SP型煤用分流器的改进研究及设计计算_徐英芳.pdf

书书书 煤炭洗选加工SP 型煤用分流器的改进研究及设计计算徐英芳，魏松阳，丁福生，田庭伟，李国英(北京国华科技集团有限公司，北京101300)摘要:针对现有 SP 型煤用分流器在实际生产应用过程中的常见问题，进行结构改进研究，并提出主要参数的设计和确定原则，阐述了分流器的设计计算方法。改进后分流器结构简单，分流精度提高，运行安全可靠，使用效果良好，能保证最大的生产效益。关键词:分流器;分流精度;改进优化;角执行机构;设计计算中图分类号:TD463文献标识码:A文章编号:1005-8397(2023)02-0001-04The structure improvement and designing calculation of SP diverter in coal fieldXU Yingfang，WEI Songyang，DING Fusheng，TIAN Tingwei，LI Guoying(Beijing Guohua Technology Group Ltd.，Beijing 101300，China)Abstract:This paper presents the frequent problems of the SP diverter during field operation in coal preparation plant and makes astudy of the structure improvement，which introduces the principle for designing deciding the main parameters and exposes thedesigning calculation method of the diverter.The improved diverter shows the strength of simple structure，high splitting precision，safe reliable operation and proven performance，which will enhance the productivity to the maximum extentKeywords:diverter box;splitting precision;improvement;angle actuator;designing calculation收稿日期:2023-01-30DOI:10.16200/ki.112627/td.2023.02.001作者简介:徐英芳(1987)，女，河北唐山人，2011 年毕业于安徽理工大学工业设计专业，工学学士，北京国华科技集团有限公司工程师。引用格式:徐英芳，魏松阳，丁福生，等 SP 型煤用分流器的改进研究及设计计算 J 煤炭加工与综合利用，2023(2):141概述SP 型煤用分流器是专门为重介质选煤工艺设计的物料分流设备。主要用于脱介弧形筛筛下物及磁选机精矿的分流、煤泥重介旋流器的溢流箱等，可以调整煤泥或介质的流向，实现对系统中煤泥含量、介质密度等工艺参数的控制。选煤厂常用分流器有电动(A 型)和手动(M 型)两种类型，现有分流器由箱体、分流板、轴、曲柄等部分组成。分流板位于箱体的内部中间位置，由此形成物料的两个通道，分流板通过两端的传动轴及密封组件连接在箱体上，一端轴上装有曲柄，通过电动执行机构或人工扳动曲柄可使分流板在箱体内旋转，分流板旋转的角度决定其两侧通道的开度。两端通道开度均为 0 100%可调。其结构示意见图 1(以 M 型为例)。图 1SP(M)型煤用分流器结构示意2分流器常见问题分流器是通过对分流板位置的准确控制，既要降低悬浮液的煤泥含量，又要把介质损失降到最低，来保证分流量的分配比例，使选煤生产在低成本的情况下顺利进行。可见分流器如若存在精度差或出现设备故障等问题，对后续生产流程将有较大影响，甚至导致生产瘫痪。因此确保分流器在选煤生产过程中安全可靠的运行，十分必1煤炭加工与综合利用No.2，2023COAL POCESSING COMPEHENSIVE UTILIZATION要。结合选煤厂对现有分流器的使用经验及结构分析，概括总结分流器主要存在以下几方面问题:(1)通过图 1 所示结构可以看出，现有分流器的传动轴及密封组件位于分流器中下部，在实际生产中物料会不断冲刷传动轴，造成传动轴及密封组件持续磨损甚至扭断，降低了使用寿命，同时也相应提高了对密封的要求，结构较为复杂;(2)分流板磨损后检修、更换困难，甚至须拆除上级工艺流程设备才能实现更换，增加了选煤厂劳动成本及工作量;(3)分流板与箱体间存在间隙，物料导入分流板时外渐严重，无法避免“串料”现象，从而降低了分流精度，随着分流板两侧挡板的不断磨损，甚至无法实现对分流量的有效控制;(4)驱动装置位于设备外侧壁下端，设备无法下沉，导致工艺布置时必须增设支架来抬高与分流器相连的设备，增加安全隐患的同时也加大了成本。3结构改进研究及主要参数的设计3.1结构改进研究现有分流器在实际生产中物料会不断冲刷传动轴，尤其用于磁选机精矿的分流和煤泥重介旋流器的溢流箱下分流时，因物料中含有大量介质且流速较快，传动轴磨损极其严重，遂设想将分流板改为分料斗，物料导入斗内避免直接冲刷传动轴及密封组件，传动轴与分料斗上端连接，通过传动轴的转动，实现对分流量的控制，同时也解决了“串料”问题，有效提高分流精度，因物料与传动轴几乎无接触，大大降低了对密封的需求，具备实现密封结构简单化的先决条件。为满足现代选煤厂智能化需求，改选用 SD系列电动执行机构，它接收来自调节器或计算机的 420 mA(或 15 V)模拟量信号及断续接点控制信号，输出力矩或力，自动地操纵调节机构，完成调节任务。也可通过电动操作器实现“手动自动”转换，切换到手动时，用操作器也可对执行机构进行远方控制。SD 系列电动执行机构与传动轴通过单键连接，进一步简化了结构，降低加工制作成本。改进后的新型分流器由角执行机构、盖板、分料斗、传动轴、箱体、中间隔板和出料管等部分组成。分流机构由传动轴和分料斗焊接而成，位于箱体内部中上位置，两端传动轴通过轴承座固定在箱体上，一端轴上装有角行程电动执行机构，以此来驱动分流机构偏转，物料通过分流机构导流分配到箱体下方的两个通道中，分流机构偏转的角度决定其两侧通道的开度，两端通道开度均为 0100%可调。其结构示意见图 2。图 2改进型分流器结构示意改进型分流器具有如下结构特征及优势:(1)从图 2 可以看出，改进型分流器入料管与物料输送管道连接，若需更换或检修分料斗，仅需将入料管与输送管道之间的连接件拆除，即可将分流器移动到开阔空间。为更方便吊出分料斗，分流箱侧板设有 U 型长孔，与外侧挡板(见图 3)活性连接。这一结构特征可使分流机构整体吊出，检修、更换安全快捷，降低了劳动强度，降低了安全隐患。图 3分流箱侧板及挡板结构示意(2)现有分流器轴承座为非标准型，轴承座内侧设两道 O 型圈用于密封分流箱内物料，外侧一道 O 型圈用于防尘。改进型分流器将非标准型轴承座改为标准成品轴承座，固定于分流箱侧板及挡板上，可选用 GB/T 78101995 带菱形座外球面球轴承(带顶丝 UCFLU 型)成套产品，这一结构特征的优化使结构更简单，并大幅降低了加工成本。2煤炭加工与综合利用2023 年第 2 期图 4菱形座外球面球轴承(3)工艺布置时选择性好，改进型分流器驱动结构位于分流器上端，安装支座距底板高度 h具有更大幅度调节范围，分流器在工艺布置时可整体下沉，无需增设支架来抬高与分流器相连设备，节约空间，降低选煤厂投入成本。3.2主要参数的设计和确定原则改进型分流器的主要参数包括分料斗的形状及尺寸、分流箱内中间隔板高度、分流箱体尺寸、出料管尺寸等，以上所述参数均依据入料管的内径 d 及外径 D 来确定的。3.2.1分料斗的形状及尺寸分料斗呈方斗状，下方出口向内收缩，出口截面呈长方形，为保证分料斗快速排料，应使出口面积 S 略大于入料管面积 Sr，经试验可得 S=(1.251.5)Sr时效果较好，此时即使入料管满管入料，也可保证分料斗内几乎不存料。同时考虑到分料斗出料均匀性以保证分流精度，出口短边边长 L矩形出口窄边0.7 d，使分料斗内物料沿矩形出口长边均匀给料。如图 2 所示，分料斗的设计极限偏转角度为20，根据入料管的外径 D 及插入分料斗深度 m可自行确定分料斗的长度和宽度，但设计人员须考虑分料斗的插入深度，插入深度越大越有利于解决物料从分料斗顶盖“外渐”问题，但同时会导致分料斗的高度变大，也就使分流箱体整体高度增大，因此须综合各种因素确定分料斗中入料管的插入深度，推荐插入深度 m200 mm，待以上参数确定后即可确定分料斗高度，完成分料斗的主要参数设计。3.2.2中间隔板高度 h中间隔板高度也是直接影响分流精度的重要因素之一，高度过高，会直接导致分流箱体高度增加，不但增加制作成本，更影响工艺布置;高度过低，因物料“外渐”导致分流精度降低，甚至有可能导致两个通道在隔板上端互通。决定中间隔板高度 h 的因素很多，例如分料斗的出料流速、分流箱出料管大小、分流物料的种类及浓度等。一般根据使用经验综合考虑，中间隔板高度h 须不小于入料管内径 d。3.2.3分流箱尺寸分流箱的尺寸基本由分料斗尺寸及中间隔板高度决定，分料斗偏转到极限位置时，须保证两端通道开度分别为 0 和 100%，考虑安装误差及避免产生“窜料”现象，此时分料斗与中间隔板间距为 1525 mm，即完成分流箱的主要参数设计。3.2.4出料管尺寸出料管一般设两个，分别焊接在分流箱两个通道的底板上，为保证物料及时排出箱体，出料管直径一般不小于入料管直径 d。4分流器的设计计算4.1角执行机构的选型计算分流器是靠角执行机构输出转角力矩来驱动分料斗偏转，实现分流量调控的，因此角执行机构的选型关键要素是计算驱动分料斗偏转的最大扭矩。在实际运行过程中，结合受力分析图(见图 5)，设分料斗偏转角为、转动轴心为 O、分料斗(含物料)质心为 Z。图 5料斗偏转时受力分析图经分析可得，将重力 G 可分解为沿 OZ 方向的分力 FOZ及垂直于 OZ 方向的分力 F，可得转轴的外力偶距计算式如下:Me=FlOZ=mglOZsin(1)由平衡方程可得:T=Me(2)式中:T 为转轴的理论扭矩，Nm;Me为转轴所受外力偶距，Nm;lOZ为转动轴心 O 与分料斗质心 Z 的距离，m;m 为分料斗及斗内物料的总重，kg;g 为重力加速度，N/kg。32023 年第 2 期徐英芳，等:SP 型煤用分流器的改进研究及设计计算基于上文分析计算可得，当分料斗偏转到极限位置时(设计极限位=20)，扭矩可达最大值，但实际生产时，入料管内物料进入分料斗时会产生巨大的冲击，因此扭矩最大值的计算还应考虑到实际工况，即最大扭矩 Tmax由下式求出:Tmax=KT=KmglOZsin20 Tn(3)式中:Tn为角执行机构额定负载扭矩，Nm;K 为工作情况系数，见表 1。表 1工作情况系数 K原动机工作机类类类电动机、汽轮机1.01.52.0汽油机、四缸以上1.52.02.5柴油机2.52.53.0分流器以角执行机构为动力源(执行机构的驱动源为电动机)，实际生产时因分料斗受物料冲击较大即载荷变化较大，但其额定行程时间较长，且使用时运转不频繁，因此工作情况系数 K可按类工作机选取。4.2传动轴的设计计算传动轴的设计主要指轴径的计算和传动轴结构的设计，结合运转工况及结构分析，计算传动轴直径时，主要所依据扭转强度条件来确定最小直径。即受扭矩的转轴，其切应力应满足以下条件:max T(4)根据切应力计算式可得:max=Tmax/Wt(5)实心轴的抗扭截面系数公式为:Wt=D316(6)将式(5)、式(6)带入式(4)可得，轴径 D 的计算式为:D 316Tmax T(7)式中:max为传动轴所受的最大切应力，MPa;T 为许用切应力，MPa，轴的切应力条件计