高效浓缩机刮泥叶片形状曲线的分析研究

2013-05-15郭印坤王守信宋战胜

机械工程与自动化 2013年1期

郭印坤，王守信，宋战胜

（太原科技大学机械工程学院，山西太原 030024）

0 引言

高效浓缩机是一类利用重力沉降原理对固液混合物进行净化脱水的设备，其刮泥叶片是直接对池底沉积的矿泥起作用的部件，在刮泥叶片围绕中心立柱旋转并将沉积物刮向集料槽的过程中，刮泥叶片的形状直接影响其对沉积物的刮集作用进而影响整个高效浓缩机的工作效率。采用直板形状的传统刮泥叶片往往出现沉积物向中心移动速度慢、沉积物易沾在刮泥叶片上影响刮泥效率等缺点，对此，本文在介绍高效浓缩机的原理基础上，从理论上研究等角螺线形刮泥叶片的优点。

1 高效浓缩机的工作原理

高效浓缩机的工作原理如图1所示，添加絮凝剂的固液混合物通过进料管19送入由给料井筒体10和给料井底部辐散挡板11组成的给料井中，由于进料管中的固液混合物是从给料井的一侧以一定的初速度喷入，因此固液混合物在给料井中受到给料井筒体的阻挡后呈现旋转状态，固液混合物和絮凝剂在这种旋转状态下得到充分混合。混合以后的固液混合物继续下降受到给料井底部辐散挡板的作用，由于辐散挡板内侧呈现一定角度的锥形，混合物在下降过程中受到液流旋转力和锥形挡板的阻力而使固液混合物沿着给料井底部辐散挡板的边缘向着斜下方向均匀辐散在浓缩池中。

固液混合物与絮凝剂混合进入浓缩池后，絮凝剂开始发挥作用，固液混合物中的固体颗粒凝结成团絮状在重力作用下开始下沉，最后沉入池底，澄清后的溢流水则由溢流堰溢出继续循环利用。

高效浓缩机工作启动后，驱动液压马达和减速机6将减速后的低速大扭矩的动力传递到耙架装置传动架13上，传动架再带动连接到其上的耙臂14转动，然后耙臂上面的刮泥叶片20将沉积于池底的固体沉积物刮向中心的集料槽21，随着耙架装置13、14、20的转动，集料槽刮泥叶片22贴着集料槽21的内壁将刮集到集料槽21的沉积物刮向集料槽21的底流口，最后又由排料泵经排料管23抽出浓缩池。

图1 高效浓缩机工作原理简图

在浓缩机运行过程中，当耙架装置13、14、20、22的工作阻力超过额定工作阻力时，提耙油缸7在控制装置的作用下自动提起，直到到达合适的工作阻力；当工作阻力下降时，提耙油缸7又自动下落，以此来保证高效浓缩机始终工作在额定阻力，避免了压耙事故，提高了浓缩机的使用寿命。

高效浓缩机整个传动和工作系统6、7、8、9、10、11、13、14、20、21、22、23的重量全部加载在位于浓缩池中心的支撑立柱12上，整个系统所需要的动力由液压站8供应。浓缩池水泥壁16位于地基18上，便于施工，操作人员通过走廊装置1、2、3和内部带梯子的中心空柱进行操作。

2 等角螺线及其工程应用

如图2所示，若一条曲线在某个点P的切向量都与某定点O至此点P所成的向量夹成一定角，且定角不是直角，则此曲线称为一条等角螺线，O点称为它的极点。在坐标平面上，若极坐标方程ρ＝f（θ）表示一条等角螺线（f（θ）＞0）（θ为向径OP 与x 轴夹角），其极点是原点O，定角为α（0＜α＜π，α），则因在点（f（θ），θ）的切向量为：（f′（θ）cosθ－f（θ）sinθ，f′（θ）·sinθ＋f（θ）cosθ）。所以，可得：

其中，a为常数。

所以等角螺线的极坐标方程为：

图3 控制系统梯形图

在图2所示的等角螺线中，取其一段（AB段）作为刮泥叶片，此时，等角螺线上任一点R的向径OR与R的切线RT的夹角为常数。常用等角螺线叶片的设计公式为：

图3 控制系统梯形图

由式（6）及图2可以看出，当θ＝0时，a＝ρ，a为常数，因此a值的大小决定对数螺线开始时的位置，同时a值的大小也决定叶片的强度和刚度。一般a值越大，相同材料下叶片的强度和刚度也越大。

图2 等角螺线及其工程应用

3 刮泥叶片和沉积物接触的力学分析和速度分析

如图3所示，取图2中的BD段进行分析，令耙臂中心轴线与OM重合，取沉积物颗粒与刮泥叶片的接触位置为R进行分析研究。当叶片以角速度ω回转时，物料对叶片的作用力Fng可分解为Ftk及Fvg，且Ftk＝Ftg，故有：

其中：Fvg垂直OM；Ftg沿叶片切线方向。

图3 受力分析和速度分析图

当物料所受切向力Ftk小于叶片对物料的摩擦力Ffg＝Fnk·μ（μ为摩擦系数）时，沉积物将沿Ftk的反作用力Ftg方向移动，则沉积物的速度方向由v改为vt的方向，表示沉积物对刮泥叶片的切向力Ftg对刮泥叶片沾着的沉积物有一个不断的刮擦作用；又由于极角α是常数，在叶片上任何一点刮擦的力都存在，所以叶片不易沾住物料。

沉积物颗粒受到正压力Fnk和摩擦力Ffk的作用，其摩擦角为β，沉积物颗粒的运动速度为vn，刮泥叶片与沉积物颗粒接触点的速度为v，则：

vn＝v·cos（α－β）。

设vo为沉积物颗粒向浓缩池中心的速度分量，则：