来提高棒条表面的硬度，增强棒条的耐磨性能；也可以在 棒条外套上陶瓷管来提高耐磨性，但价格相对较贵。 4 合理分配各层之间的负载荷率 在不改变生产能力的情况下，采用多层筛面能有效提高筛分效率。上层筛面采用较大 的间隙，下层筛面采用较小的间隙，这样能使上下两层筛面上的载荷分配更加合理，可有 效减轻棒条根部的负荷水平，从而提高条棒条的平均使用寿命。 5 通过选择合理的工作参数来减轻物料对棒条的磨损 一2 7 北京工业大学工程硕士学位论文 曼曼! ! 皇! ! ! 曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼u 曼曼曼曼曼量鼍量曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼皇曼曼曼皇曼鼍曼曼曼! 曼! 曼曼皇曼皇曼! 曼曼! 曼曼曼 从理论上讲，当筛机在第一临界转速下工作时，物料在筛面上只有跳动状态而没有相 对滑动，这对于减小棒条的磨损十分有利；另外可以采用合理的工作制度，通过增加工作 筛机台数来减薄料层厚度，从而降低筛条的弯曲应力和物料对筛条的摩擦力，达到提高筛 条寿命的目的。 3 4 本章小节 本章介绍了设计棒条筛片时应考虑的主要因素，并进行了筛面缝隙宽度和棒条直径、 长度的确定。本章采用a n s y s 程序的结构瞬态分析功能对棒条的位移、应力、应变等进行 了研究，校核了棒条直径、长度能否满足变形要求。将计算与模拟的结果进行分析，我们 可以得出如下结论： ( 1 ) 当棒条直径为6 m m 时，进行瞬态分析发现其端部的挠度可达到8 硼，由此产生 的筛条缝隙变化量已超过正常工作缝隙的7 1 5 ，这样显然会增加返矿量，显然不能满足 工艺要求。 ( 2 ) 当棒条直径为8 m m 时，棒条在相同工况工作时其端部的平均变形约为5 衄，由 此产生的筛条缝隙的变化量为约为3 5 ，基本上能满足实际需要。 本文介绍了提高棒条寿命的途径：减小入料口处矿石对筛面的冲击；选择耐磨性好的 材料；棒条表面强化；合理分配各层之间的负载荷率；通过选择合理的工作参数来减轻物 料对棒条的磨损。 第4 章棒条筛片的结构设计 第4 章棒条筛片的结构设计 4 1 棒条筛片结构设计时应考虑的主要因素 根据前述计算与讨论的结果，结合生产实际情况，在棒条筛片结构设计时应考虑以下 主要因素。 1 满足筛分工艺要求，使物料达到希望的粒度； 2 能使棒条的二次振动效果得到充分发挥，并具有良好的性能稳定性，提高效率节 约能源； 3 要有足够的寿命，减小维修率，提高经济效益； 4 安装容易、使用简单、维护方便； 5 经济性。 4 2 棒条筛片的结构设计 棒条筛片的主要结构参数，如棒条间距、种类、直径、长度等按照前述计算结果 确定。 一 根据筛子结构与物料特性相适应的原则，筛网设计成一组相互平行的单层双面的弹簧 钢棒条筛网，棒条采用弹簧钢，一端固定，一端悬臂。各筛片呈阶梯布置形式，可以显著 增加物料的抛起时间，使烧结矿以梯流的方式在筛面上向下运动，增大了物料的平均移动 速度松散分层效果j 对振动筛的处理量的提高是明显的。实践已经证明，这种方式对物料 的松散分层效果也十分显著，特别是在薄料层时能明显提高筛分效率。 按照前述计算结果，悬臂棒条长度取可为2 6 0 r a m 、2 4 0 r a m 。考虑到棒条强度、变形 和合理分配上下层之间负载率等因素，上层筛面采用直径8 m m 、长度分别为2 6 0 、2 4 0 r a m 的棒条间隔布置。由于棒条长度互不相等，其固有频率也不一样，因此其振动的情况也将 完全不同，可以有效地防止堵孔现象的发生，同时上层筛面主要用于承受大颗粒物料的冲 击与摩擦，所以选择较大的棒条间隙，为8 m m 。对于下层筛面，主要是为了控制粒度并保 证处理能力，这就决定了下层筛片棒条必须是小间隙的，其间隙由工艺要求决定，取为 5 5 r a m 。考虑到上层筛面的载荷分流作用使下层筛面的载荷在很大程度上得以缓解，为获 得尽可能大的开孔率，采用长度为2 6 0 r a m 、直径分别为6 m m 和8 m m 的棒条间隔布置。 这样不仅提高了开孔率，又能使细棒条的二次振动效果得到充分发挥，有利于保持筛缝的 通畅清洁。总之，筛片的结构特点为上层长短搭配，下层粗细搭配。 # 京i _ p 大学1 理硕士靴* 女 1 。，、nsys o - - m h a ) x 方向第一载荷步时的应力分布 a ) t h es t r o s sd is t r i b u t i n go fxd i r e c t i o na tt h ef i r s tl o a d - j “t ” b ) y 方向第一载荷步的应力分布 b ) t h es t r e s sd i s t r i b u t i n go fyd i r e c t i o na tt h ef i r s tl o a d 第4 章棒蠡啼片的结构设计 d 一j d ) y 方向第魅荷步的应力分布 d ) t h es t r e s sd i s t r i b i l r i n go fxd i r e c t i o na tt h ef i r s tl o a d 圈4 - 1 直径6 i 的棒条直接焊接到横姗璧与棒条穿过翻墅埠到另胀情况下在棒蠢墙部产生 相同位移时其应力分布比较 f i g 4 - 1t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nc 呻a r i s i o no f6 - d i s m e t e rb a rj o i n t e dd i r e c t l yt o t h eb e um 1 1 日n dt h eh e rc r o s s i n gt h eb e a l aw a l lj o i n t e dt oa n o t h e ru l l 北京工业大学工程硕士学位论文 如图4 - 1 a ) 、b ) 、c ) 、d ) 所示为棒条与横梁分别采用两种不同连接方式时在端部产 生相同位移情况下棒条内部应力分布的有限元模拟结果( 云图) 。仿真计算的结果说 明： 棒条在横梁上的固定方式对棒条根部的应力状态有影响。设计时应仔细推敲结 构，采用最合理的结构方式。 棒条与筛面横梁的连接处即棒条的根部应力最大，实际中也是最容易出现断裂 的部位。 对于直接连接( 焊接) 结构，在施加第一个载荷步载荷时x 方向应力的最大值为 o 5 8 3 e 8 p a ，最小值为一0 7 2 2 e 8 p a 。y 方向应力的最大值为0 1 5 4 e 8 p a ，最小值为一 0 2 1 8 e 8 p a ；对于棒条穿过侧壁焊到另一侧壁情况时，在施加第一个载荷步时x 方向应 力的最大值为0 6 3 1 e 8 p a ，最小值为- 0 6 2 0 e 8 p a 。y 方向应力的最大值为0 1 7 0 e 8 p a ， 最小值为一0 1 9 6 e 8 p a 。由此可见，采用棒条穿过横梁的外壁与横梁另一端的内壁焊接 的结构，使得棒条与横梁的接触面增多，相应的接触面的应力会减小，能提高棒条的 强度。 为减小应力集中，在结构上采用如图4 - 1 d ) 所示的结构，可有效改善棒条根部的应 力分布，提高疲劳强度。 ， 根据现场的实际情况，棒条筛在筛分作业时，棒条根部的间隙往往容易被堵塞， 堵塞的状态与普通条缝筛类似，减小了有效筛分面积，降低了筛分效率。为保证筛片 性能的稳定性，在结构上增加筛条敲击棒，一根钢管自由地套在一固定于筛面横梁的 钢杆上，工作时依靠惯性不断地敲打棒条，起到清洁筛缝的作用。 新设计的筛片为单层双面筛片如图4 - 2 所示。其中上层筛条尺寸为矽8 x 2 6 0 ， 8 2 4 0 的棒条间隔排列，间隙8 毫米；下层筛条尺寸为8 x 2 6 0 和f 6 x 2 6 0 ，间隔排列， 间隙5 5 毫米：上下层间距为2 5 毫米，材料均为6 0 s i 2 m n 。整个筛面的当量开孔率达到 6 2 。 第4 幸棒枭筛片镕柑* 计 图年2 新设计单层双面筛片的结构 f i 9 4 - 2 t h es n c n l r eo f l h cn e w d c s i g n c d m o n o l a y c fd o u b l e _ f a c e d s u r f a c e 图4 - 3 新设计单层双面筛片的实物结构 f i g4 - 3t h eo b j e c ts t r l c t l r eo ft h ep t e wd e s i g n e dm o n o l a y e rd o u b l e f a c e d $ c r e e l ls u r f a c e 北京工业大学工程硕士学位论文 4 3 本章小节 本章介绍了棒条筛片结构设计时应考虑的主要因素，并对棒条筛片进行了结构设 计。对棒条与横梁分别采用不同连接方式时在端部产生相同位移情况下棒条内部应力 分布进行了有限元模拟结果。仿真计算的结果说明： 棒条在横梁上的固定方式对棒条根部的应力状态有影响。设计时应仔细推敲结 构，采用最合理的结构方式。 棒条与筛面横梁的连接处即棒条的根部应力最大，实际中也是最容易出现断裂 的部位。 对于直接连接( 焊接) 结构，在施加第一个载荷步载荷时x 方向应力的最大值为 0 5 8 3 e 8 p a ，最小值为- 0 7 2 2 e 8 p a 。y 方向应力的最大值为0 1 5 4 e 8 p a ，最小值为一 0 2 1 8 e 8 p a ；对于棒条穿过侧壁焊到另一侧壁情况时，在施加第一个载荷步时x 方向应 力的最大值为0 6 31 e 8 p a ，最小值为- 0 6 2 0 e 8 p a 。y 方向应力的最大值为0 1 7 0 e 8 p a ， 最小值为- 0 1 9 6 e s p a 。由此可见，采用棒条穿过横梁的外壁与横梁另一端的内壁焊接 的结构，使得棒条与横梁的接触面增多，相应的接触面的应力会减小，能提高棒条的 强度。 为减小应力集中，在结构上采用图4 1 d ) 所示的结构，可有效改善棒条根部的应力 分布，提高疲劳强度。 本章还根据现场的实际情况，为保证筛片性能的稳定性，在结构上增加筛条敲击 棒，一根钢管自由地套在一固定于筛面横梁的钢杆上，工作时依靠惯性不断地敲打棒 条，起到清洁筛缝的作用。 新设计的筛片为单层双面筛片，其中上层筛条尺寸为8 2 6 0 ，矽8 2 4 0 的棒条间隔 排列，间隙8 毫米；下层筛条尺寸为8 2 6 0 和矽6 2 6 0 ，间隔排列，间隙5 5 毫米上 下层间距为2 5 毫米，材料均为6 0 s i 2 。整个筛面的当量开孔率达到6 2 。 结论与展望 结论与展望 本文的主要研究成果可以归纳如下： 1 针对棒条筛的工作特性和特殊结构的筛面，分析研究了棒条筛的工作原理、特点 和优点，把握了影响筛片寿命和筛分效率的主要因素。 2 确定了能使棒条获得最佳振动状态的条件，提高了棒条二次振动对筛分效率的贡 献。 3 根据棒条的受力和工作情况，建立了棒条振动的动力学模型，使用a n s y s 对模型 进行了数值分析，研究了结构参数对棒条固有频率、振动模态、应力分布等的影响。通过 参数优化，为改进振动棒条的结构( 长度、直径、形状、材质) ，提高筛分质量和筛分效 率提供了依据。 4 优化了筛片结构，提出了最佳结构方案和工艺参数并制作出实物样品；总结出筛 片设计的思路和一般方法，对筛片得制造和维护具有理论价值和实用价值。 5 设计了新型筛片，调整了工作参数。根据理论分析的结果和实际结构特点，对原 来的筛面( 由多组筛片构成) 和筛片进行了改进。改进后的新筛片( 面) 具有如下特点： ( 1 ) 减薄了料层厚度。分析表明，料层较厚时，棒条的二次振动不能充分发展，减 薄料层后可使筛面物料的不规则跳动增加，有利于提高筛面物料的透筛概率。为补偿由此 造成的产量下降，将原来的筛面尺寸1 4 0 0 3 0 0 0 ( b t s x l 4 3 0 ) 改为增加为1 8 0 0 x3 6 0 0 ( b t s x l8 3 6 ) 。 ( 2 ) 继续采用筛片的阶梯布置形式，使烧结矿以梯流的方式在筛面上向下运动。实 践已经证明，这种方式对物料的松散分层效果十分显著，特别是在薄料层时能明显提高筛 分效率。 ( 3 ) 改进了筛片结构，