1、中北大学 2013 届毕业设计说明书 煤粉制样筛分装置设计及粒径分级研究 摘要 随着生产力的发展，在煤炭加工行业上， 对 煤的粒度分级 有了更高的要求 ，煤炭筛分分级 技术发展起来 。 振动筛以其 筛分效率高，结构简单，工作可靠，成本低等优势，在所有筛分设备中，占有绝对优势 。 振动筛筛分的机理研究是振动筛设计的基础 ,高的筛分效率和大的处理量一直是筛分 作业追求的目标。 因此振动筛的筛分效率的研究和优化对筛分机的设计有重要的意义。计算机的模拟及软件的分析已成为研究筛分机的重要手段。 本文 首先 对物料的筛分 过程 进行了研究， 接着又进行了 煤用筛分机 的工艺学参数、动力学参数和 筛面 结构
2、参数的计算， 然后又总结了 筛面长度与筛分效率的一般性关系 ， 本文 还 分析了 不同条件下颗粒的分层与透筛之间的关系 ， 对粒径分级进行了研究， 最后 建立起振动筛的 数学模型 ，在此基础上进行了 筛分效率优化 。 另外， 运用 SolidWorks 软件进行了整体结构的设计，又运用SolidWorks Simulation 模块对筛 分机 的关键 部 件 进行了有限元分析。 关键词 ： 煤用 筛 分机 ， 粒径分级 ， 数学模型，结构设计 ，有限元分析 中北大学 2013 届毕业设计说明书 Coal screening device design and size classificati
3、on research Abstract With the development of productive forces, in the coal industry, there are more requirements on the size grading of coal, coal classification technology developed. Vibrating screen with its high efficiency, simple structure, reliable work, low cost etc, in all screening equipmen
4、t, have absolute advantage. Study on the mechanism of vibration sieve screening is the basis of vibrating screen design, high screening efficiency and high throughput screening has been the pursuit of the goal. Therefore the research and optimization of the screening efficiency of vibrating screen h
5、ave important significance to the design of screen. Simulation and analysis software of computer has become an important means to study the screen. This paper first process for screening materials were studied, and the calculation process of coal sieving machine parameters, dynamic parameters and st
6、ructure parameters of the screen surface, and then summarizes the general relationship between the sieve length and the screening efficiency, this paper also analyzes the hierarchical particle under different conditions and the relationship between the transparent screen, on the particle size gradin
7、g were studied, finally establish the mathematical model of vibrating screen, on the basis of the screening efficiency optimization. In addition, the design of the overall structure of the use of SolidWorks software, and using the SolidWorks Simulation module of the finite element analysis of key co
8、mponents of the screen. Keywords: coal particle size grading, screening machine, mathematical model, structure design, finite element analysis中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 页 共 页 目 录 1 引言 . 1 1.1 课题的工程 背景及意义 . 1 1.1.1 筛分机研究的工程背景 . 1 1.1.2 本课题研究的意义 . 1 1.2 国内筛分机的发展研究现状与发展趋势 . 2 1.2.1 筛分机的理论现状来 . 2 1.2.2 筛分机的发展
9、现状 . 2 1.2.3 筛分机的制造现状 . 3 1.2.4 筛分机的发展趋势 . 4 1.3 本文的主要研究内容和研究手段 . 5 1.4 SolidWorks 软件简介 . 5 1.5 课题研究设计流程图 . 5 2 筛分过程及振动筛的结构原理分析 . 7 2.1 筛分过程 . 7 2.1.1 筛分的基本原理 . 7 2.1.2 筛分效果的评定 . 7 2.1.3 影响筛分过程的因素 . 9 2.2 筛分机械的工作原理 . 10 2.3 煤用筛分机的结构组成 . 11 3 煤用筛分机主要参数的确定 . 12 3.1 运动学参数的确定 . 12 3.1.1 筛面倾角 . 12 3.1.2
10、振动方向角 . 12 3.1.3 振动强度 iK . 12 3.1.4 抛射强度 vK . 13中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 页 共 页 3.1.5 筛面振幅 A . 13 3.1.6 筛面振次 n . 13 3.2 筛面的结构参数 . 13 3.2.1 筛孔大小、形状和开孔率 . 13 3.2.2 筛面宽度和长度 . 14 3.2.3 筛丝直径 . 14 3.3 动力学分析及参数计算 . 14 3.3.1 动力学分析 . 14 3.3.2 参振质量 . 17 3.3.3 弹簧刚度 . 17 3.3.4 振动电机 . 19 3.4.5 生产能力 . 20 4 筛面上物料的运动与粒径
11、分级研究 . 21 4.1 离散单元法 . 21 4.1.1 离散单元法的基本思想 . 21 4.1.2 离散单元法的计算机求解 . 21 4.2 透筛概率理论 . 21 4.2.1 物料粒级的确定 . 21 4.2.2 单颗粒透筛概率理论 . 21 4.2.3 粒群透筛概率理论 . 22 4.3 不同参数下筛面长度与筛分效率的关系 . 23 4.3.1 筛面长度与筛分效率的关系 . 23 4.3.2 各类参数下筛分效率的函数模型 . 24 4.4 颗粒的分层与透筛 . 24 4.4.1 分层与透筛现象 . 24 4.4.2 粒径的大小对分层与透筛的影响 . 25 4.4.3 分层与透筛速率的
12、定义 . 25 4.4.4 不同参数与分层透筛速率的关系 . 26中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 页 共 页 4.4.5 筛面结构与分层透筛速率的关系 . 26 5 筛分机数学模型的建立与筛分效率的优化 . 27 5.1 筛分数学模型的分类 . 27 5.2 筛分数学模型的建立 . 27 5.3 筛分机综合效率的优化 . 29 6 对振动筛进行整体结构设计与关键部件的有限 元分析 . 34 6.1 SolidWorks 软件对振动筛进行整体结构设计 . 34 6.1.1 关键部件的实体建模 . 34 6.1.2 装配建模 . 40 6.2 筛分机关键器件的有限元分析 . 41 6.2
13、.1 SolidWorks Simulation 模块简介 . 41 6.2.2 橡胶弹簧的有限元分析 . 42 6.2.3 横梁的有限元分析 . 45 6.2.4 筛箱的有限元分析 . 47 7 总结 . 50 参考文献 . 51 致谢 . 54 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 1 页 共 54 页 1 引言 1.1 课题的工程背景及意义 1.1.1 筛分机研究的工程背景 筛分作业 是 将松散的混合物 料 通过单层或多层筛面的筛孔，按照 粒 度将其分成两种或若干种不同粒级产品的过程。 从 煤炭加工 行 业 来说 ，早在 16 世纪中叶，英国 就有关于煤炭 筛分的 相关文献 。 到
14、19 世纪下半叶， 为了适应 市场的需 求 ， 对商品煤的粒度分级有了更高的要求 ， 因此 煤炭筛分分级盛行起来。 20 世纪 40 年代出现了振动筛， 标志着现代筛分技术进入了一个新的发展阶段 1。 已广泛 运 用于采矿、冶金、煤炭、石油化工、水利电力、轻工、建筑、交通运输和铁道等工业部门中 ,以完成 不同的工艺过程 2。 振动筛以其 筛分效率高，结构简单，工作可靠，成本低等优势，在所有筛分设备中，占有绝对优势 。 筛分技术的发展都是依赖于筛分理论的发展。 对振动筛来说，筛分过程是以概率论的原理为基础的 , 颗粒 物料的透筛概率理论 实质上就是筛分的基本原理 。 20 世纪 50 年代，首先
15、由瑞典的学者 F.Mogensen 提出了概率筛分理论 ，随后 闻邦椿、 C.W.Schultz、 R.B.Tippin 等又深入的研究了概率筛分理论，扩大了概率筛分设备的应用范围 3。 在此基础上 ， 国外采用了先进的技术，生产出了性能优良的筛分机械 4。 在 我国 ， 振动筛分级理论研究方面 ， 国内与国外差距不大 , 水平相当 ,但在制造方面 , 国内和国外有较大差距 ， 主要表现在： 强度低、寿命短、噪声大、隔振差、轴承温升大 ， 制造比较粗糙 等 ， 很多方面 还 有待于提高 5。 煤炭企业根据原煤质 量分别进行洗选和筛选 ,按质量和粒级出多种产品供应用户是急待解决的问题。 目前 各
16、工业部门对煤炭的粒级需要是 6: （ 1） 中块 (25-50mm)供化肥、机车、链条式锅炉、鲁奇炉发生煤气用 ； （ 2） 小块 (13-25mm)供机车、链条式锅炉 ； （ 3） 粒煤 (6-13mm)供机车、链条式锅炉 ； （ 4） 粉煤 (-6mm)供喷粉锅炉、沸腾床层锅炉以及民用 蜂窝 煤和煤 球。 1.1.2 本课题研究的意义 全球每年都有数百亿吨的粒 状物料 要经过筛分处理 。 仅在我国，每年经过筛分作业处理的煤炭就有十几亿吨 。 振动筛之前的机型因不能满足生产发 展的需要，已中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 2 页 共 54 页 逐渐被淘汰，振动筛凭借其较高的筛分效率和
17、较大的生产能力被广泛使用，并得到了迅速发展。 振动筛 在筛分行业占绝对优势 ，但它 实际生产过程中同时受到激振力 、物料反作用力以及隔振系统反作用力的影响 ， 主要结构的零部件长时间承受着恶劣的交变载荷 。 通过对筛分过程进行深入的理论研究 ，以此为基础确定 筛分机的最佳运动学参数， 寻找提高振动筛使用寿命和工作稳定性的措施 ， 使用更合适的分析方法和分析手段对振动设备进行基于动力学特性的优化设 计 7。 从而提高筛分效率，降低能耗，延长筛分机 ， 使用寿命，促进筛分机械设计的改进、优化及 新型筛分机械的研制。 因此对筛 分机 的 效率 优化分析和结构设计有重要的意义。 1.2 国内筛分机的发
18、展研究现状与发展趋势 1.2.1 筛分机的理论现状来 筛分的方法可分为普通筛分法、薄层筛分法、概率筛分法、厚层筛分法和概率等厚筛分法。振动筛分设备动力学研究主要是运用振动理论来进行分析的 , 包括线性振动和非线性振动两大类。线性振动筛包括共振筛和远离共振区的 惯性 振动筛两种筛分设备。非线性振动理论主要用于大型非线性共振筛 , 由于其能耗低以及检修时需要的空间小等特点 , 而具有一定的优势。在一定的筛分效率下筛分机要获得较高的 单位面积处理能力 , 很大程度上取决于筛面的运动轨迹。在筛分机的发展过程中，筛面的运动的轨迹筛面运动轨迹从一条直线发展到多种曲线 , 从线性演变到非线性 ， 从平面曲线
19、到空间复杂曲线等，以适应各种被筛物料的特性要求 8。 1.2.2 筛分机的发展现状 我国筛分机械的制造开展主要经历了三个阶段： 仿制阶段：新中国解放前后，我国的振动筛分机械主要引进模仿前苏联技术，仿制苏联设计制造的 TY11 型圆振动筛、波兰的 wp1 型和 wp2 型吊式振动筛等。这些筛分机械的仿制成功， 既 满足了国内的生产需求，也培育了一批技能人员为我国筛分 机械的 发 展奠基了坚实的 基础 。 自行研制阶段：从 1966年到 1980年研制了一批性能优良的新型筛分设备， 1500 mm 3000mm 重型振动筛及系列， 15m2、 30m2 共振筛及系列等。这些设备虽然存在着故障较多、
20、寿命较短的问题，但是它们的研制成功基本上满足了国内需要，标志着我国筛分机走上了独立发展的道路。 引进、消化、提高阶段：进入改革开放的 80 代，我国经济高速开展，科学技中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 3 页 共 54 页 能以及加工制造精度的不断进步，振动筛分机械的研发技术提高，成功研制了振动概率筛系列、旋转概率筛系列，完成了重型冷热矿筛系列、弛张筛、螺旋 三段筛等筛分机 的研制， 开始突破了一些关键技术 ，尤其是重型 、 大功率振动电机的问世，更是 加快 我国振动机械设备行业向国际先进行列迈进 的步伐 。 1.2.3 筛分机的制造现状 振动筛分机械是利用振动的多孔工作面，将颗粒大小
21、不同的混合物料按粒度进行分级，也常用于物料的脱水及清洗物料表面的污泥。它一般安装在给料设备的下边，给料机应均匀地供料。振动筛种类繁多，一般有以下几类。 （ 1） 惯性振动筛 惯性振动筛是借高速回转着的不平衡重 物 产生离心力使筛箱振动，从而筛面上物料层松散使细粒级通过筛孔排出。近年来由于惯性振动筛性能较好、 结构和维护工作都较简单，在选煤、选矿厂得到推广应用，受到各国重视， 振动筛 主要包括圆运动振动筛和直线振动筛。 圆运动振动筛是利用不平衡重激振器使筛箱振动的筛子，其运动轨迹一般为圆形。圆运动振动筛分为单轴惯性振动筛和自定中心振动筛两种。单轴惯性振动筛特点是激振器的轴和皮带轮参与振动，自定中
22、心振动筛优点是运转时三角皮带轮不与筛箱一起振动，故传动皮带寿命较长，工作较稳定。 直线振动筛是靠两根带不平衡重的轴作同步异向旋转而产生振动的筛子。其筛面呈水平或倾斜安装，运动轨迹一般为直线，故称之为直线振动筛或水平振动筛。由于 筛箱运动过程中有较大的加速度，所以特别适合于煤炭的脱水、脱泥、脱介以及物料的分级。 （ 2） 共振筛 共振筛从 50 年代应用于煤炭和矿石中，其振动系统是在接近共振区的条件下工作的，即筛子的工作频率接近它的自振频率。它既可用作煤和矿的预先筛分和最终筛分，也可以脱水、脱泥和脱介。共振筛利用了共振原理，具有下列特点：在共振频率附近，使用较小的激振力来驱动较大面积的筛箱；可以
23、节省传动系统的功率消耗，并减少轴承等机件的受力；利用了非线性振动系统，筛子的瞬时加速度大，对分级、脱水等作业有益。但由于其在安装上要求高，技术上比 较复杂，共振筛的发展较缓慢。 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 4 页 共 54 页 （ 3） 其它类型的振动筛 等厚筛 ： 我国现有的 ZD 型直线等厚筛系列，有 7 种基本规格，总筛分效率一般在 85%以上。 ZD 系列等厚筛适用于需要精确分级的煤炭的干湿式筛分，处理量较大，筛分深度可至 6 毫米。 研制摩根森筛：瑞典创制的摩根森筛是以概率论为原理的新型筛分机，适合于筛分水分大和难筛分的细粒级物料。它是由一个悬挂在弹簧上的筛箱和一组多层
24、的倾斜筛板以及两个不平衡重激振器。 概率筛分机 ： 概率筛分机通过采用大筛孔、大倾角和多层筛面结构，使物料近似筛分而提高筛机处理能力和干式筛分的深度。 电 磁振动旋流筛 ： 电磁振动旋流筛是一种结构简单的高效脱水脱泥设备。该筛无转动部件，无需润滑，不需动力，不仅用于选煤厂，还可推广用作污水处理和选矿厂及其它类似物料的脱水脱泥和分级设备。 1.2.4 筛分机的发展趋势 在目前的发展过程中有以下几点是要注意的：一是集成计算机设计的成果 , 包括动力学分析、参数计算、强度计算、三维绘图、模拟装配和仿真运行等程序 , 形成系统软件包；利用复合仿真试验技术 , 深入研究新的筛分理论技术。二是创造出新型的
25、振动筛分设备。研究与探讨在重力、浮力、离心力、电磁力、振动力复合作用下的新筛分 理论与技术 , 研究出适合各种条件 、 各种物料的新型筛分装置 , 以满足新的生产工艺要求。三是加强环保理念 , 注重振动筛的降噪和防尘设计与制造 , 在节能、节水和循环经济发展的领域寻找振动筛分的新用途和新市场。总的来说振动筛呈以下发展趋势： （ 1） 应用等厚筛分法：这种筛分法的特点是，不管入料中小于筛孔的颗粒所占百分比如何，在筛分过程中筛上物粒层的厚度保持不变或递增；而采用普通筛分法时，筛上物料层厚度却是递减的。普通筛分法平均单位筛面透筛能力仅是筛面实际透筛能力的 25左右。而等厚筛分法，小颗粒和筛面接触的概
26、率大大增 加，平均单位筛面透筛能力约为筛面实际透筛能力的 80。 （ 2） 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。包括筛机品种、振动器、筛框侧板及筛板传动轴等设备的三化非常有必要这样使我国的筛分设备又好又快发展。 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 5 页 共 54 页 （ 3） 现代化：包括设计的现代化和制造的现代化。有限元应力分析，专门的设计程序，先进的测试手段已运用到振动筛设计中来 910。 1.3 本文的主要研究内容和研究手段 本论文通过对振动筛分机结构组成和工作原理进行分析，确定影响筛分效率的主要因素 ，再进行数学建模与 振动筛的
27、效率优化 ， 最后 利用 三维软件 对筛分机 整体结构构进行设计，并运用 SolidWorks Simulation模块 对重要部件进行 了有限元 分析。本论文的主要内容如下： （ 1） 对物料的筛分机构行研究； （ 2）对 离散单元法进行研究； （ 3） 分析不同参数情况下筛分效率与筛面长度之间的关系； （ 4）分析 不同情况下颗粒的分层与透筛之间的关系； （ 5）对粒径的分级进行分析； （ 6）建立 筛分机构的数学模型，对振动筛的综合效率进行优化； （ 7） 用 SolidWorks 软件 对振动筛的整体结构进行设计， 用 SolidWorks Simulation 模块 对重要部件进行详
28、细分析； 1.4 SolidWorks 软件简介 SolidWorks 软件功能强大，组件繁多。功能强大、易学易用和技术创新是 它 的三大特点，使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。 SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。SolidWorks 软件在技术方面一直保持与国际 CAD/CAE/CAM/PDM 市场同步。SolidWorks 是基 于 Windows 平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。经过多年的推广， CAD 技术已经广泛地应用在机械、电子、航天、化工、建筑等行业 。 SolidWorks Simulation 用来进行 有限元 分析。 SolidWorks Simulation 的产品系列可提供更多的高级分析功能。 分析结果的精确度取决于材料属性、夹具以及载荷。要使结果有效，指定材料属性必须准确描述零件材料，夹具与载荷也必须准确描述零件的工作条件。 支持对单实体的分析。 1.5 课题研究设计流 程图
