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中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2008屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
目 錄
1 緒論 1
1.1煤脫水的意義 1
1.2煤的性質(zhì)與脫水效果的關(guān)系 1
1.3煤脫水的方式 2
1.4離心機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用與分類 2
1.4.1離心機(jī)的應(yīng)用及其發(fā)展 2
1.4.2、離心機(jī)的分離過(guò)程及分類 3
1.5離心機(jī)工作原理 4
2 方案確定 6
2.1傳統(tǒng)的臥式振動(dòng)卸料離心機(jī) 6
2.1.1傳統(tǒng)的臥式振動(dòng)卸料離心機(jī)的結(jié)構(gòu) 6
2.1.2傳統(tǒng)臥式振動(dòng)離心機(jī)的主要特性參數(shù) 8
2.1.3傳統(tǒng)臥式離心機(jī)激振器和及特點(diǎn) 9
2.1.4傳統(tǒng)臥式振動(dòng)離心脫水機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 9
2.2 VC型立式振動(dòng)離心機(jī)的介紹 10
2.3設(shè)計(jì)方案的確定 10
3 各種工藝參數(shù)對(duì)離心機(jī)工作的影響 12
3.1顆粒在篩籃上的受力分析 12
3.2篩籃的半徑和篩面傾角的影響 15
3.3篩籃轉(zhuǎn)速的影響 15
3.4振幅和頻率的影響 16
4 離心機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析 17
4.1物料的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 17
4.1.1物料的受力分析及運(yùn)動(dòng)方程式 17
4.1.2濾渣停留時(shí)間的計(jì)算 19
4.2振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析 23
4.2.1自同步原理 23
4.2.2振幅分析 27
5 VVC離心機(jī)結(jié)構(gòu)分析及其設(shè)計(jì) 31
5.1 VVC離心機(jī)的總體分析 31
5.1.1 VVC離心機(jī)的總體結(jié)構(gòu)分析 31
5.1.2 VVC離心機(jī)的質(zhì)量 32
5.2篩籃結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì) 32
5.2.1篩籃的結(jié)構(gòu)分析 32
5.2.2篩籃主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 33
5.2.3離心機(jī)篩籃表面積、離心因數(shù)、濾渣層平均高度的計(jì)算 37
5.3傳動(dòng)系統(tǒng)及其支承裝置的設(shè)計(jì) 39
5.3.1傳動(dòng)系統(tǒng)及其支承裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 39
5.3.2回轉(zhuǎn)電機(jī)的選型 40
5.3.3 V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 41
5.4 激振器的設(shè)計(jì) 42
5.4.1等效參振質(zhì)量的計(jì)算 42
5.4.2振動(dòng)電機(jī)的選型 43
5.4.3偏心塊的設(shè)計(jì) 45
5.4.4軸承的選擇計(jì)算 49
5.4.5軸的設(shè)計(jì)及校核 49
5.5主軸的設(shè)計(jì)及校核 55
5.6碟形彈簧的設(shè)計(jì) 60
5.6.1碟形彈簧的介紹 60
5.6.2碟形彈簧的設(shè)計(jì) 62
5.7主軸軸承的校核 64
5.8橡膠彈簧的設(shè)計(jì) 64
5.8.1支承橡膠彈簧 65
5.8.2減振橡膠彈簧 67
5.8.3定位橡膠彈簧 68
5.9鍵的校核 69
6 VVC離心機(jī)設(shè)計(jì)思考與展望 72
6.1對(duì)設(shè)計(jì)中帶傳動(dòng)的思考 72
6.2對(duì)設(shè)計(jì)中振動(dòng)部分的思考 72
6.3對(duì)設(shè)計(jì)中篩籃的思考 73
6.3.1傳統(tǒng)篩籃結(jié)構(gòu)的不足 73
6.3.2新型篩籃的特點(diǎn)和工藝措施 74
結(jié)論 76
參考文獻(xiàn) 77
翻譯 78
英文原文 78
中文譯文： 83
致謝 87
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2008屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第89頁(yè)
1 緒論
1.1煤脫水的意義
煤的水分是指單位質(zhì)量的煤中水的含量。煤的水分有內(nèi)在水分和外在水分兩種。外在水分足指在開采、運(yùn)輸、洗選過(guò)程中附著在煤顆粒表面和裂縫中的水；內(nèi)在水分是指吸附或凝聚在煤顆粒內(nèi)部毛細(xì)幾中的水。外在水分可以借助機(jī)械方法脫除；內(nèi)在水分只有熱力干燥才能脫出。
煤的水分是評(píng)價(jià)煤炭經(jīng)濟(jì)價(jià)值的基本指標(biāo)。煤的內(nèi)在水分與煤的煤化程度和內(nèi)部表面積有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)變質(zhì)程度超低，煤的內(nèi)部表面積越大，水分含量越高，經(jīng)濟(jì)價(jià)值越低。煤的水分對(duì)其貯存、運(yùn)輸、加工和利用均有影響。在貯存時(shí)，水分能加速煤的風(fēng)化、碎裂、白燃；在運(yùn)輸中，會(huì)增加運(yùn)輸量，加大運(yùn)費(fèi)．并會(huì)增加裝斗、卸車的困難。在西北、東北、華北等寒冷地區(qū)，水分大的煤在長(zhǎng)途運(yùn)輸中會(huì)凍結(jié)，給卸車造成極大困難。煤的水分在燃燒時(shí)要消耗一定的熱量，在煉焦時(shí)要延長(zhǎng)結(jié)焦時(shí)間，而且影響焦?fàn)t的壽命。
脫水和干燥是固體和液體分離的過(guò)程。絕大多數(shù)選煤廠分選過(guò)程是在水中進(jìn)行的，因而選煤產(chǎn)品在出廠前需進(jìn)行脫水。以滿足用戶和運(yùn)輸要求，現(xiàn)行產(chǎn)品目錄規(guī)定精煤水分一般不超過(guò)12％～13％，個(gè)別用戶煤、出口煤和高寒地區(qū)濕煤冬運(yùn)要求精煤水分在8％～9％以下。水是煤中的雜質(zhì)，不僅對(duì)用戶使用和冬季運(yùn)輸帶來(lái)困難，而且降低貨運(yùn)量和浪費(fèi)運(yùn)輸能力，增加運(yùn)費(fèi)。因此，選煤廠的出廠產(chǎn)品必須盡量降低水分。
1.2煤的性質(zhì)與脫水效果的關(guān)系
（1）孔隙度
一般把物料中孔隙部分與總?cè)莘e之比值叫做孔隙度。物料間孔隙愈大，積存水量愈多，但毛細(xì)管作用較弱，脫水較容易?？紫队。?xì)管作用愈強(qiáng)，脫水愈困難。
（2）比表面積
比表面積用單位質(zhì)量物料所具有的總表面積表示。顯然物料的比表面積愈大，表面吸附水愈多，脫水愈因難。
（3）潤(rùn)濕性
物料表面硫水性愈強(qiáng)，物料與水的相互作用愈弱，脫水愈容易。
（4）細(xì)泥含量
物料中細(xì)泥充填刁：物料扎隙間或吸附于物料表面上．增加了毛細(xì)管仍：用力、物料的比表面積和吸水強(qiáng)度．會(huì)使物料脫水因難。
（5）粒度組成
物料的粒度組成決定物料的間隙，進(jìn)而影響到含水多少和脫水難易，顆粒越大，脫水越難。毛細(xì)管和比表面積愈大脫水越易。
1.3煤脫水的方式
脫水方法可大致分為重力脫水、離心脫水、過(guò)濾脫水、壓濾脫水。用離心力來(lái)分離固體和液體的過(guò)程稱為離心脫水。離心脫水可以采用兩種不同的原理：離心過(guò)濾和離心沉降。
離心過(guò)濾是把所處理的含水物料加在旋轉(zhuǎn)的錐形篩面上，由于離心力的作用，團(tuán)體緊貼在篩面上隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，液體則通過(guò)物料間隙和篩縫甩出。離心沉降是把煤泥水加在筒形(或鏈形)轉(zhuǎn)子中，由于離心力的作用，團(tuán)體在液體中沉降，沉陷后的物料進(jìn)一步受到離心力的擠壓．?dāng)D出其中水分過(guò)濾式主要用于較粗顆粒物料的脫水，如末煤和粗煤泥的脫水；沉降式主要用于細(xì)顆粒物料的脫水，如尾煤和細(xì)煤泥的脫水。也有兩種兼有的離心沉降過(guò)濾、多用于浮選產(chǎn)品的脫水或煤泥回收。
1.4離心機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用與分類
1.4.1離心機(jī)的應(yīng)用及其發(fā)展
在現(xiàn)代工業(yè)中，固—液系統(tǒng)（包括懸浮液和乳濁液）分離的目的是：（1）回收有價(jià)值的固相，排掉液相；（2）回收液相，排掉固相；（3）固、液兩相都回收；（4）固、液兩相都排掉（如污泥脫水）。達(dá)到固-液分離的主要操作方法有重力沉降、過(guò)濾和離心分離。利用離心力來(lái)達(dá)到固-液、液-液、以及液-液-固分離的方法通稱為離心分離。實(shí)現(xiàn)離心分離操作的機(jī)械稱為離心機(jī)。
離心機(jī)和其它分離機(jī)械相比，不僅能得到含濕量低的固相和高純度的液相，而且具有節(jié)省勞力、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，并且具有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、自動(dòng)遙控、操作安全可靠和占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。因此自1836年第一臺(tái)工業(yè)用三足式離心機(jī)在德國(guó)問(wèn)世，迄今近兩百年以來(lái)已獲得很大發(fā)展。各種類型的離心機(jī)品種繁多，各有特色，正在向提高技術(shù)參數(shù)、系列化、自動(dòng)化方向發(fā)展，且組合轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)增多，專用機(jī)種越來(lái)越多。現(xiàn)在離心機(jī)已廣泛用于化工、石油化工、石油煉制、輕工、醫(yī)藥、食品、紡織、冶金、煤炭、選礦、船舶、軍工等各個(gè)領(lǐng)域。例如濕法采煤中粉煤的回收，石油鉆井泥漿的回收，放射性元素的濃縮，三廢治理中的污泥脫水，各種石油化工產(chǎn)品的制造，各種抗菌素、淀粉及農(nóng)藥的制造，牛奶、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、食用動(dòng)物油、米糠油等食品的制造，織品、纖維脫水及合成纖維的制造，各種潤(rùn)滑油、燃料油的提純等都使用離心機(jī)。離心機(jī)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用機(jī)械。
離心機(jī)基本上屬于后處理設(shè)備，主要用于脫水、濃縮、分離、澄清、凈化及固體顆粒分級(jí)等工藝過(guò)程，它是隨著各工業(yè)部門的發(fā)展而相應(yīng)發(fā)展起來(lái)的。例如18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命后，隨著紡織工業(yè)的迅速發(fā)展，1836年出現(xiàn)了棉布脫水機(jī)。1877年為了適應(yīng)乳酪加工工業(yè)的需要，發(fā)明了用于分離牛奶的分離機(jī)。進(jìn)入20世紀(jì)之后，隨著石油綜合利用的發(fā)展，要求把水、固體雜質(zhì)、焦油狀物料等除去，以便使重油當(dāng)做燃料油使用，50年代研制成功了自動(dòng)排渣的碟式活塞排渣分離機(jī)，到60年代發(fā)展成完善的系列產(chǎn)品。隨著近代環(huán)境保護(hù)、三廢治理發(fā)展的需要，對(duì)于工業(yè)廢水和污泥脫水處理的要求都很高，因此促使臥室螺旋卸料沉降離心機(jī)、碟式分離機(jī)和三足式下部卸料沉降離心機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是臥室螺旋卸料沉降離心機(jī)的發(fā)展尤為迅速。
離心機(jī)的結(jié)構(gòu)、品種及其應(yīng)用等方面發(fā)展很迅速，但其理論研究落后于實(shí)踐是個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。目前在理論研究方面所獲得的知識(shí)，主要還是用來(lái)說(shuō)明試驗(yàn)的結(jié)果，而在預(yù)測(cè)機(jī)器的性能、選型以及設(shè)計(jì)計(jì)算，往往仍然要憑借經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于離心分離過(guò)程的多樣性和復(fù)雜性，例如懸浮液的物理性能和濃縮非常容易變化，沉降速度、滲透率、孔隙率以及若干其它參變數(shù)，都隨著懸浮液的物理性質(zhì)的改變而改變。特別是由于固體顆粒的大小、形狀和運(yùn)動(dòng)的雜亂狀態(tài)所帶來(lái)的數(shù)學(xué)問(wèn)題，在目前尚無(wú)法解決，給研究這一過(guò)程的理論帶來(lái)了很大的困難。其次，要能真正了解液體與固體顆粒在離心力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的真相，而又不干擾或破壞這些運(yùn)動(dòng)，這就需要用科學(xué)的觀察和測(cè)試手段，也許正是因?yàn)檫@種緣故，使離心分離理論的研究受到了一定的影響。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，固-液分離技術(shù)越來(lái)越受到重視，離心理論研究遲緩落后的局面也正在積極扭轉(zhuǎn)。離心機(jī)是固—液分離技術(shù)的主要設(shè)備之一，其發(fā)展前途大有可為。
1.4.2、離心機(jī)的分離過(guò)程及分類
離心分離根據(jù)操作原理可區(qū)分為兩類不同的過(guò)程——離心過(guò)濾和離心沉降。而與其相應(yīng)的機(jī)種可區(qū)分為過(guò)濾式離心機(jī)和沉降式離心機(jī)。
離心過(guò)濾過(guò)程從廣義的概念上來(lái)說(shuō)，可以理解為包括加料、過(guò)濾、洗滌、甩干和卸渣等五個(gè)步驟。如果就狹義的概念而言，可分為兩個(gè)物理階段：生成濾渣和壓緊濾渣。第一個(gè)階段與普通過(guò)濾在原則上是相近似的，但其推動(dòng)力不同；而第二階段與普通過(guò)濾的規(guī)律根本不同。
離心沉降過(guò)程也可分為兩個(gè)物理階段：固體顆粒的沉降和形成密集的沉渣層。前者遵從固體在流體中相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，而后者則遵從土壤力學(xué)的基本規(guī)律。離心沉降過(guò)程本身又可分為離心沉降和離心分離。
一般情況下，離心沉降過(guò)程是指含有中等及大量固體顆粒的懸浮液的工藝分離過(guò)程。對(duì)于容積濃度不超過(guò)5%的低濃度懸浮液的分離，習(xí)慣上稱為離心澄清過(guò)程。當(dāng)離心沉降過(guò)程用于分離兩種重度不同，而又互不相溶的液體所形成的乳濁液時(shí)（包括含微量固體顆粒的乳濁液，即液—液—固），稱為離心分離過(guò)程。這種名稱上的區(qū)別以及濃度的界限是相對(duì)的和人為的，實(shí)質(zhì)上懸浮液或乳濁液中固體顆粒沉降過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律是一樣的。
這里必須強(qiáng)調(diào)指出，分離過(guò)程的描述僅僅是整個(gè)離心分離作用機(jī)理的一部分。在離心過(guò)濾和離心沉降分離固體顆粒的過(guò)程中都具有“壓縮”現(xiàn)象，這一現(xiàn)象很值得重視。在離心過(guò)濾過(guò)程中，這種壓縮效應(yīng)使濾渣孔隙縮減，變得不易滲透，從而阻礙了脫水；在離心沉降過(guò)程中，這種壓縮效應(yīng)減小了沉渣的孔隙，反而有助于降低沉渣的含濕量。
離心機(jī)的分類方法很多，可按分離原理、操作目的、操作方法、結(jié)構(gòu)形式、分離因素、卸料方式等分類。
1.5離心機(jī)工作原理
離心過(guò)濾是把所處理的含水物料加在轉(zhuǎn)子的多孔篩面上，由于離心力的作用，固體在轉(zhuǎn)子篩面上形成固體沉淀物，液體則通過(guò)沉淀物和篩面的孔隙而排出。由于液體是通過(guò)物料的孔隙排出，而脫水物料的粒度組成影響著孔隙的大小，所以，脫水效果受粒度組成的影響很大。
離心脫水機(jī)是利用離心力進(jìn)行固液分離的，其離心力要比重力場(chǎng)中的重力大上百倍，甚至上千倍，通常用分離因數(shù)表示這—關(guān)系，亦稱離心強(qiáng)度，用z表示。物料的脫水過(guò)程，由于離心力的作用而得到強(qiáng)化。離心力的大小影響著脫水的效果。分離因數(shù)就是表示離心機(jī)中物料所受離心力大小的一個(gè)指標(biāo)。所謂分離因數(shù)是指物料所受的離心加速度和重力加速度的比值?？捎孟率奖硎荆?
分離因數(shù)是離心機(jī)性能的一種指標(biāo)。分離因數(shù)越大、物料所受的離心力越強(qiáng)，團(tuán)體和液體分離的效果也越好。改變離心機(jī)轉(zhuǎn)筒的半徑和轉(zhuǎn)速，就能改變分離因數(shù)的大小。由于分離因數(shù)是與轉(zhuǎn)速的平力正比，所以，為了提高分離因數(shù)，改變轉(zhuǎn)速的效果比改變半徑的效果要大得多。因此。在一般離心脫水中都是通過(guò)改變轉(zhuǎn)筒的回轉(zhuǎn)速來(lái)提高其分離因數(shù)的。
但是。對(duì)選煤用的離心機(jī)，不適當(dāng)?shù)靥岣咂浞蛛x因數(shù)，會(huì)引起不利的影響。離心力提高更容易把煤粒破碎，從而增加煤在濾液中的損失；而同時(shí)動(dòng)力消耗也要相應(yīng)地加大．對(duì)設(shè)備的強(qiáng)度要求更高。因此，應(yīng)當(dāng)全面考慮這些因素來(lái)決定所采用的分離因數(shù)。
在選煤廠，采用過(guò)濾原理的離心機(jī)，分離因數(shù)一般為80－200，采用沉降原理的離心機(jī)，分離因數(shù)為500-1000左右。近期發(fā)展趨勢(shì)是降低離心機(jī)轉(zhuǎn)速，增加離心機(jī)的轉(zhuǎn)子半徑，使分離因數(shù)在改進(jìn)，目前已趨完善。雖然機(jī)型很多，但各機(jī)型之間的主要差別是振動(dòng)系統(tǒng)和激振方法不同。目前生產(chǎn)的振動(dòng)卸料離心脫水機(jī)其分離因數(shù)一般在60一140之間，適用于0—13mm的物料脫水。振動(dòng)卸料離心脫水機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使篩籃—方面繞軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一方面又沿該軸作軸向振動(dòng)，因此，強(qiáng)化了物科的離心脫水作用，并促使篩面上的物料均勻地向前移動(dòng)。物料層在抖動(dòng)時(shí)，還有助于清理過(guò)濾表面，防止篩面被顆粒堵塞，減輕物料對(duì)篩面的磨損。由于具有以上特點(diǎn)，使振動(dòng)卸料離心脫水機(jī)得到了日益廣泛的應(yīng)用。
振動(dòng)卸料離心脫水機(jī)又分臥式和立式兩種。前者有wzL－1000型、WZL一1000A型、TWz一1300型等6后者有美國(guó)VC－48和VC—56型，國(guó)產(chǎn)的TZ一12型、TZ—14型和LZI－1000型等。
2 方案確定
2.1傳統(tǒng)的臥式振動(dòng)卸料離心機(jī)
2.1.1傳統(tǒng)的臥式振動(dòng)卸料離心機(jī)的結(jié)構(gòu)
振動(dòng)卸料離心機(jī)是指附加了軸向振動(dòng)或周向振動(dòng)的離心力卸料離心機(jī)，前者稱作軸向振動(dòng)卸料振動(dòng)離心機(jī)，后者稱作扭轉(zhuǎn)振動(dòng)卸料離心機(jī)。
軸向振動(dòng)卸料離心機(jī)又分為立式和臥式兩種，目前多向臥式發(fā)展。（圖2-1，圖2-2）是我國(guó)生產(chǎn)的WZL-1000型振動(dòng)離心機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，裝有篩籃的主軸通過(guò)軸承支承在慣性激振器的殼體內(nèi)，后者由三個(gè)環(huán)形剪切彈簧支撐在殼體的彈簧座上。主軸由主電機(jī)經(jīng)皮帶輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使主軸篩籃產(chǎn)生軸向振動(dòng)，并由沖擊板限制其軸向位移。
操作時(shí)，物料由料管加入，經(jīng)旋轉(zhuǎn)的布料斗，被拋在篩籃小端的篩網(wǎng)上，在離心力的作用下液體通過(guò)篩網(wǎng)由排液口排出，其固體物料在離心力和振動(dòng)力的聯(lián)合作用下，沿篩籃表面向篩籃大端移動(dòng)，最后從出料口排出。
離心力是由回轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，同時(shí)可以看出激振器是振動(dòng)離心機(jī)的一個(gè)很重要部件，作用是產(chǎn)生激振力，使篩籃產(chǎn)生軸向振動(dòng)。因此，物料在篩籃上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不僅取決于篩籃的結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速，而且和激振力的大小和頻率有直接的關(guān)系，目前比較成熟的離心機(jī)大多都采用的是雙振子慣性激振器，這樣只產(chǎn)生單向激振力。
圖2-1 WZL-1000振動(dòng)離心機(jī)主視圖
圖2-2 WZL-1000振動(dòng)離心機(jī)側(cè)視圖
1-篩籃 2-給料管 3-主軸套 4-長(zhǎng)板彈簧 5-機(jī)殼 6-機(jī)架 7-沖擊8-短板彈簧 9-軸承 10-偏心輪 11-激振用電動(dòng)機(jī) 17-膠帶輪 18-三角膠帶
圖2-1，圖2-2是WZL-1000振動(dòng)離心機(jī)的雙振子激振器工作原理圖
2.1.2傳統(tǒng)臥式振動(dòng)離心機(jī)的主要特性參數(shù)
WZL-1000振動(dòng)離心機(jī)的特性參數(shù)如下：
篩籃直徑 φ500~1500
篩籃錐角 20~36 0
分離因數(shù) 60~180
振動(dòng)頻率 25~37 Hz
篩籃振幅 1.5~10 mm
處理物料直徑 ＞200 mm
懸浮液濃度 ＞30~40%
最大固體產(chǎn)量 400t/h
2.1.3傳統(tǒng)臥式離心機(jī)激振器及特點(diǎn)
這種離心機(jī)主軸套3上裝有一對(duì)偏心輪10，四個(gè)偏心輪的質(zhì)量及偏心距相等，激振電機(jī)11經(jīng)剖分式皮帶輪帶動(dòng)主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，并借助一對(duì)齒數(shù)相同的齒輪，使從動(dòng)軸作反向同步旋轉(zhuǎn)。因此，偏心質(zhì)量所產(chǎn)的離心力，在垂直方向互相抵消，在水平方向的合力使篩籃產(chǎn)生軸向振動(dòng)。當(dāng)偏心輪轉(zhuǎn)到某一位置時(shí)，激振力在垂直和水平方向的分力為：
（2-1）
式中：
—— 偏心輪的總偏心質(zhì)量（㎏）
e —— 偏心輪的偏心距（m）
—— 激振頻率（角頻率,弧度/s）
P0 —— 激振力幅值（N）
該激振器的特點(diǎn)是：每個(gè)偏心輪上有3個(gè)圓孔，可對(duì)稱地塞入圓柱形質(zhì)量以增加偏心質(zhì)量，從而調(diào)節(jié)激振力和篩籃振幅的大小。通過(guò)改變剖分式從動(dòng)皮帶輪中間墊片的厚度，可改變從動(dòng)皮帶輪與傳動(dòng)帶的接觸輪徑，從而可調(diào)節(jié)激振頻率和調(diào)節(jié)篩籃的振幅。傳動(dòng)齒輪用夾布膠木制成，可減少由于傳動(dòng)沖擊而產(chǎn)生的噪音。
2.1.4傳統(tǒng)臥式振動(dòng)離心脫水機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
該臥式振動(dòng)離心脫水機(jī)是利用軸向振動(dòng)強(qiáng)化離心脫水的設(shè)備。這種軸向振動(dòng)，既可以使篩面上的物料均勻地向前移動(dòng)，以可使篩面上的物料層松散，促使所含的水分更易分出。同時(shí)，物料層抖動(dòng)還可以防止篩縫被顆粒堵塞。改變振幅和頻率可以調(diào)節(jié)物料的移動(dòng)速度，從而控制物料在離心機(jī)中的脫水時(shí)間。因而這種離心機(jī)具有生產(chǎn)能力高，脫水效果好，耗電少，顆粒破碎小同時(shí)易于控制的等優(yōu)點(diǎn)。
但是該類型臥式振動(dòng)離心機(jī)存在的不少問(wèn)題是：如圖所示，由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，激振電機(jī)通過(guò)齒輪傳給另一軸，由于高速齒輪傳動(dòng)，須采用稀油潤(rùn)滑，因而需要專門的潤(rùn)滑系統(tǒng)。同時(shí)由于密封等原因，極易造成漏油等現(xiàn)象，使維修工作量大。經(jīng)過(guò)最近幾年的實(shí)踐證明，不僅成本較為昂貴，而且故障頻繁，維護(hù)費(fèi)用高，已不能適應(yīng)生產(chǎn)需求，有被逐漸淘汰的趨勢(shì)。
2.2 VC型立式振動(dòng)離心機(jī)的介紹
由CMI公司生產(chǎn)的VC型振動(dòng)離心機(jī)利用振動(dòng)脫水與離心力脫水相結(jié)合對(duì)物料進(jìn)行脫水。物料經(jīng)溜槽進(jìn)入機(jī)器的上部，在旋轉(zhuǎn)篩籃的底部均勻分布，給入的物料由耐磨板和以前被加速的物料的摩擦力緩慢加速到篩籃的表面。加速后固體物料依靠振動(dòng)輸送向上到篩籃表面，當(dāng)物料在篩面向上移動(dòng)，離心力使液體通過(guò)篩縫流出，同時(shí)使固體物料向上運(yùn)動(dòng)到卸料區(qū)域。當(dāng)物料短暫停留在離心機(jī)內(nèi)，振動(dòng)和料層松動(dòng)增加了固液分離。離心液匯集于槽內(nèi)，由開口處流出。固體料從篩籃的上部卸出，緩慢地保持固體料到外殼的邊上，并落到設(shè)備底部運(yùn)出。已生產(chǎn)出VC56，VC48直徑的離心機(jī)。這種八十年代從美國(guó)引進(jìn)的立式振動(dòng)離心機(jī)，現(xiàn)已得到了大量的推廣，但在使用中機(jī)械故障很高，由于設(shè)計(jì)不合理，造成維修量極大。每年我國(guó)都要從國(guó)外引進(jìn)近億元的離心機(jī)產(chǎn)品，投資大，配件供應(yīng)困難，困擾著選煤行業(yè)。
2.3設(shè)計(jì)方案的確定
離心脫水機(jī)是選煤廠最重要的設(shè)備，也是加工精度和技術(shù)含量較高的設(shè)備。我國(guó)選煤業(yè)從50年代后期起步，用于煤泥和末煤的離心脫水機(jī)主要有立式螺旋刮刀離心機(jī)、臥式振動(dòng)離心機(jī)、沉降離心機(jī)、沉降過(guò)濾離心機(jī)等。這些機(jī)器50~60年代從波蘭、蘇聯(lián)、德國(guó)等國(guó)引進(jìn)并國(guó)產(chǎn)化后，曾對(duì)我國(guó)選煤業(yè)發(fā)展，起到了巨大的作用。但由于結(jié)構(gòu)落后，制造粗糙，進(jìn)入90年代以后，這些離心機(jī)已經(jīng)不能滿足選煤業(yè)的迅速發(fā)展，于是國(guó)家又從美國(guó)引進(jìn)VC48、VC56立式離心機(jī)。這兩部離心機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修特別困難，淘汰呼聲很高。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)又相繼從德國(guó)、韓國(guó)、澳大利亞……引進(jìn)離心機(jī)，這些機(jī)子價(jià)格昂貴，有些單位要國(guó)產(chǎn)化，但成功率不高。
在充分分析和理解傳統(tǒng)振動(dòng)離心機(jī)的原理、優(yōu)缺點(diǎn)后，本設(shè)計(jì)本著發(fā)展民族工業(yè)，走自已創(chuàng)新之路的精神，在徐州大陸振動(dòng)公司專利(專利2607200)的基礎(chǔ)上并結(jié)合其專利產(chǎn)品DWL-1000單振子臥式振動(dòng)離心機(jī)和CMI公司生產(chǎn)的VC立式振動(dòng)離心機(jī)，設(shè)計(jì)了此自同步雙振子立式振動(dòng)離心機(jī)。
本設(shè)計(jì)克服了VC48、VC56立式離心機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修特別困難等缺點(diǎn)，同時(shí)解決了DWL-1000單振子臥式振動(dòng)離心機(jī)在使用中存在的問(wèn)題，并參考上述傳統(tǒng)振動(dòng)離心機(jī)，在設(shè)計(jì)出VVC自同步立式振動(dòng)離心機(jī)(處理能力為250t/h)。該立式振動(dòng)離心機(jī)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，在結(jié)合傳統(tǒng)振動(dòng)離心機(jī)生產(chǎn)效率高，脫水效果好，易于控制優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)緊湊合理，運(yùn)轉(zhuǎn)更為可靠，而且不需專門的潤(rùn)滑系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了專門的方便維修管理的通道，方便了維修，具有廣泛的實(shí)用性。
該立式振動(dòng)離心機(jī)是目前世界上結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的離心機(jī)，造價(jià)也最低，最適用于浮選精煤和煤泥的脫水，可用于80mm以下的物料脫水，也可取代高頻篩做煤泥脫水用。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖：
1-減振彈簧； 2-皮帶輪； 3-支撐彈簧； 4-偏心塊； 5-軸； 6-篩籃； 7-機(jī)架
圖2—3 VVC自同步立式離心機(jī)原理圖
3 各種工藝參數(shù)對(duì)離心機(jī)工作的影響
離心機(jī)的工藝參數(shù)(如篩籃傾角、振幅、頻率、回轉(zhuǎn)速度和回轉(zhuǎn)半徑等)影響物料在篩上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．而物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在很大程度上決定著機(jī)器的脫水效率。所以，在設(shè)計(jì)或使用離心機(jī)時(shí)，都需要適當(dāng)?shù)剡x擇離心機(jī)的工藝參數(shù)。由于離心機(jī)除回轉(zhuǎn)外又加入了振動(dòng)，物料在振動(dòng)離心機(jī)中的運(yùn)動(dòng)和在一般的過(guò)濾式離心機(jī)上不一樣。要正確地解決這個(gè)問(wèn)題，先要了解這些工藝參數(shù)和物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系。我們研究單個(gè)顆粒在篩籃上的運(yùn)動(dòng)情況。
3.1顆粒在篩籃上的受力分析
當(dāng)顆粒與篩籃一起回轉(zhuǎn)時(shí)，作用在顆粒上的力有四種，如圖3-1所示。
圖3-1 顆粒在篩籃上的受力分析
顆粒隨篩籃回轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力C，其計(jì)算公式為
（3-1）
式中：
m—顆粒的質(zhì)量kg
-篩籃的回轉(zhuǎn)速度rad／s；
r一顆粒的回轉(zhuǎn)半徑，m。
顆粒的重力G，其計(jì)算公式為
G＝mg
式中 ：
g－重力加速度，m／s。
顆粒隨篩籃作軸向振動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力P，其計(jì)算公式為：
P＝
式中：
－篩籃軸向振動(dòng)的角頻率 (相當(dāng)于激振偏心輪回轉(zhuǎn)的角速度)，rad／s；
A－篩籃軸向振動(dòng)的振幅，m；
－振動(dòng)的相位角(即激振器偏心輪回轉(zhuǎn)的相位角)，＝t；
T－偏心輪開始回轉(zhuǎn)起計(jì)算的時(shí)間，s。
篩面對(duì)顆粒的摩擦力F(F的方向與顆粒的運(yùn)動(dòng)方向相反)。
在振動(dòng)離心脫水機(jī)工作時(shí)，顆粒所受的重力與所受的離心力相比是很小的，所以在分析中，可忽略不計(jì)。
要使物料在篩面上能夠脫水，必須使物料與篩面保持經(jīng)常的接觸。從（圖3-1）可見，顆粒與篩面保持經(jīng)常接觸的條件是：
(3-2)
式(3-2)左邊是顆拉的離心力垂直于篩面的分力，必為篩面的傾角。由于慣性力的大小隨振動(dòng)的相位角而變。當(dāng)時(shí)，慣性力的垂直分力最大，如果這時(shí)候垂直于篩面的慣性力分力小于離心力垂直于篩面的分力，則在其他時(shí)間中也必能滿足式(3-2)要求的條件。將代人上式，整理后可得：
（3-3）
式(3-3)是保證離心機(jī)正常工作的先決條件。
在振動(dòng)離心脫水機(jī)工作中，不僅要使物料附在篩籃上與它一起轉(zhuǎn)動(dòng)。而且，還要使物料沿篩籃作正向(向下)的滑動(dòng)。顆粒作正向滑動(dòng)發(fā)生在篩籃從運(yùn)動(dòng)的中心位置向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，這時(shí)篩按向前運(yùn)動(dòng)的速度逐漸衰減，篩籃往后的加速度逐漸增大，附著在篩籃面上的顆粒向前的慣性力也逐漸增大，當(dāng)慣性力增大到一定程度時(shí)，顆物就脫離篩面，作正向的滑動(dòng)(見圖3-1)，顆粒作正向滑動(dòng)的條件是： 即
（3-4）
式中：
f—顆粒與篩面的靜摩擦系數(shù)。
若為靜摩擦角，則：
代入4-7得：
（3-5）
當(dāng)時(shí)，顆粒所的振動(dòng)慣性力最大，這時(shí)顆粒向前滑動(dòng)的極限(起碼)條件，因此，將代入，得：
或
（3-6）
式中：
n—篩籃的軸向振動(dòng)頻率(即偏心輪的回轉(zhuǎn)速度)，r/min；
—篩籃的轉(zhuǎn)速，r/min。
煤粒與篩面的靜摩擦系數(shù)是較難測(cè)定的數(shù)值，一般文獻(xiàn)介紹,f可取0.3-0.6,這時(shí)，靜摩擦角＝
式(3-6)是顆粒正向滑動(dòng)的條件，從式中可見；當(dāng)離心機(jī)的篩籃半徑(因顆粒的回轉(zhuǎn)半徑與篩籃半徑的大小有關(guān))和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，若增加振幅或頻率(即越大)，則物料正向滑動(dòng)的條件越好。在篩籃從運(yùn)動(dòng)的中心位置向前運(yùn)動(dòng)中，產(chǎn)生正向滑動(dòng)的時(shí)間越早，滑動(dòng)的時(shí)間相距離也越低。這樣，對(duì)增加離心機(jī)的生產(chǎn)能力是有利的。但如果振幅或頻率過(guò)大(即過(guò)大)，則篩籃從平衡位置向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)牛顆粒脫離篩面逆向(向上)滑功，這種逆向滑動(dòng)對(duì)提高離心機(jī)的處理能力是不利的。在振動(dòng)離心脫水機(jī)中，篩籃上的物料作脈動(dòng)件的正向滑動(dòng)．也就是在篩籃往復(fù)振動(dòng)一次時(shí)，停留在篩面的顆粒在篩面上時(shí)而作正向滑動(dòng)，時(shí)而又停留在篩面上，這樣的運(yùn)動(dòng)能提高離心機(jī)的脫水效果?？紤]到這些要求應(yīng)該有一合適的數(shù)值，這個(gè)數(shù)值的大小應(yīng)比式(3-6)中的條件更大些。所以，可以在式(4—9)上加—個(gè)大于1的系數(shù)尺K：
（3-7）
式中：
K是大于1的系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)．—般K可取為1.2-1.5。
利用式(3-7)表示各種參數(shù)的相互關(guān)系，確定這些參數(shù)的數(shù)值。除此以外，還可以利用這個(gè)關(guān)系來(lái)進(jìn)一步分析每個(gè)參數(shù)對(duì)物料運(yùn)動(dòng)的影響。
3.2篩籃的半徑和篩面傾角的影響
顆粒在篩籃上的回轉(zhuǎn)半徑r（見圖3-1）與篩籃半徑的大小有關(guān)，也與顆粒在篩籃上所處的位置有關(guān)。由式(3-6)可知，回轉(zhuǎn)半徑越大，則顆粒產(chǎn)生正向滑動(dòng)所需要的振幅和頻率也越大。這樣，在同一臺(tái)機(jī)器中，回轉(zhuǎn)半徑越大，顆粒走得越慢；回轉(zhuǎn)半徑越小，顆粒走得越快。因而，在篩籃中，顆粒在入料端比在排料端的滑動(dòng)速度要大，而且入料端直徑與排料端直徑的差別越大，顆粒的正向滑動(dòng)速度的差值也越大。由于篩籃人料端直徑和排料端直徑之比，取決于它的錐角(即二倍篩面的傾角)，所以加大篩籃的錐角可以加快物料正向滑動(dòng)的速度。但是，若錐角過(guò)大，會(huì)由于前后物料滑動(dòng)速度差值過(guò)大而引起排料端的物料層變厚，造成物料沿篩籃長(zhǎng)度分布不均勻，使離心機(jī)脫水效果變差。振動(dòng)離心脫水機(jī)的篩面傾角一般為10°～13°，個(gè)別的可達(dá)18°。篩籃直徑(大端)為900一1500mm
3.3篩籃轉(zhuǎn)速的影響
篩籃轉(zhuǎn)速增加，分離因數(shù)也隨之增大，這樣，可以改善脫水效果。但是，從式(3-7)中可見：篩籃轉(zhuǎn)速加大后，為了保證物料能順利地正向滑動(dòng)，振幅和頻率()也要相應(yīng)地增加。工業(yè)上使用的振動(dòng)離心脫水機(jī)，其篩籃的轉(zhuǎn)速約為370一440 r/min，分離因數(shù)約為100。由于振動(dòng)離心脫水機(jī)結(jié)構(gòu)上的限制，進(jìn)一步提高現(xiàn)有離心機(jī)的振幅和頻率是有困難的，所以篩籃的轉(zhuǎn)速也就局限在上述范圍之內(nèi)。
3.4振幅和頻率的影響
從式(3-7)中可見，振幅和頻率的增加都能加大物料的運(yùn)動(dòng)速度。這兩個(gè)參數(shù)可以互相配合，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，目前使用的振動(dòng)離心脫水機(jī)，雙振幅一般為5—6mm，個(gè)別的也達(dá)到7—8mm ;頻率一般為1600—2200。
通過(guò)改變激振器偏心塊的偏心質(zhì)量可以改變激振力的大小，以達(dá)到改變振幅的目的。
3.5篩籃長(zhǎng)度的影響
在式(3-7)中篩籃的長(zhǎng)度沒(méi)有反映出來(lái)。篩籃長(zhǎng)度決定著物料在篩而上停留的時(shí)間。目前，振動(dòng)離心機(jī)的篩籃長(zhǎng)度一般為500一700 mm，物料在篩面上停留的時(shí)間約為1s。增加篩籃長(zhǎng)度，脫水后物料的水分會(huì)有所降低。
4 離心機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析
4.1物料的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
物料在篩網(wǎng)上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接影響離心機(jī)的分離效果的生產(chǎn)能力，而物料的運(yùn)動(dòng)又在很大程度上決定了離心機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。因此，為了合理地選擇這些參數(shù)，必須首先分析物料的運(yùn)動(dòng)特性。
4.1.1物料的受力分析及運(yùn)動(dòng)方程式
振動(dòng)離心機(jī)的篩籃既做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又做軸向振動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用以下兩個(gè)函數(shù)來(lái)描述：
軸向位移：
轉(zhuǎn)角： （4-1）
式中：
A1－篩籃的振幅
－激振頻率
t —時(shí)間
濾渣在運(yùn)動(dòng)的篩籃中滑動(dòng)，其受力分析必須同時(shí)考慮篩籃的牽連運(yùn)動(dòng)和濾渣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如下圖：
圖4—1 濾渣在篩網(wǎng)上的受力狀態(tài)
若在濾渣中取一質(zhì)量為m的微體，其受力狀態(tài)如圖4-1所示，圖中C是濾渣微塊所產(chǎn)生的離心力，其方向是徑向的；P是由于振動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力，其方向是軸向的；Q是由于濾渣相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生產(chǎn)的慣性力，它沿母線方向；F為篩網(wǎng)壁對(duì)濾渣的摩擦力，其方向與濾渣在篩壁上的滑動(dòng)方向相反；FK是由于濾渣的徑向速度而產(chǎn)生的斜壓力,其方向是沿篩籃的周向并與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。并將以上諸力分解為沿母線，法線，切線，沿垂直分量，可得到以下力的平衡方程式：
沿母線方向： =0
沿切線方向： (4-2)
其中：
Cp=m2sin2
=2msin
式中：
， ，—相對(duì)位移，相對(duì)速度，相對(duì)加速度。
，，—分別表示濾渣沿切線方向的相對(duì)角位移，
相對(duì)角速度，相對(duì)角加速度。
—篩籃對(duì)濾渣的摩擦系數(shù)。
將以上諸表達(dá)式代入式（4-1），可得濾渣的運(yùn)動(dòng)方程式：
?。?-3）
（4-4）
式（4-3）、（4-4）分別表示物料沿母線和切線方向的運(yùn)動(dòng)方程式，在運(yùn)用過(guò)程中，必須注意到：濾渣能否沿篩籃向前滑動(dòng)，取決于是否能克服摩擦力，即只有當(dāng)作用在濾渣上的慣性力大于摩擦阻力時(shí)，濾渣才能開始向前滑動(dòng)，因此開始運(yùn)動(dòng)的條件是：
（4-5）
濾渣在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)作用在它上面的慣性力小于摩擦力時(shí)，此時(shí)濾渣的滑動(dòng)速度逐漸降低，直至為0，因此停止運(yùn)動(dòng)的條件是：
（4-6）
4.1.2濾渣停留時(shí)間的計(jì)算
式（2）、（3）是一個(gè)二階非線性微分方程式組，要想精確地解出函數(shù)（t）， （t）是十分困難的，甚至是不可能的。 為此做必要的簡(jiǎn)化。對(duì)濾渣運(yùn)動(dòng)的觀察及理論研究發(fā)現(xiàn)，濾渣在篩網(wǎng)上的運(yùn)動(dòng)具有以下特性：
（1）、在振動(dòng)離心機(jī)中濾渣呈間斷滑動(dòng)，即在一個(gè)振動(dòng)循環(huán)中濾渣沿篩網(wǎng)的正向滑動(dòng)（向篩籃大端運(yùn)動(dòng)）是由靜止——滑動(dòng)——靜止三個(gè)階段組成。
（2）在常用的幾何參數(shù)和操作條件下，濾渣在周向的滑動(dòng)的距離小于沿母線方向滑動(dòng)距離的15%。
根據(jù)以上情況，可忽略運(yùn)動(dòng)方程中的周向角位移量，即=0，并將（2）簡(jiǎn)化改寫成以下形式。
（4-7）
其中
（4-8）
式中：
β — 表示濾渣位置
（沿母線或徑向的無(wú)因次數(shù)）
K — 無(wú)因次參數(shù)
R — 濾渣的回轉(zhuǎn)半徑
— 濾渣對(duì)篩網(wǎng)的摩擦角，
— 濾渣滑動(dòng)時(shí)的相位角，
— 分別表示濾渣開始滑動(dòng)和停止滑動(dòng)時(shí)的相位角。
同樣根據(jù)式（4-5）、（4-6），可確定（4-7）式的初始條件終止條件：
式（4-7）表示在一個(gè)振動(dòng)循環(huán)中濾渣的運(yùn)動(dòng)方程式，由于引進(jìn)了無(wú)因次數(shù)β而大為簡(jiǎn)化。β包括篩籃的半徑r，角速度，半錐角α，篩籃振幅A1，激振頻率和摩擦角α。等六個(gè)參數(shù)。
將濾渣所受的離心力，振動(dòng)慣性力，摩擦力有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。若將式（4-7）直接積分可得到：
(4-8)
由式（4-8）可得到
（4-9）
βc表示在一個(gè)振動(dòng)循環(huán)中β的積分平均值，由于在一個(gè)振動(dòng)循環(huán)中β變化很小，其變化量與β相比是一個(gè)很小的微量，因此可近似的認(rèn)為β是一個(gè)常數(shù)。
即：β=βo=βc或
(4-10)
若將式（4-9）右邊第一項(xiàng)分別乘以和除以Sinτo，并利用（10）進(jìn)行數(shù)學(xué)演算，由此可得到：
（4-11）
式中：
將式（4-11）代入式（4-9）中，并將積分中的β提出，進(jìn)行積分，最后得到：
(4-12)
同樣若將式（4-9）中的右邊第一項(xiàng)分別乘以和附以cosτ，并利用式（4-10）進(jìn)行數(shù)學(xué)演算，可得到：
（4-13）
由式（4-11）、（4-13）得到：
(4-14)
由（4-14）可看出，β的變化范圍是0~1。解方程組（4-12）、（4-14）消去2πθ及其函數(shù)值，最后得到：
k2△β≈[2π(1-β)-2β(1-β)+ –β]( 1-β)2 (4-15)
式（4-15）是一個(gè)無(wú)因次方程式，它表示濾渣在一個(gè)振動(dòng)循環(huán)中的滑動(dòng)距離與所在位置的關(guān)系，即當(dāng)α0、α、A1、ω、ωj等參數(shù)一定時(shí)，隨著濾渣向前滑動(dòng)，其回轉(zhuǎn)半徑r不斷增大，β也增大，而濾渣在一個(gè)振動(dòng)循環(huán)中滑動(dòng)距離將減小。因此在振動(dòng)離心機(jī)中，濾渣除呈間斷滑動(dòng)外，其滑動(dòng)速度將逐漸減小，在篩籃小端最大，在篩籃大端最小。
根據(jù)式（4-15）可求出濾渣在篩籃中的停留時(shí)間T。因?yàn)闉V渣在篩籃中要經(jīng)過(guò)很多個(gè)振動(dòng)循環(huán)。
因此濾渣的無(wú)因次滑動(dòng)速度可近似表示為：
（4-16）
假設(shè)濾渣在篩籃中滑動(dòng)時(shí)，其摩擦系數(shù)變化不大，即k2近似等于一個(gè)常數(shù)。
將式（15）代入式（16）進(jìn)行積分，最后得到濾渣停留時(shí)間的計(jì)算公式：
(4-17)
其中：
(4-18)
式中：
－表示篩籃小端的β值。
－表示篩籃大端的β值。
—表示篩籃的小端半徑。
－表示篩籃的大端半徑。
－無(wú)因次參數(shù)。
當(dāng)離心機(jī)的參數(shù)，動(dòng)力學(xué)參數(shù)及物料的摩擦系數(shù)確定后，可用式（4-17）計(jì)算物料的停留時(shí)間，相反，若根據(jù)工藝要求已確定停留時(shí)間，則可計(jì)算離心機(jī)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
4.2振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析
4.2.1自同步原理
雙電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的雙軸振動(dòng)離心機(jī)，其激振器的雙軸分別由兩個(gè)異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，其間并無(wú)強(qiáng)迫聯(lián)系。兩軸的同步完全依靠力學(xué)關(guān)系來(lái)保證。下面是以簡(jiǎn)單的物理概念對(duì)雙拖動(dòng)的雙軸振動(dòng)離心機(jī)反向同步旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自同步的原理進(jìn)行介紹。
圖4—2 雙軸振動(dòng)離心機(jī)振動(dòng)原理
要使雙軸振動(dòng)離心機(jī)做軸向直線振動(dòng)，兩組不平衡重必須嚴(yán)格按圖4-2中所示的反向而同步旋轉(zhuǎn)，但是，雙電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)往往由于啟動(dòng)等原因，使兩組不平衡重的相對(duì)位置并不像圖4-2所要求的那樣。如果不平衡重2落后于不平衡重1一個(gè)相位角，這時(shí)兩者所產(chǎn)生的離心力將不能按圖4-2的要求進(jìn)行迭加和抵消，而產(chǎn)生了一個(gè)不平衡力，使整個(gè)主振部分在支承彈簧上產(chǎn)生移動(dòng)和擺動(dòng)。但是，恰恰由于這一移動(dòng)和擺動(dòng)又使兩個(gè)偏心軸能互相自動(dòng)追隨而達(dá)到反向同步旋轉(zhuǎn)。
圖4—3 雙電機(jī)拖動(dòng)雙軸振動(dòng)部分簡(jiǎn)化圖
圖4-3是雙電機(jī)拖動(dòng)雙軸振動(dòng)離心機(jī)振動(dòng)部分的簡(jiǎn)化圖。兩組不平衡重的質(zhì)量集中在和點(diǎn)上，分別以半徑和繞和旋轉(zhuǎn)。整個(gè)主振部分的質(zhì)量集中在m點(diǎn)，并支承在和兩組彈簧上。取直角坐標(biāo)x軸通過(guò)和。
假設(shè)由于某種原因，不平衡重落后于一個(gè)相位角，即的離心力與y軸的夾角為，而的離心力與y軸的夾角為,并且，>。
由于 =、=、，
所以 =；
因?yàn)?>，
故 ，，
其中 、分別為及在y軸上的投影，、分別為及在x軸上的投影。
令 -=；
-=
而與合成于點(diǎn)，其向量為：
+=
即為實(shí)現(xiàn)使兩個(gè)不平衡重互相追隨直至達(dá)到同步正常旋轉(zhuǎn)的力。
根據(jù)力的平移原理，將圖4-3中作用與點(diǎn)的力移至主振部分的重心m處。也就是說(shuō)，在m點(diǎn)加兩個(gè)大小等于、方向互相相反的力，這時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)（不包括兩不平衡重可以抵消和迭加的那部分）可視為作用于m點(diǎn)的一個(gè)力和一個(gè)力偶，它們被支承彈簧的反力所平衡。
主振部分重心m在力和力偶的作用下，克服支承彈簧反力而沿著受力的方向使整個(gè)主振部分發(fā)生移動(dòng)和繞m點(diǎn)擺動(dòng)。兩不平衡重的旋轉(zhuǎn)中心和也將隨著主振部分的移動(dòng)和擺動(dòng)移至和。而處于在空間旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的不平衡重質(zhì)量和，卻因?yàn)閼T性作用將盡量保持其原有位置而繞和旋轉(zhuǎn)，其離心力為和。、與y軸的夾角分別為和。
在中，為該三角形的外角，
因此 =(因) （4-19）
故
同樣 為的外角；
則 (因) （4-20）
故
令 （4-21）
。 （4-22）
將公式4-19和4-20代入公式4-22，得：
根據(jù)上式，不難看出：
即兩個(gè)不平衡重的相位差在力的作用下由減小到。
用同樣的道理可以證明：兩個(gè)偏心軸再經(jīng)過(guò)多次的旋轉(zhuǎn)，將使其相位角差越來(lái)越小，直至為零，即重新實(shí)現(xiàn)了反向同步旋轉(zhuǎn)。
從上面的分析可以看到，雙電機(jī)拖動(dòng)的雙軸振動(dòng)離心機(jī)所以能夠?qū)崿F(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)，關(guān)鍵在于兩組不平衡重自動(dòng)調(diào)整。但是，如果雙軸的摩擦阻力相差過(guò)大，自動(dòng)追隨同步就可能不能實(shí)現(xiàn)。為了使雙軸能同步運(yùn)轉(zhuǎn)，所用的異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)盡可能一致，且最好是同一廠家制造；激振器兩根主軸必須轉(zhuǎn)到靈活，其阻力盡可能一致。
4.2.2振幅分析
參照機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖（圖4—1）建立圖（4—4）的力學(xué)模型。
圖4-4 振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型
可以看出為雙振子2自由度。 以力學(xué)模型圖（4—4）為依據(jù)，按照達(dá)朗貝爾原理，可以建立機(jī)體的振動(dòng)方程。從圖可以看出，作用在振動(dòng)質(zhì)體上的力包括機(jī)體慣性力、阻尼力、彈性力和激振力。
在振動(dòng)的每一瞬時(shí)，這些力的和應(yīng)為零。同樣作用在振動(dòng)質(zhì)體和上的力包括機(jī)體慣性力、阻尼力、彈性力和激振力。在振動(dòng)的每一瞬時(shí)，這些力的和也應(yīng)為零。換句話說(shuō)，振動(dòng)系統(tǒng)中作用于質(zhì)量以及+上的所有力應(yīng)互成平衡。
由于是雙振子，且它們的設(shè)計(jì)相同，只是旋轉(zhuǎn)的方向相反，所以它們?cè)谒椒较虻牧ο嗷サ窒?只有豎直方向有振動(dòng)。故可列出振動(dòng)方程：
設(shè)的位移為，的位移為
所以的系統(tǒng)在豎直方向的振動(dòng)方程為
?。?-23）
式中：
振動(dòng)機(jī)體的計(jì)算質(zhì)量
－振動(dòng)機(jī)體的實(shí)際質(zhì)量
－物料結(jié)合系數(shù)；（=0.15~0.2）
－工作面上物料的質(zhì)量
－等效阻力系數(shù)；（0.2~0.3）
－支承橡膠彈簧的剛度；
－減振橡膠彈簧的剛度：
－偏心塊質(zhì)量；
－振動(dòng)質(zhì)量包括篩籃、主軸、皮帶輪、軸承、主軸套等
－振動(dòng)質(zhì)量包括機(jī)架、傳動(dòng)電機(jī)、底座
－偏心塊在豎直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)慣性力
，，－方向上的加速度，速度，位移
偏心塊相對(duì)于回轉(zhuǎn)軸線的慣性力用下式表示：
= （4-24）
式中：
－偏心塊回轉(zhuǎn)速度
－偏心塊的偏心距
將式4-24代入式4-23得離心機(jī)振動(dòng)機(jī)體的振動(dòng)方程為：
?。?-25）
由于阻尼力的存在，自由振動(dòng)在機(jī)器工作過(guò)程中將會(huì)消失。因此下面僅研究振動(dòng)機(jī)械的強(qiáng)迫振動(dòng)：
當(dāng)振動(dòng)機(jī)械正常工作時(shí)，機(jī)體在豎直方向的位移應(yīng)有如下形式：
（4-26）
將式（4-22）代入上式，并將sint展開為
sint=sin(t-+)
=sin()cos()+cos()sin()-
sin()+cos()+sin()
=2[ sin()cos()+cos()sin()] （4-27）
要使上式恒等，必須有和的系數(shù)相等即
[-]=2cos()
=2 sin() （4-28）
從而可以得出
==-
=arctan=arctan （4-29）
其中為機(jī)體豎直方向的計(jì)算質(zhì)量：
而 通常在之間，所以=1
Y方向的振幅可以表示為
= （4-30）
5 VVC離心機(jī)結(jié)構(gòu)分析及其設(shè)計(jì)
5.1 VVC離心機(jī)的總體分析
5.1.1 VVC離心機(jī)的總體結(jié)構(gòu)分析
VVC離心機(jī)在充分滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊，與同類機(jī)械相比，其尺寸小，重量輕，并設(shè)計(jì)了人性化的安裝及維護(hù)通道，方便工作人員進(jìn)出，易于維修。其總體結(jié)構(gòu)如下圖：
圖5—1 VVC自同步立式振動(dòng)離心機(jī)結(jié)構(gòu)
1、減振彈簧 2、機(jī)架 3、支承彈簧 4、出料槽 5、激振器 6、出水槽 7、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)8、定位裝置 9、篩籃 10、進(jìn)料裝置 11、回轉(zhuǎn)電機(jī) 12、V型皮帶
VVC離心機(jī)是由回轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)一次減速后直接帶動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，從而使篩籃旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用，將使物料往外甩，此時(shí)水分經(jīng)過(guò)篩籃中篩網(wǎng)的縫隙被甩出，經(jīng)由出水槽6流出。另一方面，由激振電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器直接帶動(dòng)激振器上的偏心塊旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激振力，由于在水平方向?qū)ΨQ布置了兩個(gè)激振器，故偏心塊在水平方向的偏心力相互抵消，只有豎直方向有力，從而通過(guò)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)帶動(dòng)篩籃上下振動(dòng)，使物料向上移動(dòng)，在篩籃最上端被甩出，進(jìn)入出料槽4流出。由此實(shí)現(xiàn)了物料中水分的脫離。減振彈簧1支承整個(gè)離心機(jī)的重量，并減弱機(jī)器工作時(shí)機(jī)架的振動(dòng)。機(jī)架經(jīng)支承彈簧支承參振部分的重量，保證參振部分的振動(dòng)。定位裝置，通過(guò)橡膠彈簧的作用，在水平方向固定回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使其不因皮帶壓軸而偏斜或移動(dòng)，保證回轉(zhuǎn)可靠。
5.1.2 VVC離心機(jī)的質(zhì)量
根據(jù)離心機(jī)的結(jié)構(gòu)總圖可初步估算離心機(jī)各零部件大概質(zhì)量，其各主要零部件的質(zhì)量如下：
1、篩籃、篩網(wǎng)、篩座 150㎏
2、主軸軸承（29422E） 13.5*2=27㎏
3、主軸 77㎏
4、激振器 162*2=324㎏
5、筒狀箱體 370㎏
6、輪轂 18㎏
7、大帶輪 63㎏
8、小帶輪 40㎏
9、機(jī)架 2500㎏
10、蓋板 241㎏
11、進(jìn)料裝置 212㎏
12、回轉(zhuǎn)電機(jī) 50
13、激振電機(jī) 50*2=100
14、聯(lián)軸器 20*2=40 （和為4212）
再考慮其它一些小零件，可初估該離心機(jī)的質(zhì)量約為4500㎏，參振質(zhì)量約為1100㎏。
5.2篩籃結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)
5.2.1篩籃的結(jié)構(gòu)分析
篩籃的結(jié)構(gòu)如下：
1－豎直篩條 2－水平篩條 3－大法蘭 4－墊片 5－小法蘭
（a）
篩網(wǎng) 篩座
（b） （c）
圖5-2 篩籃結(jié)構(gòu)
篩籃是振動(dòng)離心機(jī)的主要工作部件，它分為焊接式和金屬絲纏繞式兩種，國(guó)內(nèi)多采用焊接式篩籃，它由篩網(wǎng)、篩框和篩座幾大部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖（5-1）所示篩框由豎直篩條1，水平篩條2，大法蘭3，小法蘭5等等構(gòu)件焊接而成，其材料都是不銹鋼。其焊接過(guò)程是：用接觸焊機(jī)將構(gòu)件制成肩形篩板，然后壓成弧形，并在專用胎具上拼焊而成。為了減小物料軸向運(yùn)動(dòng)摩擦，篩條1沿錐體軸線排列，篩座是鑄鋼件在它上面設(shè)有布料器，用來(lái)加速物料，使物料以接近篩籃的速度均勻落入篩網(wǎng)上。篩網(wǎng)是將鋼絲橫豎焊接成籃狀后直接裝入篩框的，其篩縫為1mm。將篩框裝在篩座上，再將篩網(wǎng)放如篩框即可組成完整的篩籃。焊接式篩籃的特點(diǎn)是重量比較輕，它僅是金屬絲纏繞式的1/3。
5.2.2篩籃主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定
篩籃的參數(shù)直接影響到整個(gè)離心機(jī)的脫水時(shí)間和產(chǎn)品的質(zhì)量。在本設(shè)計(jì)中，篩籃的設(shè)計(jì)參照了VC56立式振動(dòng)離心機(jī)的篩籃的有關(guān)尺寸。
VC56的技術(shù)參數(shù)
處理能力： 165～295噸/小時(shí)
入料粒度： 0.5-75mm
篩籃大端值： D=φ1500
篩籃半錐角： α=
篩籃高度： H=781mm
主軸轉(zhuǎn)速： =260-300r/min
激振器轉(zhuǎn)速： =1460r/min
主振部件振幅：4-6mm（雙振幅）
主軸： ω=31.4rad/s
激振主軸： ＝167.55rad/s
摩擦角： =arctg0.25=14.03
籃大端半徑： =750mm
篩籃小端半徑： =750-800tg=565.3mm
將上述參數(shù)代入式4-18得
（5-1）
（5-2）
將式（5-1）和（5-2）代入式（4-17）
＝2.72s
根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，處理能力比VC56稍小。考慮到成本問(wèn)題激振器中的軸承采用油脂潤(rùn)滑，因而激振頻率不能太高，現(xiàn)只取1440 r/min。因而需要對(duì)篩籃其它進(jìn)行修改。
1、直徑D
離心機(jī)的生產(chǎn)能力與篩籃直徑有很大關(guān)系，直徑愈大，生產(chǎn)能力愈高，對(duì)于振動(dòng)離心機(jī)來(lái)說(shuō)，由于受到振動(dòng)強(qiáng)度的限制，分離因數(shù)ω2r/g較小，因此可以增大篩籃直徑，以提高產(chǎn)量，目前，最大的是德國(guó)生產(chǎn)的HSL1500型振動(dòng)離心機(jī)，篩籃最大直徑為1500mm，生產(chǎn)能力為400t/h。鑒于此篩籃的最大直徑取1500mm
2、半錐角 α
在振動(dòng)離心機(jī)中，篩籃錐角的大小直接影響物料在篩網(wǎng)上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和物料在篩籃上的停留時(shí)間，一般α小于物料與對(duì)篩網(wǎng)的摩擦角。物料是在離心力和振動(dòng)慣性力作用下作正向滑動(dòng)的。其滑動(dòng)速度不僅與α有關(guān)，而且與物料所在位置的回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)?；剞D(zhuǎn)半徑愈大，滑動(dòng)速度愈小，回轉(zhuǎn)半徑愈小，滑動(dòng)速度愈大。因此，在篩籃中物料在入料端比在排料端滑動(dòng)速度要大。隨著α的增大，篩籃入料端與排料直徑差別愈大，物料滑動(dòng)速度的差值也愈大，因此，加大錐角可以增大物料的正向滑動(dòng)速度，但是錐角過(guò)大，會(huì)引起排料端的物料層變厚，使物料沿篩籃長(zhǎng)度方向分布不均勻，使離心機(jī)脫水效果變壞。所以不能改變?chǔ)?，α仍?
3、篩籃的長(zhǎng)度H
篩籃的長(zhǎng)度決定了物料的停留時(shí)間，增加篩籃長(zhǎng)度，可增加物料的停留時(shí)間，降低產(chǎn)品含水量。但是在α一定的情況下，長(zhǎng)度愈大，篩籃兩端直徑的差別愈大，物料在兩端的滑動(dòng)速度的差值也愈大，物料沿長(zhǎng)度的分布愈不均勻，從而使離心機(jī)脫水效果變壞。一般煤用脫水振動(dòng)離心機(jī)，其篩籃長(zhǎng)度為500~680mm，所以將篩籃的長(zhǎng)度略作修改，H取770mm
4、篩籃的振動(dòng)幅度
篩籃的振動(dòng)幅度對(duì)物料的脫水時(shí)間影響較大，且振動(dòng)幅度的調(diào)整受制于整個(gè)激振系統(tǒng)的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)。在本設(shè)計(jì)中振幅取3.0mm
最終確定篩籃的參數(shù)如下
篩籃大端直徑： D=φ1500
篩籃半錐角： α=
篩籃高度： H=770mm
主軸轉(zhuǎn)速： =280r/min
激振器轉(zhuǎn)速： =1440r/min
摩擦系數(shù)： f=0.25
主振部件振幅取最大：A=3.0mm
主軸： ω=31.4rad/s
激振主軸： ＝150.8rad/s
摩擦角： =arctg0.25=14.03
籃大端半徑： =750mm
篩籃小端半徑：=750-800tg=565.3mm
將上述參數(shù)代入式（4-18）和式（4-17）
T=2.70s
與同類產(chǎn)品比較，可見此脫水時(shí)間是滿足實(shí)際要求的，