馬魯豪，張玉華，梅克明，鄭燕武

(1.天津理工大學 天津市先進機電系統(tǒng)設計與智能控制重點實驗室 天津 300384; 2.天津理工大學 機械工程學院，天津 300384)

新技術新設備

新型振動篩分機的創(chuàng)新設計

馬魯豪1,2，張玉華1,2，梅克明1,2，鄭燕武1,2

(1.天津理工大學 天津市先進機電系統(tǒng)設計與智能控制重點實驗室 天津 300384; 2.天津理工大學 機械工程學院，天津 300384)

振動篩分是礦業(yè)生產過程中的重要組成部分，振動篩分裝置主要是用于對礦物質的篩分和去雜，是使用頻率最高、應用范圍最廣的生產設備。新型振動篩分機對傳統(tǒng)篩分機構進行了結構上的創(chuàng)新改進，加入初步篩分裝置，提高了篩分裝置的自動化程度及其篩分效率；同時，該設備通過移動一體化設計，其工作適應能力強，主要適用于臨時性、工作周期短、工作地點不斷變化的場合。

新型振動篩分機；創(chuàng)新改進；篩分裝置；效率

0 前言

隨著國民經濟的快速發(fā)展，國家對于礦產品的需求正在不斷地提高。2015年，我國年礦產資源總產量超過90億噸，年礦業(yè)利潤總額(不含油氣)突破2000億元。在礦業(yè)生產中，振動篩分裝置主要是用于對礦物質的篩分和去雜，是使用頻率最高、應用范圍最廣的生產設備[1]。可以說，篩分裝置在一定程度上決定了礦產業(yè)的發(fā)展，因此研究篩分裝置具有重要的意義及其必要性。本文通過對礦物篩分中進料、輸送、篩分等過程的分析，設計出了特定的進料、輸送、篩分機構，并對其進行集成化設計，最終設計出移動一體式的新型篩分機。

1 傳統(tǒng)振動篩分裝置的結構組成及其局限性

傳統(tǒng)振動篩分機在大型礦業(yè)生產中發(fā)揮著重要作用。如圖1所示，該裝置結構組成簡單，與傳送帶相結合，共同組成傳統(tǒng)式振動篩分機。然而隨著生產實際的逐步變化，傳統(tǒng)篩分機逐漸顯示出了其局限性：傳統(tǒng)振動篩分機往往采用的是“串聯(lián)式單層篩分”結構，體型較為龐大，且各設備均固定于地面，工作地點不可變，因此傳統(tǒng)振動篩分機并不適用于工作地點不斷變化或小型礦業(yè)生產的場合。

1.橫梁 2.前支座 3.前耳軸 4.加強梁5.激振器 6.側板 7.后支座 8.后耳軸圖1 傳統(tǒng)篩分裝置

2 新型振動篩分機的整體結構及工作過程

新型篩分機整體結構如圖2所示，其主要由進料篩分裝置、輸送裝置、篩分機構和支撐車架四大部分組成。進料篩分裝置1通過螺柱安裝在支撐車架的左側，由篩分板、液壓裝置和箱體等組成，主要起到進料和初步篩分的作用；輸送裝置可分為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級輸送機構，其中Ⅰ級輸送機構2位于進料箱1的正下方，其功能為傳送經進料箱初步篩分后的礦物至下一環(huán)節(jié)；Ⅱ級輸送機構3位于Ⅰ級輸送機構2和篩分機構5之間，有30°傾斜角，左下端固定在支撐車架底盤上，右上端通過四根支撐架支撐，主要是將礦物運至篩分機構進行篩分環(huán)節(jié)；Ⅲ級輸送機構又可分為Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3和Ⅲ-4輸送機構，分別為圖中的4、13、12和7，主要是將篩分后的礦物運往指定地點，其中Ⅲ-4輸送機構可通過液壓桿進行一定程度的折疊，從而減少了非工作狀態(tài)下的機構空間；篩分機構5安裝在支撐車架的工作板上，主要由篩箱、篩分網、激振器等組成，本篩分機構具有三層篩網，可最終分選出四種礦物；支撐車架主要由車架14、車輪13和液壓裝置組成，其中液壓裝置由八個液壓支撐桿8組成，主要起到支撐保護作用。

1.進料篩分裝置 2.Ⅰ級輸送機構 3.Ⅱ級輸送機構 4.Ⅲ-1輸送機構 5.篩分機構 6.輸送機構異步電機 7.Ⅲ- 4輸送機構 8.液壓支撐桿 9.扶梯 10.篩分裝置異步電機 11.護欄 12.Ⅲ- 3輸送機構 13.Ⅲ- 2輸送機構 14.車架 15.車輪圖2 新型篩分機

新型篩分機的運動過程包括四個階段。第一階段(即前期準備)，車架下的八個液壓支撐桿啟動并延伸至地面，與車輪一起支撐起整個車體；與此同時，Ⅲ- 4輸送機構7中的液壓裝置也開始工作，使輸送機構運行到工作位置。第二階段(即初步篩分)，將未經過篩分的礦物送入進料篩分裝置中，篩分板通過微小振動將較大的無用礦物分離出來，其余通過篩分板進入進料箱體，并落入Ⅰ級輸送機構送入下一環(huán)節(jié)；同時，進料篩分裝置上的液壓系統(tǒng)啟動，推動篩分板逆時針轉動，最大轉角為55°，此時遺留在其上面的無用物料將順勢滑落至無用物料回收裝置，然后篩分板通過回程過程恢復至原位，等待物料的再次進入。第三階段(即二次篩分)，經過初步篩分后的礦物途徑Ⅰ級、Ⅱ級輸送機構到達篩分機構中，通過三層篩網篩選出四種礦物，并將四種礦物送入Ⅲ級輸送機構。最后Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3和Ⅲ-4輸送機構分別運送四種礦物至指定地點。

3 新型振動篩分機的創(chuàng)新改進

與傳統(tǒng)振動篩分機相比，新型振動篩分機對其進行了“移動一體化”創(chuàng)新設計，加入了初步篩分裝置，并對篩分機構做了改進，經過仿真實驗驗證了其可行性。

3.1 “移動一體化”創(chuàng)新設計

如圖2所示，新型振動篩分機采用“移動一體化”創(chuàng)新設計思想，將進料裝置、輸送裝置、篩分機構和車體進行集成化設計，這種創(chuàng)新改進相比于傳統(tǒng)振動篩分機具有以下優(yōu)點。

(1)集成化、自動化程度高，工作生產效率高，且初次工作無需對設備進行選址、定位及裝配，節(jié)約了時間，有利于后續(xù)工作的推進；

(2)具有可移動性。新型篩分機通過車載的方式很容易實現(xiàn)異地之間的運送，更加適用于臨時性、工作周期短、工作地點不斷變化的場合，傳統(tǒng)篩分裝置較難實現(xiàn)；

(3)體型小，費用低，適用于小型礦業(yè)生產。

3.2 進料裝置的改進

新型振動篩分機對傳統(tǒng)式進料箱進行了改進，即加入初步篩分機構。這種改進不僅可以讓裝備實現(xiàn)進料功能，也可對物料進行初步篩分，有利于之后篩分機構的工作；并且提前去除掉體積過大的礦物，也可防止篩分機構的過載，對篩分機構有著保護作用。

1.進料箱 2.支撐平臺 3.左側液壓桿 4.篩分板 5.右側液壓桿 6.支撐架圖3 新型進料篩分裝置

改進后的進料篩分裝置如圖3所示，其由初步篩分機構(篩分板4、升降機構(由液壓系統(tǒng)組成))和進料箱1等組成。由于改進多集中于初步篩分機構，故需要對篩分板4和升降機構進行單獨設計。

3.2.1 篩分板的結構設計

篩分板的結構如圖4所示，主要由篩分板體4、方柱1、左擋板2、右擋板6和支架(3、5)等組成，十一根方柱1通過螺栓7固定在篩分板體4上，形成了篩分板的主體部分。根據工作場合和工程實際的不同，每兩個方柱1之間間隔有所不同。本文以每兩個方柱1之間間隔為200 mm為例進行分析，即篩分板可篩分分離出長、寬、高任意一方向超過200 mm的礦物。左右兩側各有4個支架(3、5)，支撐起左、右擋板(2、6)，擋板主要起到保護和防止物料意外滑落的作用。

1.方柱 2.左擋板 3.左支架 4.板體 5.右支架 6.右擋板 7.螺栓圖4 篩分板

3.2.2 篩分板最大傾斜角θmax的設計計算

最大傾斜角θmax的設計計算，需要考慮到兩種情況。

(1)第一種情況。礦物各個方向尺寸都大于200 mm，此時可以設定礦物與篩分板之間的接觸為面接觸。設某塊礦物的質量為M，密度均勻，則可對其進行受力分析如圖5a所示。

圖5 礦物受力分析圖

以平行于斜面和垂直于斜面建立平面直角坐標系，可得到力學平衡表達式

Mgsinθ=f

f=uFn

Fn=Mgcosθ

其中，f為靜摩擦力；u為摩擦系數(shù)，由工程實際和篩分板材料(鋼結構)，可以選取u為0.7；Fn為篩分板對礦物的支持力；g為重力加速度。

則可以得出θ=35°。

(2)第二種情況。礦物只有若干方向尺寸大于200mm，此時可以設定礦物與篩分板之間的接觸為雙點接觸。假設某塊礦物的質量為m，密度均勻，雙點對物塊的支持力相等，則可對其進行受力分析如圖5b所示。

以平行于斜面和垂直于斜面建立平面直角坐標系，可得到力學平衡表達式

mgsinθ=f

f=2uFn

2Fnsinα=mgcosθ

α的大小由物塊的重心決定，由實際工況(物塊的各向尺寸相差不大)，則α的范圍為30°～90°，選取u為0.7，則可以得出θ的取值范圍為35°～54.5°。

綜合上述兩種情況，可選取θmax=55°，即當篩分板逆時針轉過55°時，其上的被分離出的無用礦物便可以全部自動滑落下來。

3.2.3 升降機構最大行程的計算

升降機構的最大行程，即為進料箱左右兩側液壓桿的最大伸長量(即初、末位置液壓桿長度之差)。末位置時，液壓桿長度可以通過篩分板最大傾斜角θmax=55°來計算。通過計算計算升降機構的最大行程，可用來確定液壓裝置的行程，進而選在液壓裝置型號。

如圖7所示，為升降機構初、末位置的結構簡圖。

1.活塞桿 2.液壓缸 3.篩分板圖6 升降機構初、末位置的結構簡圖

(1)初位置狀態(tài)為圖6實線部分所示。

LAB=1 356.5mm，LBC=2 300mm，

LAC=1 268.9mm，β=30°

(2)末位置狀態(tài)為圖6虛線部分所示，由余弦公式得

γ=β+θmax

3.3 篩分機構的改進

篩分機構是新型篩分機的核心裝置，主要完成“細篩”的過程。新型振動篩分機摒棄了傳統(tǒng)礦用篩分機構常用的“串聯(lián)式單層篩分”形式(如圖1所示)，采用“并聯(lián)式多層篩分”結構，該結構可減小設備體積，降低成本，提高篩分效率。

按照篩箱運動軌跡的不同，篩分機構可分為直線振動篩、圓振動篩和橢圓振動篩等[3]。其中，圓振動篩是指當篩分機構工作時篩箱的運動軌跡近似圓形的一種高效慣性振動篩，可利用篩箱的振動特性完成對物料的篩選、分級、脫水等環(huán)節(jié)[4]。其具有結構可靠，激振力強，篩分效率高和維修方便等特點[5]，廣泛應用于礦山、能源等行業(yè)。故本設計選用圓振動篩，采用三層篩分方式，其整體結構如圖7所示。

1.篩網 2.出料口 3.前支撐彈簧組 4.篩箱5.主動激振器6.后支撐彈簧組 7.從動激振器圖7 篩分機構

4 改進前后的振動篩分機參數(shù)比較

新型振動篩分機主要適用于工作場地不斷改變或小型礦業(yè)生產的場合。本文選擇小型礦業(yè)生產的場合，對改進前后的振動篩分機的主要參數(shù)進行比較。

4.1 改進前后的振動篩分機相關參數(shù)

通過實地調研，傳統(tǒng)振動篩分機(以“三級單層篩分”結構為例)的主要參數(shù)如表1所示。其中，初次工作前期準備考慮初次裝配、選址等工作，平時工作不再考慮；篩分工作時間為篩分10 t礦物所用時間。

表1 傳統(tǒng)振動篩分機主要參數(shù)

通過仿真實驗，新型振動篩分機的主要參數(shù)如表2所示。其中，篩分工作時間為篩分10 t礦物所用時間。

表2 新型振動篩分機主要參數(shù)

(1)傳統(tǒng)型篩分機構功耗的計算。根據功耗公式W=P·t及表1中的數(shù)據, 一級篩分機構功耗W1=15×0.83 kW·h=12.45 kW·h； 二級篩分機構功耗W2==7.5×0.83 kW·h=6.225 kW·h 三級篩分機構功耗W3=2.2×0.83 kW·h=1.826 kW·h總功耗W=W1+W2+W3=20.501 kW·h

(2)新型篩分機構功耗的計算。由W=P·t及表2中的數(shù)據,總功耗W=P·t=22.5×0.75=16.875 kW·h。

4.2 參數(shù)比較

通過表1、表2中的數(shù)據可以看出：新型振動篩分機的總工作時間和篩分機構總功耗比傳統(tǒng)篩分機小很多，初次工作總時間由3.25 h減少到0.633 h，減少了413.43%，平時工作總時間由0.917 h減少到0.633 h，減少了44.87%；篩分機構功耗由20.501 kW·h減少到16.875 kW·h，減少了21.5%。此外，新型振動篩分機篩分效率提高明顯，占地面積及其設備成本均有大幅度減少，雖篩分有效率有所減少，但減小幅度較小，仍可滿足生產實際要求。故比起傳統(tǒng)型篩分機，新型振動篩分機更加符合并滿足小型礦業(yè)生產的要求。

5 結論

新型振動篩分機是一種創(chuàng)新設備，主要針對傳統(tǒng)振動篩分裝置難以實現(xiàn)異地運送的缺點，對其進行了“移動一體化”創(chuàng)新設計，使之更適合于臨時性的、工作周期短、工作地點不斷變化的場合；同時，該裝置體型小，減少了傳統(tǒng)篩分裝置中的多余工作環(huán)節(jié)，增大了篩分效率，減少了工作成本。

[1] 聞邦椿，李以農，張益民.振動利用工程[M].北京：科學出版社，2005.

[2] 左建民．液壓與氣壓傳動[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3] 段志善.我國振動篩分設備的現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].礦山機械，2009,37(4):1-4.

[4] 洛陽礦山機械工程設計研究院．GB/T7679.6-2003礦山機械術語(第6部分)：礦用篩分設備[S]．北京：機械工業(yè)出版社，2004:5.

[5] 徐文彬．圓振動篩的發(fā)展及其技術分析[J]．礦山機械，2016,44(4):47-53.

Innovative design of the new vibrating screen machine

MA Lu-hao1,2, ZHANG Yu-hua1,2, MEI Ke-ming1,2, ZHENG Yan-wu1,2

(1.Tianjin Key Laboratory for the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China ; 2.School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

Vibrating screen plays an important role in the mining industry production. The installation of vibrating screen machine mainly focuses on screening and removing the impurity in the mineral, and it is the device which is highest frequently and widely used in the area. The new vibrating screen machine innovates and modifies the structures on the basis of traditional screens, the primary screen device is adopted to promote the degree of automation and its efficiency in screening. Meanwhile, the integrated design of the device consists of multiple advantages, however, the utility model can be operated in the short-term or the temporary situations, which reveals the wide usage of the new equipment.

new vibrating screen machine; innovate and modify; screening device; efficiency

2016-09-08；

2016-11-18

馬魯豪(1991-)，男，天津理工大學碩士研究生。

TH237+.6

A

1001-196X(2017)02-0007-05