一种四机驱动双筛栏平衡卧式振动离心脱水机及参数确定方法与流程

本发明涉及一种振动离心脱水机，特别涉及一种四机驱动双筛栏平衡卧式振动离心脱水机及参数确定方法。

背景技术：

选煤厂有大量的洗后末煤需用离心脱水机脱水。50年代，我国开始使用立式刮刀卸料离心脱水机脱水，获得的末煤产品水分较低。但是，这种设备存在入料粒度小、处理量低、能耗大、安装高度高、漏油严重、筛篮磨损过快、检修和维护不方便、厂房投资和生产费用较高等问题。

卧式振动离心脱水机是选煤厂用于小于50mm粒级煤炭脱水的关键设备，也可适用于其他行业类似物料的脱水。它与选煤厂普遍采用的立式刮刀卸料离心机相比，具有占用厂地空间面积小、检修方便、耗电省、易损件少、筛篮使用寿命长且对煤的粉碎率低等优点。国内众多选煤厂设计也趋向大型化、模块化，逐渐青睐大处理量的脱水设备。1967年我国研制出第一代wzl-1000型卧式振动离心脱水机，并在选煤厂得到大量推广应用，到1982年又研制出第二代国产twz-1300大型卧式振动离心脱水机。这两代国产卧式振动离心脱水机的共同特点是:两者均采用单质体远共振振动原理，基本解决了参数不稳定、主轴承和弹簧易损坏等技术问题，但是其参振质量大，对材料的强度和结构的刚度的要求相对比较大，振动幅度较小，一般仅为2-3mm，从而影响离心机的处理量。进口设备vm1400、scc1400等1.5m大型双质体卧式振动卸料脱水机主要采用双质体振动原理，具有振幅大、处理量大、入料变化反应不灵敏、运行稳定等优点。

根据外部工作频率与固有频率的比值，振动系统可分为三类，亚共振系统，近共振系统和超共振系统。在工程中应考虑加工成本和机器本身结构的限制，以及亚共振或次近共振的所有优点。次近共振在其放大因子下幅频响应具有优点。在相同振幅条件下，在亚共振或近共振区域中的振幅激发的激振力是在超远共振条件下的1/5～1/3，因此如果机器在亚共振或次近共振的条件下工作，驱动电机的功率将相应降低，从而达到节约经济的目的。

同步耦合相位振荡器以及双耦合的擒纵驱动摆钟或机械振荡器都是同步现象中最具代表性研究项目。在过去几十年中更加致力于数学分析同步机理。早期和最广泛使用的方法之一是直接分离运动方法，即双时序方法。最早关于同步运动的详细描述是由惠更斯提出。近期对同步研究的贡献包括神经网络、耦合自持式机电装置、耦合或机械振荡器。在20世纪60年代，dr.blekhman首先提出具有两个或多个激振器的振动机的同步理论，并且已经成功地解决许多自同步问题。中国学者闻邦椿建立振动利用工程，包括在超共振和亚共振振动系统中的振动同步理论，将这种理论进一步延伸并将其成功应用于工程上。

综上所述，卧式振动离心脱水机目前是应用较为广泛的脱水设备，它存在着能源利用率不高及对基体有激振力的缺陷，导致设备工作稳定性不佳等情况。嵌入三质体四机驱动理论的振动离心脱水机能够在提升工作效率的同时解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种四机驱动双筛栏平衡卧式振动离心脱水机的设计方法，能够改善传统振动离心脱水机工作效率不高的缺点，通过嵌入三质体四机驱动理论将对基体的激振力大大较少，保证设备工作中的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种四机驱动双筛栏平衡卧式振动离心脱水机，包括物料装卸机构、筛栏箱体机构、机架、脱水传动机构及动力机构、激振器和减振机构；所述物料装卸机构包括入料装置及固定装置，所述机架由槽钢和钢板焊接制成，所述脱水传动机构包括带轮、主轴、输油箱、剪切橡胶弹簧、筛栏，所述脱水动力机构包括主电机，所述激振器包括振动电机、振动电机座体、振动电机座体连接螺栓，所述减振机构包括外质体减振弹簧、外质体减振弹簧；

所述物料装卸机构安装于机架上，并通过减振弹簧进行减振，入料装置通过螺栓安装于物料装卸机构上部，物料装卸机构通过螺栓与两侧的对称设置的两个筛栏箱体机构连接为一整体作为外质体，工作时不参与振动；

所述筛栏箱体机构安装于机架上，并通过减振弹簧进行减振，外套于脱水传动机构，筛栏外沿固定于筛栏箱体机构的外壳体；所述脱水传动机构由输油箱通过剪切橡胶弹簧与筛栏箱体连接，其主轴穿过两侧安装的轴承，主轴一端与筛栏固定连接，主轴另一端与带轮固定连接；所述激振器是通过振动电机座体螺栓固定在输油箱上，其中，振动电机通过螺栓连接于振动电机座体；

所述脱水动力机构由主电机通过带轮与带传递动力至主轴的带轮，提供离心脱水的转动动力；所述主电机通过螺栓固定于机架上，相应带轮与带由皮带罩保护防尘，皮带罩通过皮带罩支撑由螺栓连接方式固定于机架。

进一步地，剪切橡胶弹簧预压缩量为5-8mm。

进一步地，振动电机的上、下偏心块回转方向相反，从而实现振动电机自同步回转。

进一步地，振动电机提供水平方向双振幅4-6mm。

进一步地，筛栏的筛网与水平方向所成角为14°～16°。

上述的一种四机驱动双筛栏平衡卧式振动离心脱水机的参数确定方法为：

其中公式(1)～(62)中，γ1x,γ2x,γ3x,γ4x,γ5x,γ6x为质体1、2、3相位滞后角，f1,f2,f3,f4,f5,f6为质体1、2、3激振力，m0为振动激振器的质量，m1为工作体1的质量，m2为工作体2的质量，m3为外质体3的质量，m0i为振动激振器i的质量(i＝1～4)，r为偏心半径，k1x,k2x,k3x为x方向弹簧刚度，f1x,f2x,f3x为x方向阻尼系数，x1,x2,x3为质体1、2、3x方向位移，为振动激振器i与水平方向相位角(i＝1～4)，j0i为振动激振器i的转动惯量(i＝1～4)，tei为振动激振器i的扭矩(i＝1～4)，m′为质量耦合矩阵，k′为刚性耦合矩阵，δ(ω²)为特征方程中间参量。，为电动机1和2间的无量纲耦合转矩，为电动机2和3间的无量纲耦合转矩，为电动机3和4间的无量纲耦合转矩，同步系数为ζij(i,j＝1,2,3,4)，t为系统动能，v为系统势能，et为单周期内平均动能，ev为单周期内平均势能，h为系统稳定时i的hessen矩阵，b,c1,a,d1,e1,g1,h1,p1,c2,d2,e2,g2,h2,p2为传递函数中间参数，te01,te02,te03,te04为四个激振器转矩，f01,f02,f03,f04为四个激振器阻力，为四个激振器输出转矩，tu为激振器导出转矩，η为质体导出参数，δt012,δt023,δt034为激振器输出转矩差值，为2a1,2a2,2a3的积分中值，τc12max,τc23max,τc34max为电动机之间无量纲耦合转矩最大值，τamax为激振器平均无量纲负载转矩最大值，i为汉密尔顿平均作用量，为同步状态中稳定相位差，d11,d12,d21,d13,d31,d22,d23,d32,d33,p,q为hessen矩阵中参数，h1,h2,h3为系统稳定性能力系数。

所述三个质体在x方向上的运动微分方程：

m1＝m1+2m0m2＝m2+2m0m3＝m3joi＝moiri²(8)

所述x方向的相对运动微分方程:四个激振器相同m01＝m02＝m03＝m04＝m0，平均相位和相位差为2α1，2α2，2α3。

所述四激振器间稳态时同步角速度为ωm0，稳态运行期间位移和加速度之间的关系(稳定状态下，四个激振器的角加速度可以忽略不计)可表示为：

所述x方向上质体的相对运动微分方程：

所述质体在x方向上的相对运动固有频率：

所述四激振器同步分析时使用传递函数方法表示其响应：

所述同步标准：

所述三个质体x方向的固有频率：

所述四个激振器的平衡方程：

所述激振器的输出转矩之间的差值：

所述约束函数如下：

所述四激振器实现振动同步标准：任意两个电机间的无量纲残余力矩之差绝对值要小于或等于四激振器间无量纲耦合力矩的最大值。

所述四个激振器同步性能系数：

同步性能越大，系统的同步能力就越强，并且越容易实现同步。

所述整个系统动能t和势能v：

所述单周期内平均动能et和平均势能ev：

单周期内hamilton平均作用量(i)可表示为

系统稳定时i的hessen矩阵h正定：

本发明与现有技术相比，提供了一种更加高效的离心脱水方式，并通过嵌入的三质体四机驱动理论将设备工作时对基体的激振力大大减少，同时振动电机自同步的工作方式都保证工作的稳定性。

附图说明

图1为本发明的一种四机驱动双筛栏平衡卧式振动离心脱水机动力学模型。

图2为本发明的一种四机驱动双筛栏平衡卧式振动离心脱水机主视图。

图3为本发明的一种四机驱动双筛栏平衡卧式振动离心脱水机脱水传动机构剖视图。

图4为稳态幅度—频率特性图。

图5为同步性能曲线图。

图6为四个电机间最大无量纲耦合转矩图。

图7为四个激振器的稳定性能图。

图8为四个激振器之间的相位关系图。

图9-i为亚共振状态下激振器1和2的相位差图。

图9-ii为激振器3和4的相位差图。

图9-iii为激振器1和3的相位差图。

图9-iv为四个电机的转速图。

图9-v为质体1的位移图。

图9-vi为质体2的位移图。

图9-vii为质体3的位移图。

图9-viii为质体1,2的相对位移图。

图9-ix为质体1,2,3的位移图。

图1中，k1-质体1与质体3之间隔振弹簧弹簧刚度；k2-质体2与质体3之间隔振弹簧弹簧刚度；k3-质体3与基体之间隔振弹簧弹簧刚度；o1-质体2上偏心转子圆心；o2-质体2下偏心转子圆心；o3-质体1上偏心转子圆心；o4-质体1下偏心转子圆心；m1-质体1；m2-质体2；m3-质体3；-以o1为圆心的偏心转子与水平方向的相位角；-以o2为圆心的偏心转子与水平方向的相位角；-以o3为圆心的偏心转子与水平方向的相位角；-以o4为圆心的偏心转子与水平方向的相位角；-水平方向。

图2中，1脱水传动机构；2振动电机座体；3振动电机座体连接螺栓；4筛栏箱体机构；5机架；6物料装卸机构；7入料装置固定螺栓a；8入料装置固定螺栓b；9入料装置；10筛栏箱体机构与物料装卸机构连接螺栓；11外质体减振弹簧a；12外质体减振弹簧b；13振动电机连接螺栓；14振动电机；15主电机。

图3中，16带轮；17主轴；18输油箱；19剪切橡胶弹簧；20筛栏。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2、3所示，一种四机驱动双筛栏平衡卧式振动离心脱水机装置包括物料装卸机构、筛栏箱体机构、机架、脱水传动机构及动力机构、激振器和减振机构。

所述物料装卸机构6与筛栏箱体机构4在相对应耳板孔通过螺栓连接。安装设备时先对左右两侧筛栏箱体4进行安装固定，再将输油箱18以及剪切橡胶弹簧对应筛栏箱体机构4进行安装，后将主轴17及相关零件安装至输油箱18，并于两侧分别安装带轮16和筛栏20及相关结构固定零件。筛栏箱体机构4和脱水传动机构1安装完毕后安装物料装卸机构6并进行固定。安装振动电机座体2于输油箱18相应位置,并通过振动电机座体连接螺栓3箍紧，将振动电机14通过螺栓连接安装在两个振动电机座体上。最后将两侧主电机15以及传动零件安装于机架5。

所述入料装置9安装于物料装卸机构6相应位置，装配后的整体在放置于安装位置前需将入料装置9旋转90度，整体置于工位后再将入料装置9反向回转90度并进行固定，完成外质体的安装。

剪切橡胶弹簧预压缩量为5mm。振动电机回转频率选为156rad/s，提供水平方向振幅3-5mm。主电机提供的动力将主轴回转频率控制在280r/min。筛栏筛网与水平方向所成角为15°。

所述图4中区域1、3、4、5的相对幅度几乎为零，响应曲线区域2，即在ω1的超共振区域和ω0的亚共振区域之间，系统具有大而稳定的振幅。

所述图5表示同步性能力系数ζ12,ζ23,ζ34,ζ41，且两激振器之间同步能力系数越大，相对耦合量越大，两激振器更容易实现同步，系统同步能力越强。1、3、5间隔中同步性能系数随激振频率增加而增加。2、4区间同步性能系数随激振频率增加而减小。

所述图6中无量纲耦合力矩在ω0ω3处获得极值。

所述图7中非线性系统多样性存在的两个条件：其一是同步条件下系统稳定系数为零；其二是存在多个相位差稳定解。

在区域2，即在ω1的超共振区域和ωm0亚共振区域之间，系统具有很强的稳定性。

所述图8中激振频率在区域2时四个激振器存在稳定的相位差关系2α1＝2α2＝0°2α3＝180°，在ω0的亚共振区域是稳定的。

所述图9中在ωm0＝ω0条件下共振时仿真结果：为随时间推移系统实现同步和稳定且对于在加干扰情况下，系统仍保持稳定。说明系统具有很强的稳定性，质体1和质体2反方向运动且相对位移叠加。