采砂船锥形轴流组合分选筛的研究与应用

□刘有战 □王四通 □鲁金锋

（1豫西黄河河务局 2河南黄河河务局）

0 引言

黄河洛阳河段内河床由砂卵石组成，大多粒径在20～200mm，河道内疏浚采砂多用经过改进后的链斗式采砂船，使之能适应砂卵石的开采，同时为了减少砂石后续的分选工作量,提高生产效率，在采砂船上加装了分选筛，使链斗采挖上来的砂卵石经过分选筛分成砂和卵石。近年来，我国挖砂船分选装置的研制、推广使用得到了快速发展，在轴流式、振动筛分选装置上投入的精力和工作量比较大，取得了一定的成果；但锥型轴流组合横置式分选筛装置的研究还比较少，还不够成熟和系统，相关试验研究还不够深入。为完善轴流分选装置的理论，提高分选效率和改善分选质量，研究设计了锥型轴流组合横置式分选筛装置，该装置满足采砂船砂石的分选要求，可为采砂船砂石分选装置的研究提供有利的平台。

1 轴流式分选机构总体结构与工作原理

锥型轴流分选筛装置工作时，需根据砂石分选要求，选择合适的技术参数。料斗挖砂机构将砂石从河底挖出，经链轮提升到集料箱中，再经导板导入锥型轴流分选筛中。分选筛有两层筛架，砂石进入分选筛里层筛片内,随分选筛一齐转动，河砂在筛面推力作用下在筛面上滚动并沿轴向流动，一层筛面隔除砂石中＞80mm的大石块及杂质，由里层排大石口排出，收集装船运上岸，作进一步的加工处理，以利于河道的疏浚；而细砂和（5～80mm）的中小石块流入第二层筛面上继续筛理，经筛分后,二层筛面隔除砂石中的小石块,并经二层筛面出口进入小石块接料箱中，砂透过二层筛面经导流板进入砂接料箱，见图1。

图1 锥形轴流分选筛筛分示意图

为提高砂石的质量，透过一层筛面小石块及透过二层筛面细砂经导流板进入接料箱之前,随料斗提升上来的水,对锥型轴流分选筛装置中的砂石进行适当的冲洗,将砂石中的泥土冲出,减少了后续加工的工作量。

2 主要技术参数及结构特点

对锥型轴流分选筛装置结构和技术参数进行设计时，可通过确定锥型分选筛小端半径和大端半径决定分选筛的锥度,选择分选筛的长度可提高分选效果;选择分选筛的转速,可确定将砂石提升的高度,在重力作用下,砂石和筛体分离后,利用自身的质量和下落时产生的加速度对分选筛中的砂石进行打击,使粘在石块上的细砂与粘在筛片上的细砂相互分离,提高砂和石块的分选质量。通过数据采集和分析试验数据，使锥型轴流分选筛系统的工作可靠、分选质量理想。该分选筛具有结构简单，功能全面，操作及使用方便的特点。

2.1 转速的确定

锥型轴流分选筛装置的内圆半径设为R，绕通过中心的水平轴匀速转动，筛内砂石由筛壁上的凸棱带着上升。为使砂石获得迫使粘在石块上的细砂与粘在筛片上的细砂相互分离的能量，石块应在θ=θ0时才掉下来。石块只有在获得足够大的离心惯性力后才能随筛壁上升,为此首先确定分选筛的转数n。

取石块为研究对象，石块被旋转的分选筛带着沿圆弧向上运动，当石块到达某一高度时，会脱离筒壁而沿抛物线下落。

石块在上升过程中，石块受到重力mg、筒壁的法向反力FN和切向反力F的作用，受力分析见图2。

图2 锥形轴流分选筛砂石受力分析图

列出质点的运动微分方程在主法线上的投影式：

质点在未离开筒壁前的速度等于筒壁的速度：

当θ=θ0时,石块将落下,这时FN=0

显然，θ0越小，要求n越大。

当θ=10～15°时,砂石脱离筛网,筛分效果较好,分别代入小端筛网内径r=0.70m和大端筛网内径R=1.50m,可求得转速：

当θ0=0,石块就会紧贴筒壁转过最高点而不脱离筒壁下落，起不到砂石和筛网分离后相互撞击的作用。因此说，分选筛的转速不能过大,但也不能过小,否则砂石不能随分选筛上升，起不到分选的作用。当分选筛的转速为24r/min≤n≤24r/min时,较为合适,砂石将按设计要求进行分选。

2.2 分选筛砂石沿轴向流动分析

砂石随分选筛转动时,在摩擦力FS和正压力FN以及重力mg作用下,其合力为一个方向朝右下方的作用力，该力将使砂石沿轴向自小端向大端移动,在移动过程中,不断地将细砂、砂石及大石块分离开来,经过几次筛分,流出轴长为5m的分选筛后,砂和料石可以达到预期的筛分效果，砂石受力分析见图3。

图3 锥形轴流分选筛砂石受力分析图

2.3 分选筛动力配置

锥型轴流分选筛选用18.50kW的电机来提供动力，转速为970r/min。通过电机皮带轮和减速机皮带轮的大小和减速机的传动比,使分选筛的转速在正常工作的转速范围内工作。

2.4 其他特性分析

锥型轴流分选筛的支撑水平刚度很小，可以认为不传递水平振动力，因此不需校核分选筛的水平振动。作用于分选筛上的垂直周期性振动力，一般仅能引起分选筛的局部振动，该振动有利砂石分选,受影响的仅是支承振动筛的筛轴和支承筛轴的支架，由于分选筛的转速较低，垂直方向的振动能量较小,因而不需作动力计算。

3 应用情况

锥型轴流分选筛设计完成后，分别在河段多条疏浚采砂船上得到了应用。整个装置运行稳定，替代了岸上砂卵石分选与洗砂过程，不仅使分选效率提高了3～5倍，而且节省了生产场地，大大提高生产效益。