脫介弧形篩自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)氣缸的選型

么 雷，李莉莎，徐英芳，魏子慶

(北京國(guó)華科技集團(tuán)有限公司，北京 101300)

帶有翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的弧形篩廣泛用于重介質(zhì)選煤廠的脫介作業(yè)[1]，這類(lèi)弧形篩的篩框底面與水平面成一定傾角。料漿以一定的速度通過(guò)給料箱并沿切線方向進(jìn)入篩面，在離心力的作用下，料漿層緊貼篩面流動(dòng)；在料漿層從橫向布置的其中一根篩條流至另一根篩條的過(guò)程中，每根篩條的棱邊都對(duì)其產(chǎn)生切割作用。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在使用一段時(shí)間后，因料漿的磨損作用，對(duì)著來(lái)料方向的篩條棱邊就會(huì)變成圓角，導(dǎo)致物料分級(jí)粒度變小，設(shè)備處理能力降低。但由于篩條的斷面具有對(duì)稱(chēng)性，故可在其中一側(cè)棱邊受損后將篩板反向安裝，使另一側(cè)棱邊對(duì)著來(lái)料方向。在篩板反向安裝后的使用過(guò)程中，由于篩面持續(xù)受損，圓角棱邊的篩條反而會(huì)被磨出與新篩條相似或相同的銳邊[2]。因此，此類(lèi)弧形篩的篩板可以多次換向安裝與使用，且能保持物料的分級(jí)粒度基本不變[3]。

在脫介弧形篩翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，先將篩框從傾斜位置翻轉(zhuǎn)至水平位置，再將其旋轉(zhuǎn)180°，然后將篩框反向翻轉(zhuǎn)，使其按設(shè)計(jì)傾角定位在使用狀態(tài)[4]。目前，脫介弧形篩的翻轉(zhuǎn)操作主要依靠人力完成，整個(gè)操作過(guò)程需要20～30 min，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又存在較大的安全隱患[5]。為此，基于旋轉(zhuǎn)氣缸和頂升氣缸設(shè)計(jì)出自動(dòng)翻轉(zhuǎn)弧形篩，其以現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有氣源作為動(dòng)力，通過(guò)兩個(gè)氣缸的共同動(dòng)作實(shí)現(xiàn)脫介弧形篩的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。

1 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

能夠?qū)崿F(xiàn)脫介弧形篩自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的傳動(dòng)形式有蝸輪蝸桿傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)等，蝸輪蝸桿傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)的制造成本均很高，占用空間大，不便布置與安裝在弧形篩下方；液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)的傳動(dòng)原理相同，只是動(dòng)力源不同。由于選煤廠無(wú)現(xiàn)成的液壓站為液壓傳動(dòng)提供動(dòng)力，故以液壓傳動(dòng)的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)還須配帶液壓站，致使設(shè)備采購(gòu)成本大大提高。但空壓機(jī)是選煤廠必不可少的設(shè)備之一，這就為氣壓傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)奠定了動(dòng)力基礎(chǔ)，且有利于消減采購(gòu)成本。從翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能實(shí)現(xiàn)情況、采購(gòu)成本、現(xiàn)場(chǎng)安裝等因素綜合考慮，采用氣壓傳動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)脫介弧形篩自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(圖1)主要由弧形篩連接座、樞軸、旋轉(zhuǎn)氣缸、頂升氣缸、中心軸、底座組成，旋轉(zhuǎn)氣缸通過(guò)樞軸帶動(dòng)弧形篩連接座旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)弧形篩的旋轉(zhuǎn)功能；頂升氣缸通過(guò)其鉸接支撐點(diǎn)帶動(dòng)弧形篩連接座繞中心軸運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)弧形篩的翻轉(zhuǎn)功能。

1—弧形篩連接座；2—樞軸；3—旋轉(zhuǎn)氣缸；4—頂升氣缸；5—中心軸；6—底座

2 氣缸的選型與計(jì)算

2.1 旋轉(zhuǎn)氣缸的選型與計(jì)算

在篩框水平旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)氣缸提供的最大轉(zhuǎn)矩Tmax要能夠滿(mǎn)足篩框旋轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩T轉(zhuǎn)，即Tmax≥T轉(zhuǎn)[6]。在選型與計(jì)算過(guò)程中，設(shè)定篩框在5 s內(nèi)由水平靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到1 r/min的正常運(yùn)轉(zhuǎn)速度。篩框?qū)挾?.2 m的弧形篩質(zhì)量約為1 800 kg，現(xiàn)以該型篩機(jī)為例詳細(xì)介紹具體選型與計(jì)算過(guò)程。

篩框轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為：

T轉(zhuǎn)=J·ε,

(1)

J=M·i2,

(2)

(3)

式中：J為篩框?qū)剞D(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ε為角加速度，rad/s2；M為篩框質(zhì)量，kg；i為慣性半徑，m；Δω為篩框旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s。

篩框質(zhì)量為1 800 kg，慣性半徑為2.158 m，依據(jù)式(2)可計(jì)算出篩框?qū)剞D(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為8 382.5 kg·m2。已知n=1 r/min，Δt=5 s ，聯(lián)立式(1)和式(3)可得出T轉(zhuǎn)≈176 N·m。

根據(jù)篩框旋轉(zhuǎn)的需要，結(jié)合實(shí)際計(jì)算數(shù)據(jù)，參照氣缸選型手冊(cè)，選擇φ125 mm的氣缸，其完全能夠滿(mǎn)足使用要求。

2.2 頂升氣缸的選型與計(jì)算

2.2.1 頂升氣缸行程的計(jì)算

將篩框位置和各轉(zhuǎn)軸相對(duì)位置尺寸投影到平面上，可得到篩框不同狀態(tài)下的平面示意圖，如圖2、圖3所示。

圖2 篩框水平狀態(tài)平面示意圖Fig.2 Planimetric diagram of the sieve frame in horizontal state

圖3 篩框工作狀態(tài)平面示意圖

篩框處于水平狀態(tài)時(shí)的氣缸鉸接點(diǎn)選擇A1，其翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可轉(zhuǎn)化為氣缸鉸接點(diǎn)A1圍繞篩框轉(zhuǎn)軸O的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)幾何半徑R=586 mm；篩框翻轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)時(shí)，氣缸鉸接點(diǎn)為A2，其由水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)可轉(zhuǎn)化為A1點(diǎn)繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)到A2點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R=586 mm，氣缸鉸接點(diǎn)圍繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的弧長(zhǎng)為614 mm。

綜上分析，氣缸鉸接點(diǎn)處提供的行程應(yīng)該不小于614 mm，根據(jù)氣缸的實(shí)際鉸接頭情況，選擇行程630 mm的氣缸即可滿(mǎn)足要求。

2.2.2 頂升氣缸缸徑的計(jì)算

利用Solidworks三維建模軟件，按照1∶1的比例建立弧形篩及其翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)各部件的模型[7]，并將篩框質(zhì)心與各轉(zhuǎn)軸相對(duì)位置尺寸投影到平面上，如圖4、圖5所示。

圖4 篩框水平狀態(tài)時(shí)質(zhì)心及各轉(zhuǎn)軸點(diǎn)相對(duì)位置尺寸

圖5 篩框傾角為α?xí)r質(zhì)心及各轉(zhuǎn)軸點(diǎn)相對(duì)位置尺寸

由圖4、圖5可知：

(1)篩框處于水平狀態(tài)時(shí)，篩框質(zhì)心繞篩框轉(zhuǎn)軸O轉(zhuǎn)動(dòng)的幾何半徑r=561 mm，質(zhì)心和篩框轉(zhuǎn)軸O的連線與豎直方向成30.5°角。氣缸鉸接點(diǎn)A1繞篩框轉(zhuǎn)軸O轉(zhuǎn)動(dòng)的幾何半徑R=586 mm，氣缸固定轉(zhuǎn)軸至篩框轉(zhuǎn)軸O的距離L=923 mm。此時(shí)，氣缸鉸接點(diǎn)A1、氣缸固定轉(zhuǎn)軸、篩框轉(zhuǎn)軸O構(gòu)成一個(gè)三角形，其以篩框轉(zhuǎn)軸O為頂點(diǎn)的角為15.5°。

(2)篩框在由水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)至工作狀態(tài)的過(guò)程中，傾角為α(α[0,60])時(shí)，氣缸鉸接點(diǎn)Aα、氣缸固定轉(zhuǎn)軸、篩框轉(zhuǎn)軸O構(gòu)成一個(gè)三角形，其以篩框轉(zhuǎn)軸O為頂點(diǎn)的角為(15.5°+α)，質(zhì)心和篩框轉(zhuǎn)軸O連線與豎直方向成(30.5°-α)角。

在篩框翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，篩框自身重力G與頂升氣缸推力F構(gòu)成力矩平衡[8]，則可得

(4)

式中：D為頂升氣缸推力的力臂，m；d為篩框重力的力臂，m。

通過(guò)計(jì)算可得到G=18 000 N，根據(jù)三角形計(jì)算公式[9]，篩框翻轉(zhuǎn)角為α?xí)r，d和D分別為：

d=γsin(30.5°-α)，

(5)

(6)

聯(lián)立式(4)、式(5)、式(6)可得

(7)

根據(jù)式(7)的計(jì)算結(jié)果，利用Matlab編程計(jì)算[10-11]得到篩框翻轉(zhuǎn)過(guò)程中氣缸驅(qū)動(dòng)力F隨傾角α的變化曲線，如圖6所示。

圖6 氣缸驅(qū)動(dòng)力隨傾角α變化曲線

由圖6可知：當(dāng)α∈[0,30.5)，F(xiàn)>0，此過(guò)程氣缸作用力為推力，最大推力值Fmax=13 865 N；當(dāng)α=30.5°時(shí)，F(xiàn)=0，此過(guò)程氣缸瞬時(shí)不受力；當(dāng)α(30.5，60]，F(xiàn)<0，此過(guò)程氣缸作用力為拉力，最大拉力值F'max=9 130 N。

綜上所述，在篩框翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，水平狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)所需推力最大，隨著傾角α的增大，所需推力減??；當(dāng)α=30.5°時(shí)，推力減小為零；隨著傾角α的繼續(xù)增大，氣缸作用力變?yōu)槔?，且拉力隨傾角α的增大而增大；在工作狀態(tài)下，篩框所需拉力最大。根據(jù)氣缸所需最大推力與最大拉力的計(jì)算值，參照氣缸選型手冊(cè)，選擇缸徑160 mm的氣缸即可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

3 結(jié)語(yǔ)

基于旋轉(zhuǎn)氣缸和頂升氣缸的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)弧形篩能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，整個(gè)翻轉(zhuǎn)過(guò)程的時(shí)間在2 min左右，僅為傳統(tǒng)翻轉(zhuǎn)時(shí)間的1/15～1/10。目前，已有4臺(tái)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)弧形篩在山西永寧選煤廠(處理能力為2.0 Mt/a)投入應(yīng)用，主要用于脫除介質(zhì)。生產(chǎn)實(shí)踐表明：該設(shè)備的使用節(jié)省了大量的人力和時(shí)間，同時(shí)保證了翻轉(zhuǎn)動(dòng)作的安全性，并為選煤廠帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)效益。該型弧形篩操作簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，安全可靠，故障率低，在選煤廠具有廣闊的應(yīng)用前景。

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