馬 超

(山西晉煤集團(tuán) 晉城乾泰安全技術(shù)有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006)

振動(dòng)篩的一、二次隔振與反共振技術(shù)的應(yīng)用

馬 超

(山西晉煤集團(tuán) 晉城乾泰安全技術(shù)有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006)

振動(dòng)篩是近些年來全國各洗煤廠對(duì)物料進(jìn)行篩分,以及對(duì)選后產(chǎn)品進(jìn)行脫水與脫介的必要機(jī)械設(shè)備之一。通常使用一、二次隔振以減少其工作時(shí)對(duì)地基的動(dòng)負(fù)荷及其所產(chǎn)生的噪音。普通一次隔振振動(dòng)篩的隔振裝置可以減小其帶給地基振動(dòng)的85%～90%,二次隔振振動(dòng)篩的隔振效果甚至可以達(dá)到90%～95%。反共振機(jī)械因?yàn)橛衅洫?dú)特的反共振原理,可以很好地滿足系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)頻率、幅值的要求,并減少對(duì)地基的損害以及工作噪聲。反共振振動(dòng)機(jī)械在工作時(shí)傳給基礎(chǔ)的動(dòng)負(fù)荷,可以比普通一次隔振振動(dòng)篩減小大約57%,甚至比一般的二次隔振振動(dòng)篩還要小。

振動(dòng)篩;一次隔振;二次隔振;反共振理論

近些年,我國各地洗煤廠都在穩(wěn)步提升各自的年處理量。隨著旋流器、溜槽等重介質(zhì)選礦的逐步普及,各大選煤廠都越來越重視對(duì)選后介質(zhì)的回收以及煤炭的分級(jí)。篩分設(shè)備是用于物料的分級(jí)及對(duì)其脫水、脫介的設(shè)備。當(dāng)振動(dòng)篩用于脫水、脫介時(shí),可以大量回收附著在選后的精煤、中煤或矸石表面的重介質(zhì)和水并循環(huán)使用,從而避免了資源的浪費(fèi)。此外重介質(zhì)和水的有效循環(huán)利用還提高了精煤、中煤的發(fā)熱量和質(zhì)量,從而降低選煤的成本增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

振動(dòng)機(jī)械在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須考慮到兩個(gè)問題:第一,振幅和工作頻率要達(dá)到設(shè)計(jì)初值;第二,盡量減少其工作時(shí)對(duì)地基的動(dòng)負(fù)荷和所產(chǎn)生的噪音[2]。在振動(dòng)工程中,首先要利用機(jī)械所產(chǎn)生的穩(wěn)定的振動(dòng)來達(dá)到工作的目的,同時(shí)還要努力使用隔振來減小該振動(dòng)給地基帶來的動(dòng)負(fù)荷[3]。振動(dòng)篩的減振主要是指對(duì)地基的減振和啟、停車時(shí)過共振區(qū)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)的減振,共振是指當(dāng)激振器產(chǎn)生的激振頻率等于整機(jī)的固有頻率時(shí)所產(chǎn)生的一種劇烈振動(dòng)的現(xiàn)象。振動(dòng)篩工作時(shí)還會(huì)產(chǎn)生很大的噪音,這些噪音主要來源于各零部件(如軸承)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲、篩面上的顆粒與篩面發(fā)生接觸碰撞時(shí)產(chǎn)生的噪聲以及金屬彈簧伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的聲音, 相關(guān)設(shè)計(jì)人員針對(duì)這些問題提出了使用隔振彈簧以及阻尼等方式進(jìn)行改進(jìn)[4]。

1 振動(dòng)篩一次隔振技術(shù)

普通一次隔振單質(zhì)體振動(dòng)篩的力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 一次隔振振動(dòng)篩力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of the one-stage vibration isolation vibrating sieve machine

其中M為篩機(jī)與篩上物料的總質(zhì)量,安裝在篩機(jī)側(cè)幫上的激振器工作時(shí)產(chǎn)生Psinωt的正弦激振力帶動(dòng)振動(dòng)篩工作。整機(jī)工作時(shí)通過彈性系數(shù)為k的隔振彈簧和阻尼系數(shù)為c的阻尼進(jìn)行隔振處理,從而達(dá)到降低噪聲及減輕基地動(dòng)負(fù)荷的目的。普通一次隔振振動(dòng)篩的隔振裝置可以減小其帶給地基振動(dòng)的85%～90%。

2 振動(dòng)篩二次隔振技術(shù)

普通二次隔振雙質(zhì)體振動(dòng)篩的力學(xué)模型如圖2所示。

二次隔振振動(dòng)篩的工作原理與一次隔振相同,只是在其彈簧下安裝了下質(zhì)體與二次隔振彈簧進(jìn)行進(jìn)一步消振處理。目前已開始大量使用的二次隔振振動(dòng)篩的隔振效果甚至可以達(dá)到90%～95%,且可以不錯(cuò)的克服振動(dòng)平衡點(diǎn)的困難[5]。

圖2 二次隔振振動(dòng)篩力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of the two-stage vibration isolation vibrating sieve machine

3 反共振技術(shù)

對(duì)于兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度的振動(dòng)系統(tǒng),當(dāng)其激振力的頻率達(dá)到某一個(gè)定值的時(shí)候其中一個(gè)自由度的振動(dòng)會(huì)靜止,這種現(xiàn)象叫做反共振現(xiàn)象。反共振機(jī)械因?yàn)橛衅洫?dú)特的反共振原理,可以很好地滿足系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)頻率、幅值的要求,并減少對(duì)地基的損害以及工作噪聲[6]。反共振振動(dòng)機(jī)械在工作時(shí)傳給基礎(chǔ)的動(dòng)負(fù)荷,可以比普通一次隔振振動(dòng)篩減小大約57%,甚至比一般的二次隔振振動(dòng)篩還要小[7]。目前在我國洗煤廠中,應(yīng)用反共振技術(shù)較為廣泛的是煤用反共振離心脫水機(jī)。

反共振振動(dòng)篩的力學(xué)模型為雙自由度物體在某激振力下的受迫振動(dòng),其力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 原點(diǎn)型反共振振動(dòng)篩的力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of driving point anti-resonant vibrating sieve machine

圖中上質(zhì)體重量m2，為工作質(zhì)體,慣性激振器裝在重m1的下質(zhì)體上,提供大小為Fsinωt的簡諧激振力,k1和k2、c1和c2分別為下質(zhì)體和地基之間、下質(zhì)體和上質(zhì)體之間的彈簧剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)。由該力學(xué)模型可得出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

反共振振動(dòng)篩包括上質(zhì)體和下質(zhì)體兩個(gè)大部分。上質(zhì)體即工作質(zhì)體,由篩框、篩板以及大梁等組成,是反共振振動(dòng)篩的主要工作部分,其質(zhì)量為m2,kg;下質(zhì)體質(zhì)量為m1,kg,并且在下質(zhì)體上安裝有激振器,激振器工作時(shí)產(chǎn)生大小為Fsinωt的簡諧激振力。x1、x2分別為m1和m2的響應(yīng)位移,m。k1和k2分別為橡膠彈簧和螺旋彈簧的剛度系數(shù),N/m;c1和c2為下質(zhì)體m1和地基之間、m1和m2之間的黏性阻尼系數(shù),N·s/m。

設(shè)彈簧的阻尼系數(shù)很小可以忽略,即c1=c2=0,此時(shí)由式1可知系統(tǒng)在忽略阻尼下的振動(dòng)微分方程為:

.

(2)

為簡便運(yùn)算帶入符號(hào):

K11=k1+k2,K12=K21=-k2,K22=k2,

則式2可變?yōu)?/p>

.

(3)

式3是一個(gè)二階線性常系數(shù)非齊次微分方程,其解由齊次方程的通解加方程(3)的特解組成。由于有微小阻尼的存在,系統(tǒng)的自由振動(dòng)在一段時(shí)間后衰減為零,非齊次方程的特解則為穩(wěn)定階段的等幅振動(dòng),系統(tǒng)在與激振力相同的頻率下作受迫振動(dòng)[8]。設(shè)方程的特解為

(4)

則有,

.

(5)

式中：A1、A2分別為質(zhì)體m1和m2受迫振動(dòng)下的穩(wěn)態(tài)振幅,m。

將式(4)和式(5)代入式(3)后簡化可得

.

(6)

解方程組(6)后即可得到系統(tǒng)在激振力Fsinωt作用下的響應(yīng)為：

(8)

反共振振動(dòng)篩工作時(shí),由激振器產(chǎn)生的簡諧激振力通過上、下質(zhì)體之間的螺旋彈簧傳入上質(zhì)體中,從而帶動(dòng)上質(zhì)體以一定振幅振動(dòng),而下質(zhì)體保持不動(dòng)或輕微振動(dòng),激振器也不參與振動(dòng),大大減小了參振質(zhì)量(其中參振質(zhì)量可減少約30%～50%)。下質(zhì)體與地面之間的圓柱形橡膠彈簧工作時(shí)非線性強(qiáng)且阻尼系數(shù)大,可消除工作時(shí)下質(zhì)體的輕微振動(dòng)以及整機(jī)起停車過共振區(qū)時(shí)的劇烈振動(dòng)對(duì)地基的影響,從而減小地基的動(dòng)負(fù)荷。

對(duì)于反共振振動(dòng)篩的外觀,筆者已初步設(shè)計(jì)出的三維模型如圖4所示[9]。

1-篩箱;2-下質(zhì)體;3-激振器;4-電機(jī);5-圓柱型隔振金屬螺旋彈簧.圖4 反共振振動(dòng)篩的初步設(shè)計(jì)Fig.4 Preliminary design of anti-resonant vibrating sieve machine

4 結(jié)語

反共振理論在振動(dòng)機(jī)械領(lǐng)域的使用面可以更加寬闊,但現(xiàn)在在該方向的研究卻不是很多。由于較二次隔振而言,反共振振動(dòng)篩的激振器安裝在下質(zhì)體上,這樣就大大簡化了工作質(zhì)體的結(jié)構(gòu),并且整機(jī)質(zhì)量和參振質(zhì)量都可以有很大程度的減輕,這樣激振力也可以相應(yīng)地減小。而且設(shè)計(jì)下質(zhì)體時(shí)因?yàn)槠鋷缀醪徽駝?dòng)所以更方便確保其在剛度和強(qiáng)度方面的要求, 激振器不需考慮振動(dòng)時(shí)整機(jī)和地基的動(dòng)負(fù)荷,同時(shí)整機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲也會(huì)有明顯減小;此外工作質(zhì)體不用受激振力的直接帶動(dòng)作用,因此篩箱的使用壽命相應(yīng)可以延長很多。但是反共振振動(dòng)篩的振幅容易被篩面上顆粒質(zhì)量的變化而影響,因此對(duì)其激振頻率穩(wěn)定性的要求十分嚴(yán)格。在后續(xù)研究中,筆者將綜合考慮一些如材料的節(jié)省、結(jié)構(gòu)的精簡和一些零部件的更換,對(duì)反共振振動(dòng)篩進(jìn)行精簡,并對(duì)存在問題進(jìn)行改進(jìn)。

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ApplicationofOne-stage/Two-stageVibrationIsolationandAnti-resonantVibrationTechnologyinVibratingSieve

MAChao
(QiantaiSafetyTechnologyCo.,Ltd.,JinchengCoalGroup,Jincheng048006,China)

In recent years, vibrating sieve has been widely used in coal preparation plants to sieve materials and it is also one of necessary machines for dehydration and medium-removing for the selected materials. Under normal conditions, one-stage and two-stage vibration isolation are used to reduce the dynamic load of the machine on its foundation and reduce the noise. The vibrating sieve of the one-stage vibration isolation could reduce the vibration by 85%～90% and the two-stage vibration isolation could reduce by 90%～95%. With its unique anti-resonant vibration theory, the anti-resonant vibration machine could satisfy the requirement of the vibration frequency and amplitude of the system and reduce its damage and noise. When the machine is working, the dynamic load of the anti-resonant vibration machine is about 57% smaller than that of the one-stage vibration isolation, even smaller than that of the two-stage vibration isolation.

vibrating sieve; one-stage vibration isolation; two-stage vibration isolation; anti-resonant vibration theory

1672-5050(2017)03-0056-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.016

2017-04-05

馬 超(1988-),男,山西晉城人,碩士,從事礦山機(jī)電的研究。

TD452

A

(編輯:楊 鵬)