聚氨酯筛网在双层圆振动筛上运用可行性分析

2015-10-10魏斌黎鹏

橡塑技术与装备 2015年20期

关键词：筛网振动筛弹性体

魏斌，黎鹏

（广东省大宝山矿业有限公司，广东韶关 512118）

聚氨酯筛网在双层圆振动筛上运用可行性分析

魏斌，黎鹏

（广东省大宝山矿业有限公司，广东韶关 512118）

近年来国家大力提倡降本增效，企业对于新材料、新产品的运用和需求大增，本公司积极响应国家政策，对新材料的的运用已有十多年，并取得了相当显著的成绩。近期，公司打算引进聚氨酯材料，尤其是聚氨酯筛网的运用。对此，我们根据公司实际情况以及振动筛的参数数据对聚氨酯筛网的运用可行性进行分析计算，为公司新选厂对聚氨酯材料运用提供数据证明。

降本增效；聚氨；筛网；振动筛；分析计算

聚氨酯材料号称第五类塑料，有耐磨、耐酸、耐高温、耐低温等优点，发展至今已走过了80多年的历程，全球对聚氨酯材料的需求巨大。中国对聚氨酯的研究开发始于解放前，经过六十多年的发展，中国对聚氨酯材料的研究运用取得了很大的进步。现如今聚氨酯材料已广泛运用于矿山，汽车制造，航天，船舶，运动器材等行业。近年来国家大力号召降本增效，聚氨酯等新材料的需求量逐年上升。公司在此大环境之下，也对一些设备进行升级改造，特别是对新材料的运用方面，并决定通过计算分析，得出聚氨酯筛网在筛分车间双层振动筛上运用的可行性数据。

1 聚氨酯材料

1.1 聚氨酯工业

聚氨酯的发展走过了80多年的里程，由于该类合成材料综合性能出众，而且几乎能用高分子材料的所有加工方法成型，所以运用广泛，发展十分迅速。1998年全世界聚氨酯的消费量达到770 万t，过去十几年，其年均增长几乎比同期世界GDP的年均增长率快1倍，而其中尤以聚氨酯弹性体增长最快。我国聚氨酯的研究和开发比国外晚了约20年，但改革开放以来发展迅猛，产量节节上升，1997年总产量达到56万t，1982～1997年15年间的年均增长率达到28%，是全球增长最快的地区。进入21世纪后，聚氨酯材料的运用已经覆盖至各行各业：军事、矿山、汽车制造、航天、船舶、医疗、体育等。随着我国工业水平的提高，聚氨酯材料的运用将越来越广泛，前景光明。

1.2 聚氨酯材料简介

聚氨酯为大分子链中含有氨脂型重复结构单元的一类聚合物，全称为聚氨基甲酸酯，英文全称为polyurethane，简称PU或PUR。PU是由多异氰酸酯或聚酯型多元醇在一定比例下反应的产物，最早于1937年由德国公司合成。它不像PE、PP那样具有十分清楚的结构，而通常指含有特定基团的一类聚合物。因两种合成单体的种类及组成不同，可分为线性的热塑性PU和体型的热固性PU两类。PU可分成弹性体和泡沫塑料两大类，以前一直以泡沫塑料为主，目前弹性体的发展速度十分迅速，用途也越来越广。

1.3 聚氨酯弹性体简介

聚氨酯弹性体是一种PU的密实制品，其性能介于橡胶和塑料之间，具有高回弹性、吸震性、耐磨性、耐油、耐撕裂、耐化学腐蚀及耐辐射等性能。由于其加工方法越来越简单，应用越来越广泛，已发展成为PU的主导产品，PU弹性体可分为混炼型（MPU）、浇铸型（CPU）和热塑型（TPU）三种。

2 生产现状

2.1 筛分车间介绍

筛分车间是公司铁矿石生产系统最后环节，其主要功能是将其他车间生产出的原铁矿进行筛洗分类，获得成品铁矿石：小矿和粉矿。主要生产流程是用胶带运输机将原矿运输至重型振动筛，通过筛选之后分成中矿、小矿和粉矿。中矿经过破碎机破碎之后继续分成中小粉矿，小矿再次通过筛洗即可输送至矿仓，粉矿则直接输送至堆矿场。公司对筛分车间生产出的成品矿的质量要求非常的严格，其中，小矿的规格为10 mm×10 mm～30 mm×30 mm之间，粉矿规格不能大于10 mm×10 mm。而矿石质量是否达标与筛网的质量是息息相关的，所以筛分车间一直以来都非常重视筛网的选择。

2.2 生产现状

公司经过五十多年的开采，在积累了丰富经验的同时，也面临铁矿资源枯竭，开采困难，矿石质量下降，含硫含泥较高等问题。由于矿石质量变化，部分以前的老旧设备无法满足现阶段的生产需求，特别是振动筛，使用编织筛网，材质为锰钢，其耐磨性能良好，但是耐酸性非常差。由于矿石含硫量过高，导致矿石酸性高，同时为了积极配合国家环保政策，筛分车间生产用水是循环利用的，因此筛分车间生产用水PH值越来越低，正常生产时，筛分车间生产用水平均PH值保持在2～3.5之间。由于酸性较大，导致设备酸蚀严重，特别是与矿石和生产用水直接接触时间最长的筛网，每隔6～15天就必须更新（以前矿石含硫低的时候一套筛网使用寿命为30～50天）。而每更换一套筛网就得停产一天，严重影响筛分车间的生产。为此，筛分车间提出在不影响正常生产的前提下对设备特别是振动筛进行更新改造。

3 1 750×3 000重型双层圆振动筛

筛分车间6#筛为1 750×3 000重型双层圆振动筛，是筛分车间向公司机修厂加工定制的。长宽分别为3 000 mm和1 750 mm，重为2.5 t，筛网规格为37×37/1 750×1 650。配套电机是三相异步电动机，型号为Y160L-4，电机功率为15 kW，转速为1 460 r/min，电机与筛之间通过三条C3150三角胶带进行传动，安装方式是在四个角分别安装两条弹簧直接放置在基座上。振动原理：通过电机带动筛的偏心轴的转动达到上下左右振动，同时利用弹簧对其上下振动进行增幅。工作示意简图如图1。

图1 工作示意简图

4 可行性分析

4.1 材料可行性

筛分车间建厂初期使用的筛网是用20 mm厚的钢板打孔，由车间自行设计制作的，由于加工工艺有限，造成筛的振幅不足，处理量低，且更换筛网非常麻烦，两年之后车间即淘汰了该类筛网，并采用新型编织筛网。新型编织筛网材质为耐磨锰钢，类似于编织渔网，编织筛网有质量轻，有效工作面积大，更换方便，耐磨等优点，因此筛分车间几十年一直使用编织筛网。现如今铁矿资源枯竭，矿石质量下降，含硫高，导致生产用水酸性大，编织筛网以无法满足生产需求，更换筛网成必然趋势。筛分车间通过网上查阅大量资料，得知聚氨酯材料具有耐磨、耐酸等作为振动筛网最基本的特性。在六七十年代聚氨酯材料的主要产品是发泡泡沫，之后聚氨酯弹性体开始广泛运用，聚氨酯弹性体按照成型方式可分为混炼型（MPU）、浇铸型（CPU）和热塑型（TPU）三种。其中混炼型聚氨酯弹性体（MPU）具有高回弹性、吸震性、耐磨性、耐油、耐撕裂、耐化学腐蚀及耐辐射等性能，更重要的是还具有非常优良的加工塑形性能，完全符合作为振动筛筛网的加工材料的要求。

4.2 安装尺寸选定

材料选定之后，车间根据矿石规格和振动筛的各方面数据对比，筛分车间对聚氨酯筛网规格进行确定，筛分车间以前的编织筛网分为上下两块进行安装，其中在两块筛网交接处有部分重叠，对于厚度只有几毫米的编织筛网毫无问题。而聚氨酯弹性体要达到一定的韧性和强度，必须达到一定的厚度。因此编织筛网的安装方式不能适用于聚氨酯筛网，必须重新考虑筛网的安装方式。筛分车间6#振动筛具有六条大梁，每条大梁之间的中间距为700 mm，每条大梁上有五个直径20 mm的筛网安装孔，孔间距为379 mm，大梁本身宽度为140 mm。于是车间决定将筛面按照大梁之间分成五个部分，每两条大梁之间安装一块筛网，其中最靠边两块筛网一边为全孔，一边为半孔，其余三块筛网全部为半孔，筛网厚度定为30 mm。最终型号规格定为1 716×718×30和1 716×700×30，如图2、图3所示。

图2 聚氨酯筛网1

图3 聚氨酯筛网2

筛网分为五块独立拼装，主要磨损受冲击部位为最上面矿石落点处第一块筛网，一旦筛网损坏，大部分情况只需要更换最上面第一块筛网即可，而不用跟以前一样每次都要更换整套筛网，大大的节约了生产成本，同时节省了安装时间和安装难度，提高了生产效率。

4.3 吸震性分析

聚氨酯弹性体在交变应力的作用下，产生明显的滞后现象。弹性体内摩擦消耗了大部分外力，分子摩擦以热能的形式体现出来，这就是聚氨酯材料的吸震性。吸震性通常用衰减系数表示，也就是发生形变的材料能吸收施加给他的能量百分数。室温下聚氨酯弹性体可吸收振动能量的10%～20%，大于钢材的吸震性能，而筛分车间6#筛正常工作环境保持在10～25 ℃之间，由于温度越高，材料吸收振动能量的能力越低，所以在10～25 ℃的温度下，筛分车间6#筛使用聚氨酯筛网，其吸震性能将会更好，完全符合作为筛网的要求。

4.4 摩擦力

对于摩擦因数，筛分车间做了一个小实验：将一块聚氨酯筛网和一块编织筛网倾斜30 °放置，用钢板做一个长宽高为20×20×10的上开口容器，称重后将其放置在聚氨酯筛网上，往容器内倒入沙子（沙子平铺在容器内），直至容器开始往下滑动时停止，称重后，将沙子倒出，把容器放置在编织筛网上，重复以上过程。为了避免误差，我们将此实验重复三次，实验数据见表1。

表1 实验数据

实验前称出容器重量为1.56 kg。

在聚氨酯筛网上，倒入沙子容器刚开始下滑时，三次倒入的沙子重量平均数：

M沙1=（4.63+4.72+4.58）/3=4.643 kg

加上容器质量，三次实验平均总质量：

M总1=4.643+1.56=6.2 kg

聚氨酯筛网与容器底部静摩擦力为

f1=M总1g·sin30°=31 N （g=10）

在编织筛网上，倒入沙子容器刚开始下滑时，三次倒入的沙子重量平均数：

M沙2=（5.55+5.52+5.58）/3=5.55

加上容器质量，三次实验平均总质量：

M总2=5.55+1.56=7.11 kg

编织筛网与容器底部静摩擦力为：

f2= M总2g·sin30°=35.55N （ g=10）

以上两组数据对比f1＜ f2，从而得出聚氨酯筛网的摩擦系数小于编织筛网的摩擦系数。摩擦系数越小，磨损越小，矿石落入筛网上将会以更快的速度滑下，降低了矿石在筛网上的运动时间，降低了因为矿石在筛网上滞留时间过长而导致的压筛事故。也降低了因摩擦产生的热量，减少了筛网因为工作时间过长而导致的发热现象。

4.5 承载力分析计算

筛分车间以前的编织筛网磨损除了酸性腐蚀之外还有矿石冲击造成的磨损，对于聚氨酯筛网能否承受筛分车间矿石的冲击，必须通过计算得出，计算过程如下：

从图1中得知：矿石从38#胶带落入6#筛之间的落差为h=2.2 m，38#胶带运行速度为v=1.2 m/s。落点冲击面积通过测量约为s=0.03 m2，也即是矿石在38#的横截面积，矿石在筛网上运行时间经测算约为1.8 s，公司质检中心给出的铁矿石密度大约为4.5 t/ m3。

根据能量守恒定律，矿石从胶带落下至与筛网接触过程中，重力势能转化为动能：

mgh=1/2 mv2

得出竖直方向上的速度v1≈6.63 m/s

水平方向上的速度v=1.2 m/s

得出矿石与筛网接触速度

1.8 s内38#胶带输送的铁矿石质量：

m1=1.8×1.2×0.03×4.5=0.2916 t=291.6 kg

根据公式Ft=mv

求得1.8 s内矿石竖直方向上的冲击力F=m1v3/ t=6.74×291.6/1.8=1 091.88 N

6#筛安装角度为45 °，从而得出对筛网正面的冲击力：

F1=F×sin45°=771.96 N

矿石对筛网正面压强P=F1/s=25 731.97 Pa= 0.025 73 MPa。

通过聚氨酯弹性体手册查得，聚氨酯弹性体材料中，最低承载能力为0.07 MPa远远大于矿石对筛网的冲击强度。

4.6 振幅

机修车间为筛分车间加工的振动筛，自重为2.5 t，说明书上规定：起震最大质量为m=3 000 kg，根据筛分车间定制的筛网尺寸，每块筛网自重约为30 kg，五块加起来重150 kg，而原来的编织筛网一块约为40 kg，两块重80 kg，安装聚氨酯筛网的6#振动筛比之前安装编织筛网的6#筛更重。

因此我们必须考虑安装聚氨酯筛网后的振幅问题，计算出其最大起震质量：

聚氨酯筛网安装后总质量m1=m+150=2 650 kg

根据4.5承载力分析计算中得知，正常运转中，筛面上矿石质量为291.6 kg

从而得出起震总质量M=m1+291.6=2 941.6 kg ＜m=3 000 kg

通过以上计算得知，安装聚氨酯筛网，6#筛完全能正常起震。

4.7 耐酸性

为了测试聚氨酯弹性体的耐酸性能，筛分车间同样做了一个实验：取重量相同的聚氨酯筛网和编织筛网浸泡在筛分车间生产用水中（pH=2.5），每隔一周将两块筛网取出并测量质量，实验持续一个月，实验结果见表2。由表2中数据看出，聚氨酯筛网在筛分车间生产用水浸泡一个月，重量几乎没有什么变化，而以锰钢材料制成的编织筛网浸泡一个月后，质量下降较多。经观察发现，编织筛网表面完全被锈迹覆盖，而聚氨酯筛网表面仍然光洁如新，无明显腐蚀现象。从以上对比数据可以得出，聚氨酯弹性体耐酸性能非常出色，远胜于钢材，适合筛分车间当前生产用水酸性较大的环境。