煤粉制样筛分装置设计及粒径分级研究—毕业设计说明书

1、中北大学 2013 届毕业设计说明书煤粉制样筛分装置设计及粒径分级研究摘要随着生产力的发展，在煤炭加工行业上，对煤的粒度分级有了更高的要求，煤炭筛分分级技术发展起来。振动筛以其筛分效率高，结构简单，工作可靠，成本低等优势，在所有筛分设备中，占有绝对优势。振动筛筛分的机理研究是振动筛设计的基础,高的筛分效率和大的处理量一直是筛分作业追求的目标。因此振动筛的筛分效率的研究和优化对筛分机的设计有重要的意义。计算机的模拟及软件的分析已成为研究筛分机的重要手段。本文首先对物料的筛分过程进行了研究，接着又进行了煤用筛分机的工艺学参数、动力学参数和筛面结构参数的计算，然后又总结了筛面长度与筛分效率的一般性关

2、系，本文还分析了不同条件下颗粒的分层与透筛之间的关系，对粒径分级进行了研究，最后建立起振动筛的数学模型，在此基础上进行了筛分效率优化。另外，运用 solidworks 软件进行了整体结构的设计，又运用 solidworks simulation 模块对筛分机的关键部件进行了有限元分析。关键词：煤用筛分机，粒径分级，数学模型，结构设计，有限元分析中北大学 2013 届毕业设计说明书coal screening device design and size classification research abstract with the development of productive for

3、ces, in the coal industry, there are more requirements on the size grading of coal, coal classification technology developed. vibrating screen with its high efficiency, simple structure, reliable work, low cost etc, in all screening equipment, have absolute advantage. study on the mechanism of vibra

4、tion sieve screening is the basis of vibrating screen design, high screening efficiency and high throughput screening has been the pursuit of the goal. therefore the research and optimization of the screening efficiency of vibrating screen have important significance to the design of screen. simulat

5、ion and analysis software of computer has become an important means to study the screen. this paper first process for screening materials were studied, and the calculation process of coal sieving machine parameters, dynamic parameters and structure parameters of the screen surface, and then summariz

6、es the general relationship between the sieve length and the screening efficiency, this paper also analyzes the hierarchical particle under different conditions and the relationship between the transparent screen, on the particle size grading were studied, finally establish the mathematical model of

7、 vibrating screen, on the basis of the screening efficiency optimization. in addition, the design of the overall structure of the use of solidworks software, and using the solidworks simulation module of the finite element analysis of key components of the screen.keywords: coal particle size grading

8、, screening machine, mathematical model, structure design, finite element analysis中北大学 2013 届毕业设计说明书第 页 共 页目目 录录1 引言 .11.1 课题的工程背景及意义 .11.1.1 筛分机研究的工程背景.11.1.2 本课题研究的意义.11.2 国内筛分机的发展研究现状与发展趋势 .21.2.1 筛分机的理论现状来.21.2.2 筛分机的发展现状.21.2.3 筛分机的制造现状.31.2.4 筛分机的发展趋势.41.3 本文的主要研究内容和研究手段 .51.4 solidworks 软件简介

9、.51.5 课题研究设计流程图 .52 筛分过程及振动筛的结构原理分析.72.1 筛分过程 .72.1.1 筛分的基本原理.72.1.2 筛分效果的评定.72.1.3 影响筛分过程的因素.92.2 筛分机械的工作原理 .102.3 煤用筛分机的结构组成 .113 煤用筛分机主要参数的确定.123.1 运动学参数的确定 .123.1.1 筛面倾角.123.1.2 振动方向角.123.1.3 振动强度.12ik3.1.4 抛射强度.13vk中北大学 2013 届毕业设计说明书第 页 共 页3.1.5 筛面振幅.13a3.1.6 筛面振次.13n3.2 筛面的结构参数.133.2.1 筛孔大小、形状

10、和开孔率.133.2.2 筛面宽度和长度.143.2.3 筛丝直径.143.3 动力学分析及参数计算 .143.3.1 动力学分析.143.3.2 参振质量.173.3.3 弹簧刚度.173.3.4 振动电机.193.4.5 生产能力.204 筛面上物料的运动与粒径分级研究.214.1 离散单元法 .214.1.1 离散单元法的基本思想.214.1.2 离散单元法的计算机求解.214.2 透筛概率理论 .214.2.1 物料粒级的确定.214.2.2 单颗粒透筛概率理论.214.2.3 粒群透筛概率理论.224.3 不同参数下筛面长度与筛分效率的关系 .234.3.1 筛面长度与筛分效率的关系

11、.234.3.2 各类参数下筛分效率的函数模型.244.4 颗粒的分层与透筛 .244.4.1 分层与透筛现象.244.4.2 粒径的大小对分层与透筛的影响.254.4.3 分层与透筛速率的定义.254.4.4 不同参数与分层透筛速率的关系.26中北大学 2013 届毕业设计说明书第 页 共 页4.4.5 筛面结构与分层透筛速率的关系.265 筛分机数学模型的建立与筛分效率的优化.275.1 筛分数学模型的分类 .275.2 筛分数学模型的建立 .275.3 筛分机综合效率的优化 .296 对振动筛进行整体结构设计与关键部件的有限元分析.346.1 solidworks 软件对振动筛进行整体结

12、构设计 .346.1.1 关键部件的实体建模 .346.1.2 装配建模.406.2 筛分机关键器件的有限元分析 .416.2.1 solidworks simulation 模块简介 .416.2.2 橡胶弹簧的有限元分析.426.2.3 横梁的有限元分析.456.2.4 筛箱的有限元分析.477 总结.50参考文献.51致谢.54 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 54 页1 1 引言引言1.11.1 课题的工程背景及意义课题的工程背景及意义1.1.1 筛分机研究的工程背景筛分作业是将松散的混合物料通过单层或多层筛面的筛孔，按照粒度将其分成两种或若干种不同粒级产品的过程。

13、从煤炭加工行业来说，早在 16 世纪中叶，英国就有关于煤炭筛分的相关文献。到 19 世纪下半叶，为了适应市场的需求，对商品煤的粒度分级有了更高的要求，因此煤炭筛分分级盛行起来。20 世纪 40 年代出现了振动筛，标志着现代筛分技术进入了一个新的发展阶段1。已广泛运用于采矿、冶金、煤炭、石油化工、水利电力、轻工、建筑、交通运输和铁道等工业部门中,以完成不同的工艺过程2。振动筛以其筛分效率高，结构简单，工作可靠，成本低等优势，在所有筛分设备中，占有绝对优势。筛分技术的发展都是依赖于筛分理论的发展。对振动筛来说，筛分过程是以概率论的原理为基础的, 颗粒物料的透筛概率理论实质上就是筛分的基本原理。20

14、 世纪 50 年代，首先由瑞典的学者 f.mogensen 提出了概率筛分理论，随后闻邦椿、c.w.schultz、r.b.tippin 等又深入的研究了概率筛分理论，扩大了概率筛分设备的应用范围3。在此基础上，国外采用了先进的技术，生产出了性能优良的筛分机械4。在我国，振动筛分级理论研究方面，国内与国外差距不大, 水平相当,但在制造方面, 国内和国外有较大差距，主要表现在：强度低、寿命短、噪声大、隔振差、轴承温升大，制造比较粗糙等，很多方面还有待于提高5。煤炭企业根据原煤质量分别进行洗选和筛选,按质量和粒级出多种产品供应用户是急待解决的问题。目前各工业部门对煤炭的粒级需要是6:（1）中块(2

15、5-50mm)供化肥、机车、链条式锅炉、鲁奇炉发生煤气用；（2）小块(13-25mm)供机车、链条式锅炉；（3）粒煤(6-13mm)供机车、链条式锅炉；（4）粉煤(-6mm)供喷粉锅炉、沸腾床层锅炉以及民用蜂窝煤和煤球。1.1.2 本课题研究的意义全球每年都有数百亿吨的粒状物料要经过筛分处理。仅在我国，每年经过筛中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 54 页分作业处理的煤炭就有十几亿吨。振动筛之前的机型因不能满足生产发展的需要，已逐渐被淘汰，振动筛凭借其较高的筛分效率和较大的生产能力被广泛使用，并得到了迅速发展。振动筛在筛分行业占绝对优势，但它实际生产过程中同时受到激振力、物料反

16、作用力以及隔振系统反作用力的影响，主要结构的零部件长时间承受着恶劣的交变载荷。通过对筛分过程进行深入的理论研究，以此为基础确定筛分机的最佳运动学参数，寻找提高振动筛使用寿命和工作稳定性的措施，使用更合适的分析方法和分析手段对振动设备进行基于动力学特性的优化设计7。从而提高筛分效率，降低能耗，延长筛分机，使用寿命，促进筛分机械设计的改进、优化及新型筛分机械的研制。因此对筛分机的效率优化分析和结构设计有重要的意义。1.21.2 国内筛分机的发展研究现状与发展趋势国内筛分机的发展研究现状与发展趋势1.2.1 筛分机的理论现状来筛分的方法可分为普通筛分法、薄层筛分法、概率筛分法、厚层筛分法和概率等厚筛

17、分法。振动筛分设备动力学研究主要是运用振动理论来进行分析的, 包括线性振动和非线性振动两大类。线性振动筛包括共振筛和远离共振区的惯性振动筛两种筛分设备。非线性振动理论主要用于大型非线性共振筛, 由于其能耗低以及检修时需要的空间小等特点, 而具有一定的优势。在一定的筛分效率下筛分机要获得较高的单位面积处理能力, 很大程度上取决于筛面的运动轨迹。在筛分机的发展过程中，筛面的运动的轨迹筛面运动轨迹从一条直线发展到多种曲线, 从线性演变到非线性，从平面曲线到空间复杂曲线等，以适应各种被筛物料的特性要求8。1.2.2 筛分机的发展现状我国筛分机械的制造开展主要经历了三个阶段：仿制阶段：新中国解放前后，我

18、国的振动筛分机械主要引进模仿前苏联技术，仿制苏联设计制造的 ty11 型圆振动筛、波兰的 wp1 型和 wp2 型吊式振动筛等。这些筛分机械的仿制成功，既满足了国内的生产需求，也培育了一批技能人员为我国筛分机械的发展奠基了坚实的基础。自行研制阶段：从 1966 年到 1980 年研制了一批性能优良的新型筛分设备，1500 mm3000mm 重型振动筛及系列，15m2、30m2 共振筛及系列等。这些设备中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 54 页虽然存在着故障较多、寿命较短的问题，但是它们的研制成功基本上满足了国内需要，标志着我国筛分机走上了独立发展的道路。引进、消化、提高阶段：

19、进入改革开放的 80 代，我国经济高速开展，科学技能以及加工制造精度的不断进步，振动筛分机械的研发技术提高，成功研制了振动概率筛系列、旋转概率筛系列，完成了重型冷热矿筛系列、弛张筛、螺旋三段筛等筛分机的研制，开始突破了一些关键技术，尤其是重型、大功率振动电机的问世，更是加快我国振动机械设备行业向国际先进行列迈进的步伐。1.2.3 筛分机的制造现状振动筛分机械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，也常用于物料的脱水及清洗物料表面的污泥。它一般安装在给料设备的下边，给料机应均匀地供料。振动筛种类繁多，一般有以下几类。（1）惯性振动筛惯性振动筛是借高速回转着的不平衡重物产生

20、离心力使筛箱振动，从而筛面上物料层松散使细粒级通过筛孔排出。近年来由于惯性振动筛性能较好、结构和维护工作都较简单，在选煤、选矿厂得到推广应用，受到各国重视，振动筛主要包括圆运动振动筛和直线振动筛。圆运动振动筛是利用不平衡重激振器使筛箱振动的筛子，其运动轨迹一般为圆形。圆运动振动筛分为单轴惯性振动筛和自定中心振动筛两种。单轴惯性振动筛特点是激振器的轴和皮带轮参与振动，自定中心振动筛优点是运转时三角皮带轮不与筛箱一起振动，故传动皮带寿命较长，工作较稳定。直线振动筛是靠两根带不平衡重的轴作同步异向旋转而产生振动的筛子。其筛面呈水平或倾斜安装，运动轨迹一般为直线，故称之为直线振动筛或水平振动筛。由于筛

21、箱运动过程中有较大的加速度，所以特别适合于煤炭的脱水、脱泥、脱介以及物料的分级。（2）共振筛共振筛从 50 年代应用于煤炭和矿石中，其振动系统是在接近共振区的条件下工作的，即筛子的工作频率接近它的自振频率。它既可用作煤和矿的预先筛分和最终筛分，也可以脱水、脱泥和脱介。共振筛利用了共振原理，具有下列特点：在共振频率附近，使用较小的激振力来驱动较大面积的筛箱；可以节省传动系统中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 54 页的功率消耗，并减少轴承等机件的受力；利用了非线性振动系统，筛子的瞬时加速度大，对分级、脱水等作业有益。但由于其在安装上要求高，技术上比较复杂，共振筛的发展较缓慢。（3

22、）其它类型的振动筛等厚筛：我国现有的 zd 型直线等厚筛系列，有 7 种基本规格，总筛分效率一般在 85%以上。zd 系列等厚筛适用于需要精确分级的煤炭的干湿式筛分，处理量较大，筛分深度可至 6 毫米。研制摩根森筛：瑞典创制的摩根森筛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。它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两个不平衡重激振器。概率筛分机：概率筛分机通过采用大筛孔、大倾角和多层筛面结构，使物料近似筛分而提高筛机处理能力和干式筛分的深度。电磁振动旋流筛：电磁振动旋流筛是一种结构简单的高效脱水脱泥设备。该筛无转动部件，无需润滑，不需动力，不仅用于选煤厂，

23、还可推广用作污水处理和选矿厂及其它类似物料的脱水脱泥和分级设备。1.2.4 筛分机的发展趋势在目前的发展过程中有以下几点是要注意的：一是集成计算机设计的成果, 包括动力学分析、参数计算、强度计算、三维绘图、模拟装配和仿真运行等程序, 形成系统软件包；利用复合仿真试验技术, 深入研究新的筛分理论技术。二是创造出新型的振动筛分设备。研究与探讨在重力、浮力、离心力、电磁力、振动力复合作用下的新筛分理论与技术, 研究出适合各种条件、各种物料的新型筛分装置, 以满足新的生产工艺要求。三是加强环保理念, 注重振动筛的降噪和防尘设计与制造, 在节能、节水和循环经济发展的领域寻找振动筛分的新用途和新市场。总的

24、来说振动筛呈以下发展趋势：（1）应用等厚筛分法：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；而采用普通筛分法时，筛上物料层厚度却是递减的。普通筛分法平均单位筛面透筛能力仅是筛面实际透筛能力的 25左右。而等厚筛分法，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 80。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 54 页（2）向标准化、系列化、通用化发展：这是便于设计，组织专业化生产、保证质量和降低成本的途径。包括筛机品种、振动器、筛框侧板及筛板传动轴等设备的三化非常有必要这样使我国的筛分设备又好又

25、快发展。（3）现代化：包括设计的现代化和制造的现代化。有限元应力分析，专门的设计程序，先进的测试手段已运用到振动筛设计中来910。1.31.3 本文的主要研究内容和研究手段本文的主要研究内容和研究手段本论文通过对振动筛分机结构组成和工作原理进行分析，确定影响筛分效率的主要因素，再进行数学建模与振动筛的效率优化，最后利用三维软件对筛分机整体结构构进行设计，并运用 solidworks simulation 模块对重要部件进行了有限元分析。本论文的主要内容如下：（1）对物料的筛分机构行研究； （2）对离散单元法进行研究；（3）分析不同参数情况下筛分效率与筛面长度之间的关系；（4）分析不同情况下颗粒

26、的分层与透筛之间的关系；（5）对粒径的分级进行分析；（6）建立筛分机构的数学模型，对振动筛的综合效率进行优化；（7）用 solidworks 软件对振动筛的整体结构进行设计，用 solidworks simulation 模块对重要部件进行详细分析；1.41.4 solidworkssolidworks 软件简介软件简介solidworks 软件功能强大，组件繁多。功能强大、易学易用和技术创新是它的三大特点，使得 solidworks 成为领先的、主流的三维 cad 解决方案。solidworks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。不仅提供如此强大的功能，同时对每个

27、工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。solidworks 软件在技术方面一直保持与国际 cad/cae/cam/pdm 市场同步。solidworks 是基于 windows 平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。经过多年的推广，cad 技术已经广泛地应用在机械、电子、航天、化工、建筑等行业。solidworks simulation 用来进行有限元分析。solidworks simulation 的产品系列可提供更多的高级分析功能。分析结果的精确度取决于材料属性、夹具以及载中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 54

28、 页荷。要使结果有效，指定材料属性必须准确描述零件材料，夹具与载荷也必须准确描述零件的工作条件。 支持对单实体的分析。1.51.5 课题研究设计流程图课题研究设计流程图本文的设计过程流程如图 1-1煤用筛分机工作原理结构组成动力分析理论分析筛面结构参数振动工艺参数透筛概率理论建立力学模型分层与透筛现象筛分机数学模型的建立筛分机整体结构的的建模与关键部件的有限元分析筛分机效率的优化粒径的分级图 1-1 本课题的研究流程关系图中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 54 页2 2 筛分过程及振动筛的结构原理分析筛分过程及振动筛的结构原理分析2.12.1 筛分过程筛分过程2.1.1 筛分

29、的基本原理筛分过程分两个阶段，一是小于筛孔尺寸的细颗粒通过粗颗粒组成的物料层到达筛面，二是细颗粒透过筛孔。在实际的筛分过程中，大部分小于筛孔的颗粒分布在整个料层的各处。由于筛箱的运动，使小颗粒不断地穿透大颗粒之间的间隙，结果使大颗粒的位置不断的升高。于是物料按颗粒的大小进行了分层，小于筛孔的颗粒透筛，最后实现粗、细粒分离，完成了筛分过程。但是，理论上的分离是不可能的，一般都有一部分筛下物留在筛上物中11。2.1.2 筛分效果的评定筛分效果的评定常采用处理能力和筛分效率两个指标。处理能力反映产品的数量指标，筛分效率反映产品质量的指标。而具体的评定方法标准有筛分效率和可能偏差两种。筛分效率法较为简

30、便，应用广泛，而可能偏差法比较繁琐，主要用于近似筛分中。我国正在使用的计算方法有量效率公式和总效率公式11。（1） 量效率公式对量效率公式来说，筛分效率就是指实际进入筛下产物的质量与入料中真正所含筛下物的质量之比值（如图2-1所示） 。图 2-1 筛分的示意图中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 54 页 （2-1）4100%10 %100ccqq量式中：筛分效率（100%） ；量 筛下产品的数量（t） ；c筛分机入料量（t） ；q入料中小于筛孔粒级的含量（%） 。（2）总效率公式总效率反映筛分过程的综合指标，其公式的物理意义是： s12筛分总效率目的物的回收率非目的物的混杂率目

31、的物的混杂率： （2-1c b100%q a2）非目的物的混杂率： （2-2c 100-b100%q 100-a3）总效率： （2-12100100%100%100sccqq4）由平衡关系知： （2-cq5）带入上式得：中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 54 页 （2-100100%100s 6）式中：总筛分效率（%） ；s入料中小于规定粒度的细粒含量（%） ；筛下物中小于规定粒度的细粒含量（%） ；筛上物中小于规定粒度的细粒含量（%） 。2.1.3 影响筛分过程的因素（1）物料性质对筛分过程有影响的物料的性质主要包括：颗粒和筛孔的相对尺寸、物料的水分、含泥量等。对颗粒与筛孔

32、的相对尺寸来说，颗粒只有在小于筛孔的情况下，多次与筛孔接触比较，才有透筛的机会。给料中的粒度大小根据其透筛的难易程度可分为 4种：为粗大粒，为阻碍粒，为难筛粒，为易筛粒。物料32d32dd34dd34d中难筛粒和阻碍粒含量高则很难筛分，筛分效率和处理能力也低；易筛粒含量越高越容易筛分，其筛分效率和处理能力均高。对物料的水分来说，一是存在于物料的孔隙中的内在水分，二是物料表面上所附的外在水分。细粒物料由于表面积大，外在水分偏高。内在水分对筛分过程没有影响，而外在水分对筛分的过程影响较大。物料的湿度应该控制在一个合适的范围之内。除此之外，当筛孔尺寸不同时，湿度的影响也不同，为了保证一定的筛分效率和

33、处理能力，不同筛孔尺寸对湿度有不同的要求。含泥量的物料的粘结性大，即使水分很低，也易使物料粘结成团和堵塞筛孔。对含泥量过高的煤进行筛分时，必须采取特殊的措施，例如湿法筛分或对其先烘干再筛分。（2）筛分设备工艺参数对筛分过程的影响对于不同的筛分设备，之所以可以得到不同的筛分效果，这是由筛分设备的工艺参数决定的，主要包括：筛面运动形式、筛面长度与宽度、筛面倾角、筛孔中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 54 页形状等。筛面运动形式是影响筛分效果的重要因素之一。筛面固定不动时，筛分效率很低。筛面运动时，其运动的形式也影响着筛分效果。筛面倾角的大小与筛分设备生产率和筛分效率有密切关系。

34、倾角大，粒群在筛面上向前运动速度快，生产能力大；但物料在筛面停留时间缩短，减少颗粒透筛机会，影响筛分效率。对筛面宽度和长度来说，筛面宽度主要影响生产率，而筛面的长度则主要影响筛分效率。即筛面长，物料在筛面上停留时间长，透筛机会多，所以筛分效率高。筛孔形状多种多样，选择什么样形状的筛孔，主要取决于对筛分产物粒度和对筛下产品用途的要求。（3）操作管理对筛分效果的影响在操作管理上，主要是给料要均匀、连续，及时地清理和维修筛面，保证筛面正常工作。筛分机要求均匀连续给料，物料沿筛面宽度分布形成适宜的等厚层。一方面不但充分利用了筛面，另一方面也有利于物料的透筛，因此可获得较高的生产率和筛分效率。但是，如果

35、给料不均匀，料层太薄，则处理量低，料层太厚，细颗粒来不及透筛，留在筛面上，影响筛分效率。此外，要防止筛孔堵塞或筛孔磨损过度，及时维修和更换筛面12。2.22.2 筛分机械的工作原理筛分机械的工作原理振动筛以其筛分效率高，结构简单，工作可靠，成本低等优势，在所有筛分设备中，占有绝对优势。振动筛按激振器产生激振力的原理不同，可分为偏心振动筛、惯性振动筛和电磁振动筛。当前，偏心振动筛已很少用，电磁振动筛主要用于粉末状细粒物料的分级，大量使用的是惯性振动筛，习惯性称为振动筛。按筛面工作时运动轨迹的特点，振动筛分为圆振动筛和直线振动筛。对煤粉的筛分来说，要求实现不同粒径的分级，本文中的煤用概率分级筛属于

36、直线振动筛。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 54 页直线振动筛又叫双轴惯性振动筛，其工作原理如图 2-2 所示。激振器两轴上的偏心质量和偏心距均相等，并且以 yy 轴线为对称，yy 轴线通过筛箱的质心。两轴作同步反向回转时，每一瞬时两轴上偏心质量所产生的离心惯性力，沿xx 方向的分力总是互相抵消，而沿 yy 方向的分力总是相互叠加，这就形成了单一的 yy 方向的简谐力。该力作用在筛箱上，驱动筛箱作轨迹为直线的往复振动。2.32.3 煤用筛分机的结构组成煤用筛分机的结构组成概率筛的结构特点主要是筛面层数多(36 层)，倾角大。筛箱振动的方向与水平成 45角。本文所研究的为煤

37、用振动概率筛，振动概率筛也叫概率分级筛，它和普通振动筛的基本结构一样，如图 2-3 所示，也是由筛箱、激振器和支承吊挂装置三部分组成。各部件有以下特点：筛面(36 层)上下重叠，各层筛面的倾角自上而下递增(3060)；筛孔尺寸自上而下递减，筛面长度短(1.4m2.om)；振幅3.54mm，振动频率 800r/min；筛子工作时，振动电机带动筛箱作直线振动，振图 2-2 直线振动筛工作原理1筛箱；2振动电机；3钢丝绳吊挂装置；4减振弹簧； 5、6、7筛面图 2-3 煤用概率筛结构中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 54 页动方向与水平面成 45角，物料入筛后迅速筛分13。中北大

38、学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 54 页3 3 煤用筛分机煤用筛分机主要参数的确定主要参数的确定煤用概率分级筛包括主要参数有：动力学参数和工艺参数，它们对煤用概率分级筛的生产能力和筛分效率都有着决定性的作用141516。3.13.1 运动学参数的确定运动学参数的确定3.1.1 筛面倾角 筛面倾角是概率筛中极为重要的参数，倾角大，物料在筛面上运动速度就快。普通筛分机采用缓倾斜筛面，物料运动速度只有 0.150.3m/s；概率筛筛面倾角可达 40以上，物料运动速度可提高 34 倍。因此，物料在概率筛面上很快分散，实现薄层筛分，使细颗粒与筛面有充分接触的机会，从而增大了透筛概率。调整

39、筛面倾角，可以改变分离粒度，随着筛面倾角的增大，分离粒度减小。本文选择各层筛面的倾角为：23、40、4512。3.1.2 振动方向角振动方向角就是物料的抛射角，即振动方向和筛面之间的夹角。振动方向角 的选择，应保证有较高的筛分效率和较大的产量，同时应考虑所筛分物料的性质。为了保证物料的移动，必须有振动方向角，振动方向角一般在 3060范围内选取。 值大，物料抛掷高，筛分效率高，适用于难筛物料。 值小，物料运动速度快，生产率高，适用于易筛物料，我国的直线振动筛全部采用 45抛射角。概率筛的筛面均为大倾角，因此物料在筛面上的运动速度比在普通筛分机上的运动速度大，具有较大的生产率。对概率筛分来说，应

40、选择较大的 值，以提高筛分效率。煤用概率分级筛用于潮湿细粒煤炭筛分，煤泥极易堵塞第三层筛面的筛孔，因而，选择振动方向垂直于第三层筛面，即 90，因为 90时，物料的抛掷高度最大，有利于潮湿煤炭的分层和透筛。3.1.3 振动强度ik振动强度 ki是指筛箱运动的加速度与重力加速度的比值，即： （3-1）2iakg表示筛子加速度的大小。它不仅是反映筛分物料所获得的抛射能量的指标，中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 54 页而且是反映筛分机筛分强度的指标。 ki值越大，筛分机的筛分强度越高。对于煤用概率分级筛 ki2.52.912。3.1.4 抛射强度vk抛射强度就是颗粒受惯性力后，

41、在垂直于筛面方向上的分加速度与颗粒在此方向的重力加速度分量之比，表明了物料在筛面上跳动的集聚程度。 （3-2）2sinsin=coscosviakkg显然，筛箱的加速度和抛射角越大，抛射强度 kv也越大。抛射强度越大，颗粒受到的惯性力越大，抛射得也越高。这样，有利于物料的透筛。但是，当增大时，颗粒跳动一次所需的时间也越长。从发挥筛子的工作效率角度看，跳动所需的时间不超过筛面振动一次的时间，筛面每次振动的作用才能发挥出来。对于煤用概率分级筛12。vk = 3.53.1.5 筛面振幅a振幅的选择是根据被筛物料的粒度及性质来选取。对于粒度较大的物料，选用较大的振幅；对于粒度较细的物料，选用较小的振幅

42、。筛面振幅大，物料在筛面上的跳动距离就大，物料在筛面上的透筛效果就好，筛分效率就高；振幅小，物料在筛面上的跳动距离就小，物料在筛面上的透筛效果就差，筛分效率就低。对于煤炭的筛分，振幅 44.5mm 时效果较佳12。 3.1.6 筛面振次n筛面振次是指筛面在单位时间内振动的次数。它主要影响振动筛的生产能力及筛分效率，筛面振次大，则物料在筛面上的跳动快，物料在单位时间内运动距离就大，筛分生产能力就高；筛面振次小，物料在单位时间内运动距离就小，筛分生产能力就低。筛面振次 n 可在抛射强度 kv值和振幅 a 值后按下式计算： （3-900000cos/ minsinvknra3）对于煤用概率分级筛的筛

43、面振次一般为18。-1980min3.3.2 2 筛面的结构参数筛面的结构参数中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 54 页3.2.1 筛孔大小、形状和开孔率筛面的筛孔越大，单位筛面的处理能力就越高，筛分效率也越高。筛面的筛孔大小主要取决于筛分的目的和要求。对于粒度较大的常规筛分，一般是筛孔的尺寸等于筛分粒度；但是当要求的筛分粒度较小时，筛孔的尺寸应该比筛分粒度稍微大一些，常见的筛面筛孔形状有圆形、方形和长方形 3 种，依次以直径、边长和短边长来表示筛面筛孔的尺寸。在一般情况下，筛孔尺寸越大，筛面开孔率就越高。在筛孔尺寸一定时，筛面开孔率越高对筛分越有利，但开孔率通常受到筛面强

44、度和使用寿命的限制。各种筛面的结构主要有 5 种，如图 3-1 所示，其中（a）为穿孔筛面， （b）为网状筛面， （c）为条缝筛面， （d）为棒条筛面， （e）为模压筛面。 网状筛面的开孔率高，可达 70%75%，重量轻，制造方便，因此本文选用网状方形筛面13。从筛分粒级考虑在本文依次选用的筛网尺寸为：。12325=13mm=6mmammaa，3.2.2 筛面宽度和长度筛面宽度决定振动筛的处理能力，筛面越宽，处理能力就越大；筛面长度决定振动筛的筛分效率，筛面越长，筛分效率就越高。振动筛的处理能力和筛分效率是两个相互依存的指标，必须同时兼顾才具有实际意义。本文煤用概率筛分机选择筛宽为 1200m

45、m，筛长为 2000mm13。3.2.3 筛丝直径 按照国家的矿用金属丝筛网编织组合标准，金属丝筛网的金属丝直径分别为：。1233mm=2.5mm=1.5mmddd，（a） （b） （c） （d） （e）图 3-1 各种筛面形状示意图中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 54 页3.33.3 动力学分析及参数计算动力学分析及参数计算3.3.1 动力学分析煤用振动概率筛有双质量直线振动、双电机直线振动和作简单惯性振动圆振动概率筛三种型式。本文采用双电机直线振动概率筛，振动形式为惯性振动。建立模型时，为便于分析计算，需要对振动系统作一些简化，忽略次要因素，其简化原则可归纳为如下几点

46、：(1)质量集中，实际的振动机体构造是分散的，在建立集中参数模型时，需要适当的集中，如质量大的，弹性小的简化为不计弹性的集中质量。(2)刚度集中，弹簧产生单位位移所需的力称为弹簧的刚度，在振动系统中，弹簧是分散的，建立模型时，把弹性大、质量小的集中为不计质量的弹簧刚度。当质量大时，把弹簧质量结合到系统质量中。(3)阻尼集中、振动过程中的阻尼多种多样：弹簧的内阻、外阻、筛箱运动中的摩擦、冲击等等全部简化为等效线性阻尼718。根据上述简化分析，直线振动筛的力学模型如图 3-2。它是由作定向振动的质量(筛箱和激振器)，连接振动质量与基础之间的弹性元件和振动过程产生的阻尼等，构成一个弹性系统1920。

47、振动质体 m 在振动电机产生的简谐力的作用下产生定向振动， 。系统振动时，筛箱、弹簧将相应的产生惯性力、弹簧力和阻尼力。分析力的作用后，相应的振动方程为图 3-2 煤用概率分级筛的力学模型简化中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 54 页 （3- 0 xxxsin0mmkpt 4）或 （3-sin0m +smx+mx+kx= pt5）式中：振动电机上偏心质量之总和（kg） ；0m 筛箱及随筛箱一起振动的质量和（kg） ；m （3-1mmmkm物6） 筛箱及附件的实际质量（kg） ；1m 筛面上物料的质量（kg） ；m物 筛面上物料的结合系数，一般为；mk=0.150.3mk 分

48、别为筛箱在 x 坐标方向的位移、速度、加速度；xxx、 弹簧刚度（n/m） ；k 阻尼系数； 振动电机激振力的幅值；p20pm r 振动电机轴上偏心质量质心的回转半径（m） ；r 振动电机的回转角速度（rad/s） ； 时间（s） 。t该非齐次线性常微分方程的全解由齐次方程的通解和非齐次方程的特解两部分组成。前者为暂态响应，即在振动开始后的短暂时间内存在，随后趋于衰减；后者是稳态响应，即在简谐的激振力作用下，产生持续等幅振动。在工程上，由于阻尼力比较小，为了方便计算常忽略阻尼力。方程可写为: （3-sinm +m x+kx= pt7）其特解： 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页

49、共 54 页 （3-sinx= at8）速度和加速度为： （3-sinx= awt9） （3-sin2x= awt10）由以上各式得： （3-22mra=k - m +m11）式中：不平衡物的质量和，。mm= m公式表示了此概率筛的振幅和该振动系统各动力学因素之间的关系。3.3.2 参振质量 （3-=+immmmkg（）12）式中：参加振动的各部件质量（kg） ；一般情况下小于 1000kg；imim 参加振动的物料质量（kg） ；mm （3-=mmimkb lh 13） 物料结合系数，一般取；mkmk0.2 b筛面宽度（m） l包括给料箱、筛面和排料嘴在内的总盛料长度（m） ； 散密度（kg

50、/m3） ，对于煤的；3500/kg m 各层筛面上料层平均厚度的总和（m） ， 。ih中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 54 页计算得：0.2 1.2 2.5 500 0.2600()mmkg由 6.1 中 solidworks 建模后知筛箱的质量为 850kg。振动电机的总质量为 350kg。总参振质量为：m850+350+6001800kg3.3.3 弹簧刚度弹簧刚度的大小影响振动筛工作频率所处的区域。筛分机采用的弹簧刚度k不同，其工作的状态也就不同。因此，弹簧刚度的选择关系振动筛振幅的稳定性。振动筛的幅频曲线如图 3-3。由公式 3-11 知当时，得系统的固有频率：

51、2k - m +m=0 （3-0k=m +m14）首先，考虑使振动筛的工作频率处于振动曲线的平缓区域(远离共振点 0)。其次，考虑选择的弹簧刚度要减小基础振动。因为振动筛的弹簧起着隔振作用，只有远离共振区工作，振幅比较稳定，弹簧刚度也较小，传给基础动负荷也可小些。隔振弹簧刚度一般是由工作频率与固有频率的比值来决定的，其频率工0图 3-3 振动筛的幅频曲线中北大学 2013 届毕业设计说明书第 20 页 共 54 页比37。 （3-22mk15）式中：筛箱和物料等参加的振动质量（） ；mkg 振动频率（rad/s） ，；260n n筛面振次。 计算得：。222 980180060860/4.71

52、000kn m若筛分机用 个弹簧来支承，则每个弹簧的刚度为：s860215/4kkn ms目前我国的振动筛支承件一般都采用橡胶弹簧, 因橡胶弹簧经济、耐用、噪音小、横向刚度大。为了使振动筛在工作中有足够的稳定性, 在设计隔振弹簧支撑点时, 应该使振动筛的重心相对于隔振弹簧支撑点的位置尽可能低2122。振动筛的支承件选用型橡胶弹簧。高 h180mm，外径zh 180 180 40d180mm，内径 d40mm。肖氏硬度 hs50。静刚度厂标为0.2080.312kn/mm。3.3.4 振动电机振动机械采用振动电机作为激振源以后，设计程序有以下简化23： （1）激振源部分不必再进行繁琐的设计，简化

53、为选用合适的振动电机。 （2）振动参数的计算中省略了激振功率的计算，简化为计算振次和计算激振力。一般情况下，针对机械所需的激振功率为所需功率值的 60%80%。 筛分机所需振动力按公式 ： （3-mf0.18a=nm21000中北大学 2013 届毕业设计说明书第 21 页 共 54 页16）得： （3-mn2am1000f =0.1817）式中： a所需的双振幅（mm） ； 参振重量（kg） ；m 所需的振动力（n） ；mf n振次（min-1） 。计算得： （3-2 4 1800 98078400()0.18 1000mfn 18）所以每个振动电机的激振力为： （3-7840039200(

54、)2fn19）根据计算所得的所需激振力 fm和振动频次即可选择出相应的振动电机。本文选用煤用概率筛分机的激振力为 40000n，选择的型号为 zds-40-6。它的功率为 3000w，zds 系列振动电机是在转子轴两端各安装一组可调偏心块，利用轴及偏心块高速旋转产生的离心力得到激振力。zds 振动电机是动力源与振动源结合为一体的激振源。3.4.5 生产能力概率筛的筛分能力较普通的筛分机械大 510 倍，计算公式为17： （3-13600ssnspnqbk avl20）式中： b筛面有效宽度（m） ；中北大学 2013 届毕业设计说明书第 22 页 共 54 页 ks各层筛面上物料层厚度与筛孔尺

55、寸之比，一般为 12； ns筛面总层数； a筛孔尺寸（m） ； 物料松散密度（t/m3） ； l筛面的长度（m） ； 每层筛面上物料的平均速度（m/s） ，对于大倾角筛面，取：pv。0.4 0.8/pvm s代入数据后计算得：3600 1.2 (2 0.025 0.4 0.5 22 0.013 0.4 0.5 22 0.006 0.4 0.5 2) 152( / )qt h 所以筛分机总的生产能力为 152t/h。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 23 页 共 54 页4 4 筛面上物料的运动与粒径分级研究筛面上物料的运动与粒径分级研究4.14.1 离散单元法离散单元法4.1.1 离散单

56、元法的基本思想离散元法是一种显示求解的数值方法,它的思想源于较早的分子动力学,是研究不连续体力学行为的一种数值方法,它可以细致地模拟各离散单元的相互作用，这种数值方法适用于模拟离散组合体的接触或碰撞过程24。4.1.2 离散单元法的计算机求解对于一个散粒群体,每一颗粒单元都有类似的计算公式，这些计算如果靠手工完成几乎是不可能的,但交给计算机逐个计算不仅完全可行,而且大大提高了计算效率。其计算循环过程如图所示，计算按照时步进行迭代并遍历整个散粒群体,直到对每一个单元都不再出现不平衡力和不平衡力矩或达到规定的迭代次数为止，通过计算每个单元在每一时步的位移即可得出各单元的运动过程18。力-边界条件力

57、-位移关系运动方程位移-边界条件力位移4.24.2 透筛概率理论透筛概率理论4.2.1 物料粒级的确定一定粒度的范围称为粒级，物料粒级的确定方法如下。(1)如果进行筛分作业的筛面为一层，筛孔尺寸为 d(单位为 mm)，则筛上物粒级用+d 表示，筛下物粒级用-d 表示。(2)如果筛面是两层，上层筛面的筛孔较大，尺寸为 d1，下层筛面的筛孔较小，尺寸为 d2。那么筛分后获得的 3 个产物的粒级分别为+d1、d1d2和-d2。(3)在 n 个筛面上依次进行筛分的(n+1)个产物的粒级按上述方法类推。4.2.2 单颗粒透筛概率理论在振动筛面上, 物料受到筛面运动的惯性力作用, 产生连续地跳动。每跳动图

58、 4-1 离散单元法的计算机求解过程中北大学 2013 届毕业设计说明书第 24 页 共 54 页一次都将有部分细粒透过筛孔, 透过筛孔的几率或可能性成为某一直径颗粒或某一级别物料的透筛概率。普通筛分法只考虑了颗粒与筛丝不发生碰撞时的透筛概率。事实上, 当颗粒下落时, 如果与筛丝碰撞, 但质心在筛孔内, 透筛仍可能发生; 颗粒若与筛丝碰撞, 弹跳后仍有可能落入筛孔。另外, 物料在筛面上, 往往是斜抛射, 颗粒下落时的方向与筛面有一定的夹角, 而不是垂直于筛面, 这一些在上面讨论颗粒的透筛概率时均未作考虑。而在概率筛分法中, 比较全面地反映了各种影响因素。物料的筛分过程，基础是概率论的原理，物料

59、颗粒的透筛概率理论实质上就是筛分的基本原理。瑞典学者 f.mogensen 首先提出了球形颗粒倾斜投射到倾斜筛面上时理论透筛概率的计算公式 p，mogensen 同时还研究了物料透过多层筛面的过程，推导出了透过 n 层筛面的颗粒量的概率计算公式2526。q （4-1） 2cos1=cosabdabbdpab （4-12 !11 !1 !mnmnqppmn2）式中：a筛孔尺寸(mm)； b筛丝直径(mm)； d颗粒粒度(mm);筛面倾角()；物料下落时对筛面的相对运动方向线与垂直线的夹角()；颗粒与筛丝内侧碰撞后仍能透筛的概率（%） 。计算式为： （4-2.840.255dae3）颗粒透筛概率的

60、计算公式是理想情况下球形物料的理论透筛概率公式，实际上受颗粒的形状及物料厚度的影响，修正后的理论透筛概率公式才符合实际情况。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 25 页 共 54 页4.2.3 粒群透筛概率理论为进一步研究粒群效应对透筛概率的影响，对赵跃民把同一粒度的颗粒在筛面上的筛分时间视为个随机变量，从而建立了粒群沿筛面长度的透筛概率分布模型即weibull模型： （4-4）b-alp=1-e式中，l为筛面的长度，a、b为参数，且a、b均大于0.进一步的实验结果证明：粒群在普通振动筛、概率分级筛和琴弦概率筛筛面上的透筛概率均服从这一规律。由于粒群沿筛面长度透筛概率weibull模型研究