脱介弧形筛自动翻转机构的设计与驱动气缸的选型

么 雷，李莉莎，徐英芳，魏子庆

(北京国华科技集团有限公司，北京 101300)

带有翻转结构的弧形筛广泛用于重介质选煤厂的脱介作业[1]，这类弧形筛的筛框底面与水平面成一定倾角。料浆以一定的速度通过给料箱并沿切线方向进入筛面，在离心力的作用下，料浆层紧贴筛面流动；在料浆层从横向布置的其中一根筛条流至另一根筛条的过程中，每根筛条的棱边都对其产生切割作用。实际应用过程中发现，在使用一段时间后，因料浆的磨损作用，对着来料方向的筛条棱边就会变成圆角，导致物料分级粒度变小，设备处理能力降低。但由于筛条的断面具有对称性，故可在其中一侧棱边受损后将筛板反向安装，使另一侧棱边对着来料方向。在筛板反向安装后的使用过程中，由于筛面持续受损，圆角棱边的筛条反而会被磨出与新筛条相似或相同的锐边[2]。因此，此类弧形筛的筛板可以多次换向安装与使用，且能保持物料的分级粒度基本不变[3]。

在脱介弧形筛翻转的过程中，先将筛框从倾斜位置翻转至水平位置，再将其旋转180°，然后将筛框反向翻转，使其按设计倾角定位在使用状态[4]。目前，脱介弧形筛的翻转操作主要依靠人力完成，整个操作过程需要20～30 min，既费时费力，又存在较大的安全隐患[5]。为此，基于旋转气缸和顶升气缸设计出自动翻转弧形筛，其以现场现有气源作为动力，通过两个气缸的共同动作实现脱介弧形筛的自动翻转。

1 自动翻转机构的设计

1.1 设计思路

能够实现脱介弧形筛自动翻转的传动形式有蜗轮蜗杆传动、齿轮齿条传动、液压传动、气压传动等，蜗轮蜗杆传动、齿轮齿条传动的制造成本均很高，占用空间大，不便布置与安装在弧形筛下方；液压传动、气压传动的传动原理相同，只是动力源不同。由于选煤厂无现成的液压站为液压传动提供动力，故以液压传动的自动翻转机构还须配带液压站，致使设备采购成本大大提高。但空压机是选煤厂必不可少的设备之一，这就为气压传动的实现奠定了动力基础，且有利于消减采购成本。从翻转机构的功能实现情况、采购成本、现场安装等因素综合考虑，采用气压传动形式实现脱介弧形筛自动翻转机构的设计。

1.2 结构组成

自动翻转机构(图1)主要由弧形筛连接座、枢轴、旋转气缸、顶升气缸、中心轴、底座组成，旋转气缸通过枢轴带动弧形筛连接座旋转，从而实现弧形筛的旋转功能；顶升气缸通过其铰接支撑点带动弧形筛连接座绕中心轴运动，从而实现弧形筛的翻转功能。

1—弧形筛连接座；2—枢轴；3—旋转气缸；4—顶升气缸；5—中心轴；6—底座

2 气缸的选型与计算

2.1 旋转气缸的选型与计算

在筛框水平旋转过程中，旋转气缸提供的最大转矩Tmax要能够满足筛框旋转所需要的转矩T转，即Tmax≥T转[6]。在选型与计算过程中，设定筛框在5 s内由水平静止状态达到1 r/min的正常运转速度。筛框宽度4.2 m的弧形筛质量约为1 800 kg，现以该型筛机为例详细介绍具体选型与计算过程。

筛框转矩计算式为：

T转=J·ε,

(1)

J=M·i2,

(2)

(3)

式中：J为筛框对回转轴的转动惯量，kg·m2；ε为角加速度，rad/s2；M为筛框质量，kg；i为惯性半径，m；Δω为筛框旋转的角速度，rad/s。

筛框质量为1 800 kg，惯性半径为2.158 m，依据式(2)可计算出筛框对回转轴的转动惯量为8 382.5 kg·m2。已知n=1 r/min，Δt=5 s ，联立式(1)和式(3)可得出T转≈176 N·m。

根据筛框旋转的需要，结合实际计算数据，参照气缸选型手册，选择φ125 mm的气缸，其完全能够满足使用要求。

2.2 顶升气缸的选型与计算

2.2.1 顶升气缸行程的计算

将筛框位置和各转轴相对位置尺寸投影到平面上，可得到筛框不同状态下的平面示意图，如图2、图3所示。

图2 筛框水平状态平面示意图Fig.2 Planimetric diagram of the sieve frame in horizontal state

图3 筛框工作状态平面示意图

筛框处于水平状态时的气缸铰接点选择A1，其翻转运动可转化为气缸铰接点A1围绕筛框转轴O的转动，转动几何半径R=586 mm；筛框翻转至工作状态时，气缸铰接点为A2，其由水平状态翻转至工作状态的运动可转化为A1点绕O点转到A2点的转动，转动半径R=586 mm，气缸铰接点围绕O点转动的弧长为614 mm。

综上分析，气缸铰接点处提供的行程应该不小于614 mm，根据气缸的实际铰接头情况，选择行程630 mm的气缸即可满足要求。

2.2.2 顶升气缸缸径的计算

利用Solidworks三维建模软件，按照1∶1的比例建立弧形筛及其翻转机构各部件的模型[7]，并将筛框质心与各转轴相对位置尺寸投影到平面上，如图4、图5所示。

图4 筛框水平状态时质心及各转轴点相对位置尺寸

图5 筛框倾角为α时质心及各转轴点相对位置尺寸

由图4、图5可知：

(1)筛框处于水平状态时，筛框质心绕筛框转轴O转动的几何半径r=561 mm，质心和筛框转轴O的连线与竖直方向成30.5°角。气缸铰接点A1绕筛框转轴O转动的几何半径R=586 mm，气缸固定转轴至筛框转轴O的距离L=923 mm。此时，气缸铰接点A1、气缸固定转轴、筛框转轴O构成一个三角形，其以筛框转轴O为顶点的角为15.5°。

(2)筛框在由水平状态翻转至工作状态的过程中，倾角为α(α[0,60])时，气缸铰接点Aα、气缸固定转轴、筛框转轴O构成一个三角形，其以筛框转轴O为顶点的角为(15.5°+α)，质心和筛框转轴O连线与竖直方向成(30.5°-α)角。

在筛框翻转过程中，筛框自身重力G与顶升气缸推力F构成力矩平衡[8]，则可得

(4)

式中：D为顶升气缸推力的力臂，m；d为筛框重力的力臂，m。

通过计算可得到G=18 000 N，根据三角形计算公式[9]，筛框翻转角为α时，d和D分别为：

d=γsin(30.5°-α)，

(5)

(6)

联立式(4)、式(5)、式(6)可得

(7)

根据式(7)的计算结果，利用Matlab编程计算[10-11]得到筛框翻转过程中气缸驱动力F随倾角α的变化曲线，如图6所示。

图6 气缸驱动力随倾角α变化曲线

由图6可知：当α∈[0,30.5)，F>0，此过程气缸作用力为推力，最大推力值Fmax=13 865 N；当α=30.5°时，F=0，此过程气缸瞬时不受力；当α(30.5，60]，F<0，此过程气缸作用力为拉力，最大拉力值F'max=9 130 N。

综上所述，在筛框翻转过程中，水平状态启动时所需推力最大，随着倾角α的增大，所需推力减小；当α=30.5°时，推力减小为零；随着倾角α的继续增大，气缸作用力变为拉力，且拉力随倾角α的增大而增大；在工作状态下，筛框所需拉力最大。根据气缸所需最大推力与最大拉力的计算值，参照气缸选型手册，选择缸径160 mm的气缸即可满足现场使用要求。

3 结语

基于旋转气缸和顶升气缸的自动翻转弧形筛能够实现自动翻转，整个翻转过程的时间在2 min左右，仅为传统翻转时间的1/15～1/10。目前，已有4台自动翻转弧形筛在山西永宁选煤厂(处理能力为2.0 Mt/a)投入应用，主要用于脱除介质。生产实践表明：该设备的使用节省了大量的人力和时间，同时保证了翻转动作的安全性，并为选煤厂带来了一定的经济效益。该型弧形筛操作简单，转动灵活，安全可靠，故障率低，在选煤厂具有广阔的应用前景。

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