振動給料機的研究與未來發展趨勢分析

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一、振動給料機介紹

衆所周知,振動給料機是一种在选矿作业、人工砂石线、选煤等行业中广泛应用的给料设备。纵观其发展历程,先后经历了电磁振动、电机振动、机械振动三个发展阶段。振動給料機在冶金、煤炭、电力、化工、建材、轻工和粮食等行业中广泛应用,可与其他设备配套,实现给料、喂料、配料、定量包装和流程自动化作业。在矿山选矿工艺中,与选矿设备配套使用,主要用在溜井放矿、转载装车、选矿破碎给料作业;在煤矿作业流程中,可用在井下转载,箕斗下转载,原煤仓下配煤、精煤仓下装车和洗选机均匀给料等作业;在水泥及混凝土加气块设备生产线中,可用于混凝土搅拌站水泥的给料;本文着重对振動給料機的发展历程、应用效果,特别是研究现状等方面加以综述,并对振動給料機的研究发展趋势提出前瞻性的展望。

振動給料機

二、振動給料機的发展

20世纪50年代初,由连杆及偏心轴传动的K型机械式往复给料机广泛运用在矿井生产中,特别是煤矿井下。该机型结构简单,动力消耗较大,设备笨重,处理量小且成间接成堆式不均匀给料。但该机型维修量小、耐用,布置所需高度低,且对物料的粒度组成、外在水分等物理性质要求不严。随着矿井机械化程度的提高,这种振動給料機已无法满足生产的需要。

进人20世纪60年代,随着生产技术的发展,通过引入国外精良设备,出现了电磁振動給料機,并迅速得到广泛应用。电磁振动给煤机属于双质体共振型,其相对于K型给煤机具有处理能力大、结构紧凑、重量轻、可无极调速以及电耗少等特点,在全国得到推广,颇受用户欢迎。然而,经过使用发现电磁振動給料機故障较多,如衔铁损坏,无振幅不走料,板弹簧断裂,板弹簧顶紧螺栓松动,铁芯与衔铁间气隙的大小以及板弹簧片数调整不当,易造成电流加大、振幅减小和不能正常运转,严重者将产生铁芯碰撞而导致铁芯和线圈的损坏;工作时噪声大,不宜输送极细的或潮湿的粘性粉状物以及输送距离短。这一系列问题限制了电磁振動給料機的进一步发展。

20世纪80年代中期,开始生产电机振動給料機(GZG,MZG型),GZG型电机振動給料機是以振动电机为激振源,根据双电机自同步原理而设计,该机型尽管存在着电机易坏、槽体振裂、维修工作量大等问题,但经过诸多实践案例应用,证明其性能优于电磁振動給料機。

振動給料機

GZD型惯性机械振动型振動給料機是在上述背景下于20世纪80年代末研制发展起来的,GZD型振動給料機引用国外的精良技术,通过挠性连接将激振器与普通电机相连接,电机只传动不参振,运转可靠,维修工作量小,给料通畅,对运输物料的水分和粘度的适应性强,不粘物,槽底还可加铺耐磨衬板。但是此种振動給料機噪音大,漏油严重,给料量调整困难,基于以上缺点,设计出现了一种由两台电机同时分别驱动两根偏心轴的惯性振動給料機,这种振動給料機由两台电机控制同步运转,两轴间无齿轮传动,减小了噪声,润滑方便。XJG型惯性共振式振動給料機是继往复式给煤机、电磁振動給料機、自同步惯性振動給料機之后,综合其优缺点,参考了国外近期使用和引进的设备,研制成的又一种新型给料设备,也是开发的新产品,其受力状态较好,动力消耗小,噪声低,开停机平稳。

20世纪80年代末90年代初,根据现场使用需要,各种新型振動給料機应运而生。芬兰Rox—on公司(前称kone Kunming Gravel Equipment工程公司)设计制造了一种将重型板式喂料机与筛分机有效结合在一起的、结•构形式新颖的棒条振動給料機,具有筛分、输送双功能,适用于选矿、建材和化学等工业部门,特别适用于黑色、有色金属矿石、建筑石料粗碎前的给料;意大利ORU公司生产的用于现场制备混凝土加气块的Autoforcula1040型等混凝土搅拌站,采用了以电机为动力的篦形振動給料機,该种给料机用于凝土搅拌站水泥的给料;济南某所制造了一种多层槽振動給料機,将槽体分成上、下两层或多层空间,可提高料槽工作面对物料的速度传递效率,提高生产率。

振動給料機

三、振動給料機的研究现状

振動給料機结构图
电磁振動給料機结构图

在中国振動給料機的发展历程中,研究主要集中在以下几个方面。

1、關于物料結合狀態的研究

振動給料機在输送物料时的振动参数受被输送物料的影响,物料主要影响给料机的参振质量和阻尼,物料结合系数与阻尼系数的确定在振動給料機的设计中占有较大比重。闻邦椿院士在这方面做了相关的研究,推导出了物料结合系数的计算公式,证明了理论计算的物料结合系数’基本上适合工程实际的情况。不同形式振動給料機的物料结合系数不同,国内外学者分别对工作面无倾角和有倾角的振動給料機系统进行了讨论,分析结果表明:当工作面有倾角时物料结合系数比工作面无倾角时小;物料结合系数与阻尼系数随着振幅的增大而减小,其中物料结合系数减小较快。对于单质体弹性连杆振動給料機,物料滑行输送时,决定物料结合系数的主要因素是物料与槽体之间的摩擦系数和槽体倾角。

振動給料機

2、關于系統運動學與動力學的研究

振動給料機机械系统的振动特性和动力学参数对给料效果有重要影响。振動給料機按机械系统结构的力学原理,主要分为单质体和双质体两大类,对工程中常用的振動給料機,大都采用单质体集中质量力学模型,构成单自由度线性振动系统。对于单电机振動給料機,通过理论研究,建立振動給料機的力学模型和运动微分方程,证明单电机立式安装优越于卧式,同时为避免槽体摆动给料机设计安装时必须满足一定的条件。对于双轴(或)双电机振動給料機,分为双机竖置和双机横置两种结构形式,目前对其振动理论以及动力学参数的研究日趋完善,在研究其摆振时,通过建立双电机自同步振動給料機的三自由度力学模型,进行动力学分析,在此基础上得出了机体不出现摇摆振动的条件。

在考虑既有粘性阻尼又有摩擦阻尼的情况下的振動給料機,对其建立力学模型和微分方程,可知粘性阻尼和摩擦阻尼对给料机的振幅有所影响…’;利用离散元方法对颗粒在振動給料機中的运动过程进行数值研究,发现振動給料機中颗粒运动随振动参数变化而变化;对多轴振動給料機的研究,分析出了其更大给料速度和极限速度;对振動給料機进行实测研究,得到了给料机的激振力、倾角、振动方向角和人料口厚度与生产率及电参数的关系,并找到了各参数之间的更优组合。此外对振動給料機进行优化设计及运动仿真,对部件进行参数化设计、装配及结构分析也都取得了一定的成果。

振動給料機

3、关于振動給料機给料槽强度的研究

在多年的研究中,一个重要的课题是解决振動給料機结构强度,这是发展大型振動給料機、提高给料量的关键。在振動給料機各种零部件中,激振器不是更重要的,反而是给料槽更重要,为什么这么说呢?因为在激振力交变载荷作用下,给料槽更常见的损坏就是侧板和横梁的疲劳断裂。其原因主要为应力过大、应力集中、存在高次应力谐波,如果厂商研发能力有限,材料选择不合理、设备设计的结构形式不合理、断面形状和尺寸厚度等选择不恰当,则很容易造成这个问题。另外侧板与横梁的联接方式、振动电机的安装位置等对结构强度也有较大的影响。对整个给料槽动强度研究所采用的主要方法是弹性力学有限元的分析方法。在对给料槽侧板的分析中除利用有限元方法外,也采用模态综合分析技术计算前4—8阶模态。研究表明,当某一阶固有频率与工频接近时,侧板的相对扭曲变形明显增大,因而与工频接近的模态及其阵型对其动强度的影响应当加以重视。

4、关于振動給料機给料自动控制的研究

振動給料機给料的准确控制直接影响到生产的效益与质量,采用单片机可控制电磁振動給料機均匀给料,具有结构简单,易于调节,工作稳定和远距离微机控制等特点,可实现生产流程的集中控制和自动控制。文献提出了对惯性给料机的振动电机转速的PID控制策略,并进行了仿真研究。文献介绍了一种通过SSR来完成调速控制的新方法,已在多种类型的定量秤和配料秤中使用。经实践证明,该控制方法具有工作可靠、寿命长、无噪声、开关速度快和抗干扰能力强等优点。国内从20世纪80年代初已有变频调速技术的应用,使用变频调速器,可以对电机实施软启动及制动,保护电机,也可以连续调节电机振动频率,改变输料量,在焦家金矿和铜坑抛废工程以及大型火电厂自动输煤系统应用中均取得了很好的效果。此外通过半波能耗制动,可有效地消除振動給料機的余振导致多给料引起原燃料消耗的增加,提高给料的精确度。

振動給料機

5、關于隔振效果的研究

目前振動給料機主要有吊挂式和支座式两种安装方式,选择哪种安装方式要根据给料机的安装环境、振动程度以及给料要求等因素综合考虑。需要对振動給料機的隔振弹簧刚度和弹簧的位置进行计算或采用优化设计的方法对振動給料機隔振参数进行优化计算,以确定弹簧参数。另有文献介绍振動給料機的一次隔振和二次隔振系统隔振参数的计算方法和设计参数的选取,对振動給料機的隔振理论进行了详细的分析,该设计方法在许多选矿设备案例和砂石设备应用中得到有力的证实。此外采用混合隔振技术,选取合适的主动控制反馈变量和反馈增益,可以使系统处于更佳工作效率状态。

6、關于反共振原理的研究

振動給料機是利用振动来完成物料输送的机械,现有礦用給料機的種類较多,但是它们的激振电机一般都直接参与振动,这样不但振动电机的使用寿命缩短,而且振动质量也较大,耗能多。采用双自由度反共振原理设计出新型的反共振振動給料機能使电动机不振动,而振动却通过弹簧传到振动料槽,达到振动给料的目的;采用多自由度的反共振原理,对电磁振動給料機作改进,电磁铁间的振幅不用很大就能使料槽产生较大的振动,增大了电磁铁的稳定性,具有很好的隔振效果。

振動給料機

7、關于自同步理論的研究

从20世纪80年代初就进行了关于振動給料機的自同步理论研究,目前只有在双电机振動給料機和双轴机械式振動給料機上应用。通过建立双电机自同步振動給料機的力学模型,进行动力学分析,研究得出了振動給料機同步性判据和稳定性判据的计算公式;研究采用普通双电机把自同步理论实际运用到给料机上,由电机挠性驱动装在给料机上的反向旋转偏心轴作用下实现直线振动,电机不参振,大大提高了给料机的可靠性和使用寿命。

8、關于噪聲的分析與控制研究

据专家大样本测定,振動給料機的噪声大都在70dB以上,分析其噪声来源,主要有振动电机转动部分的不平衡,机体各相对运动件之间的相对运动,给料机横梁、侧板等钢制构件的弹性振动,物料对给料槽底板的冲击以及螺旋弹簧的振动碰撞等。对振動給料機噪声频谱分析表明,当激振器频率与料槽弹性振动的某一阶固有频率相近时,将引起料槽弹性体的强烈振动和噪声。在已有的研究中提出的降噪措施主要有采用小尺寸高精度的轴承,从而减缓内外圈与滚动体之间的撞击;对给料槽横梁和侧板采用适宜刚度以减小弹性振动引起的声辐射。多采用橡胶等非金属材料,如橡胶复合弹簧和挠性连轴器等以减少钢制件的直接撞击,以及采用吸声法来降低噪声。

振動給料機

四、国内振動給料機的发展趋势

工业的发展对振動給料機的品种和质量要求愈来愈高,从而使振動給料機的发展提高到了一个新的阶段。综合国内外振動給料機的应用状况,以及以上各类给料机的发展历程及研究现状,总结出国内振動給料機的发展趋势主要有以下几个方面:

1、提高元部件性能和可靠性,降低維護量,設備開機率的高低主要取決于元部件的性能和可靠性。振動機械的新技術和新産品的開發和應用,仍是非常值得重視的問題。如高性能可控軟啓動技術、動態分析與監控技術等,使給料機性能得到進一步提高。新材料新工藝的采用,特別是高性能材料的采用方面要進一步研究,以減輕振動機械的重量,提高其産品的質量,采用非金屬元部件,如橡膠彈簧、複合彈簧以及玻璃板簧等,大大提高振動機械的運轉穩定性。

2、振動給料機有向大型化方向发展的可能性,但在一段时期内,将主要的研究和研制结构新颖受力状态良好的振動給料機,突破传统振動給料機结构的设计模式。由于经济发展的需要,将迫使人们研制较大型振動給料機,以提高处理能力,适应高产高效集约化生产需要,但是大型振動給料機的发展,尚需在结构强度方面进行更深入的探讨,以提高其运转的可靠性。

3、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。向高效率高产量化发展,工业的现代化进程促使企业规模增大、生产能力大大提高,需要高效高产能给料机与之配套,促使企业开发与其他设备配套的专用振動給料機,以满足生产给料要求。

4、不断改进振動給料機的控制、调节性能,使振動給料機始终保持高效的工作状态。料槽角度可调以适应处理量的要求,振动形式可调以适应不同物料和给料效率的要求,其中激振器的研究应该是一个发展方向。

5、降低動力消耗,減小噪聲,達到更加環保和人性化設計。這也符合國家“十二五”發展綱要中的相關精神。

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