XJM-KS60型浮选机的机械结构设计与应用

刘万超

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

随着采煤机械化程度的提高，原煤中煤泥含量越来越高，而浮选是目前煤泥分选的最有效方法。在众多煤泥浮选设备中，以天地科技股份有限公司唐山分公司XJM-S系列浮选机的市场占有率最高。近年来，选煤厂大型化发展的趋势[1，2]迫切需要选煤设备大型化。为此，天地科技股份有限公司唐山分公司研究人员通过采用模拟放大方法，在单槽容积为45 m3的基础上，研制成功了XJM-KS60型浮选机，并在潞安集团司马煤业选煤厂成功投入应用。

1 XJM-KS60型浮选机设计方法

采用模拟放大方法[3]设计了XJM-KS60型浮选机的关键技术参数。

1.1 设计结构参数

采用几何相似准则来确定XJM-KS60浮选机主要结构参数：

(1)

式中：De为槽体当量圆面积直径，m；D为叶轮直径，m；V为槽体容积，m3；H为槽体深度，m；式中的几个常数是XJM系列浮选机的经验系数。

设定浮选机槽体容积V=60 m3时，由方程组(1)可计算得到：D=1.25 m，De=5.5 m，H=2.1 m。

XJM-KS60型浮选机浮选槽水平断面采用圆形结构，故槽体内径为De=5.5 m。

1.2 动力参数设计

采用运动相似和动力相似准则[4]来确定XJM-KS60型浮选机的动力参数:

(2)

式中: 常数为XJM系列浮选机的经验系数；U2为叶轮圆周线速度，m/s；NQa为气流数，无因次；Qa为充气量，m3/s；Np为功率因数，无因次；N为叶轮转速，r/s；P为搅拌功率，kW；ρ为矿浆的密度，103kg/m3。

将式(1)结构参数值带入式(2)，可以得到：N=U2/(πD)=2.46 r/s(即147 r/min)；Qa=0.07×ND3=0.336 m3/s；P=1.70×(ρN3D5)=77.23 kW。

计算得单位面积充气速率qa=4Qa/(πD2e)×60=0.85 m3/(m2·min)。

将以上参数计算结果汇总，可以得到表1所示的XJM-KS60型浮选机关键技术参数。

表1 XJM-KS60型浮选机关键技术参数

2 XJM-KS60型浮选机机械结构设计

XJM-KS60型浮选机主要由矿化器、驱动装置、搅拌机构、槽体、尾矿箱、假底稳流板、刮泡机构、走台等组成[5]，其常规配置是4个槽体，为了清晰表达，将尾矿箱和矿化器布置在同一槽体内，见图1。

1—矿化器；2—驱动装置；3—搅拌机构；4—槽体；5—尾矿箱；6—假底稳流板；7—刮泡机构；8—走台

2.1 矿化器结构设计

矿化器由压力室、混合室、喷射器、药剂雾化器、压力表等组成，其中压力室和混合室由螺栓相连接，见图2。在工作过程中，矿浆以0.08～0.15 MPa的压力给到矿化器的压力室，在均匀分布的矿化喷嘴喷出形成射流产生“文丘里管”效应[6]，在喷嘴附近形成一定的真空度，将药剂和空气从吸入管吸入，并在吸入管中雾化，然后随同高速矿浆一同进入喉管；在喉管内，空气、雾化药剂和矿浆通过矿浆流的相互撞击来传递能量并混合，在混合过程中产生大量紊态涡流，强涡流使空气、雾化药剂和矿浆充分混合，从而实现精煤颗粒的预矿化，之后预矿化矿浆直接由入料管进入浮选机分选。

1—压力室；2—入料口；3—喷嘴；4—混合室；5—大锥板；6—雾化器；7—大锥管；8—法兰

2.2 驱动装置结构设计

驱动装置(图3)主要由电机、小皮带轮、调整螺栓、电机座、皮带轮罩、大皮带轮、三角皮带等组成。考虑到使用、运输、现场安装检修的方便，电机安装形式选用V1[7]，电机座采用具有调节皮带松紧功能的结构。

1—电机；2—小皮带轮；3—调整螺栓；4—电机座；5—皮带轮罩；6—大皮带轮；7—三角皮带

2.3 槽体的结构设计

XJM-KS60型浮选机槽体为圆形，由Q235钢板弯制，采用内置式精矿溜槽。其槽体主要由筒体、小溜槽、大溜槽、放矿口、减速机座板、精矿出料口等组成，如图4所示。为了解决圆柱形槽体浮选机强行刮泡的难题，在槽体中间增设两个溜槽，呈“一”字形分布，省去了方形浮选机两侧的溜槽，溜槽两侧增设刮泡机构，共用中间的溜槽，并在槽体筒壁上增设精矿出口法兰，现场只需用管道将精矿出口和精矿池连接即可。

1—槽体；2—小溜槽；3—大溜槽；4—放矿口；5—减速机座板；6—精矿出料口

2.4 搅拌机构结构设计

搅拌机构由皮带轮、搅拌轴承座、吸气管、套管架体、轴、上调节环、钟形罩、叶轮、定子、定子盖板、特殊螺母等组成[8]，见图5。

1—大皮带轮；2—轴承座；3—吸气管；4—加药管；5—套管架体；6—轴；7—钟形罩；8—上调节环；9—定子盖板；10—叶轮；11—特殊螺母；12—定子

搅拌机构的核心部件是叶轮、定子组。XJM-KS60型浮选机采用分体式叶轮定子结构，这也是本浮选机设计的一大亮点，可为浮选机的制作、运输、安装及检修带来很大的方便。叶轮为伞形结构，分上、下两层叶片，并通过和有导流功能的特殊螺母组合安装，将叶轮腔体分成吸气室和吸浆室；定子盖板也呈伞形结构，伞形面上设有20个矿浆循环孔，叶轮与定子盖板的轴向间隙为10±2 mm，可通过增减轴承座与套管架体之间的垫片来调整间隙；定子周边设有均匀分布的与径向成60°角的20块导向叶片，起到均匀导流和稳流作用，叶轮与定子的径向间隙也为10±2 mm。

此外，上调节环是由两个半环构成，便于安装和调换，它的作用是调节叶轮上腔体的循环量和充气量；钟形罩呈“喇叭口”状，作用是将空气导入叶轮上腔体的负压区；吸气管安装在套管架体上，起吸入空气的作用，调节风片用于调节吸气量；加药管安装在套管架体上，并和吸气管左右分布，用于点式加药。

2.5 刮泡机构的结构设计

刮泡机构用于刮取精煤泡沫，在槽体上部内置溜槽两侧对称安装。刮泡机构由减速机、联轴器、刮板、十字卡板、刮泡轴、轴承座等组成(图6)。刮板由减速机驱动，靠卡板与轴连接，两套刮泡机构转向相反，同时将精煤泡沫刮入内置溜槽。XJM-KS60型浮选机刮泡轴未设轴间联轴器，结构紧凑，运转可靠，不存在传统浮选机刮泡轴同心度不好的问题。

1—减速机；2—联轴器；3—刮板；4—十字卡板；5—刮泡轴；6—轴承座

2.6 假底稳流板结构设计

假底稳流装板(图7)的结构组成为：在距槽底上面一定高处安装一假底钢板，假底钢板四周与槽壁有一定距离。在假底上焊有20块具一定弯曲弧度的导流板，并与定子的20块导向叶片相对应[9]，起到延长导流距离的作用；在导向板对应叶轮出料高度增焊耐磨板；为了防止导向板根部焊接点长时间冲刷而失去导流功能，增加3道闭环加强筋。此外，还设有锥形吸浆管，布置在假底钢板中心和叶轮下吸口大小相配套，用来吸入假底下面的矿浆。与以往传统的直筒型吸浆管相比，采用锥形吸浆管能减弱矿浆在真底正中形成的“漩涡”效应。

1—假底钢板；2—导向板；3—加强筋；4—吸浆管；5—耐磨钢板

2.7 尾矿箱结构设计

浮选机尾矿箱上装有液位调节装置，通过调节尾矿闸板的升降高度来控制浮选机槽内液位[5]。XJM-KS60型浮选机采用丝杠升降机(图8)来提升尾矿闸板，并通过技术改造，为丝杠升降机配备了就地控制箱，固定在升降机体上。此方式提升闸板的优点是：升降机机构外形尺寸小，提升力大，稳定可靠，操作方便，既可电动也可手动，既可就地控制，也能纳入全厂集控。

1—电机；2—蜗轮蜗杆变速箱；3—齿轮减速箱；4—电控箱；5—手轮

尾矿闸板采用新型迂回式闸板(图9)，这种设计不仅摆脱了浮选机槽体宽度的限制，还较大程度地延长了过流长度，从而降低了闸板处过流断面高度，使得矿浆平稳溢流，降低了尾矿对箱体的冲击，延长了尾矿箱的使用寿命。

1—闸板钢板； 2—溢流槽；3—连接板

3 槽底的有限元分析

传统的XJM系列方槽浮选机槽底采用8～10 mm厚的钢板网格状布置双面断续焊，四角有座板；XJM-KS60型浮选机槽底为圆形，在改用辐射状网格的前提下，增加座板数量至16块，为了校核槽底的强度，进行了有限元分析，其等效应力云图如图10所示，位移矢量和图如图11所示。

图10 等效应力云图

图11 位移矢量和图

应力计算结果：σmax=91.90 MPa<[σ]，满足强度要求[10]。由图11可知，最大位移矢量和为0.440 mm，位移量远远低于设计许可的5 mm，说明结构刚度较好。

4 产品检验与清水性能试验

XJM-KS60型浮选机样机试制并安装后，委托国家选煤机械质量监督检验中心在现场进行了产品检验和清水试验。检验方法符合国家标准GB/T3686.2—1999《煤用浮选机清水试验方法》及相关文件的规定。XJM-KS60型浮选机质量检验与清水试验主要数据如表2所示。

表2 XJM-KS60型浮选机质量检验和清水试验结果

此外，该机外观无缺陷，槽体密封没有渗漏现象，其他各项参数均符合设计要求。

5 工业应用

潞安矿业集团公司司马选煤厂是一座设计能力为2.00 Mt/a的矿井型选煤厂，后通过整改和优化，具备3.00 Mt/a的生产潜力，入选煤种为瘦煤、贫瘦煤，在煤泥浮选工艺环节，该厂原配置4台WPF-5000型微泡浮选机。生产实践表明，该微泡浮选机对>0.3 mm粒级较粗煤粒浮选效果不佳，其最佳浮选粒度上限为0.3 mm，并且当入料浓度较高(>100 g/L)时，浮选效果较差，仅在入料浓度在80 g/L左右时，才能较好地进行浮选作业。

为此，在不改变司马选煤厂原浮选车间土建和生产的基础上，采用四台XJM-KS60型浮选机对四台微泡浮选机进行了替换改造。四台XJM-KS60型浮选机采用 “2+2”组合方式布置，即2台为一组，可以2组并联使用，也可4台串联成一组使用，综合矿浆处理能力为1 500 m3/h。

2012年10月，四台XJM-KS60型浮选机在司马选煤厂安装调试成功。由表3的数据对比可知，XJM-KS60型浮选机投产后，矿浆处理能力达1 500 m3/h，在入料灰分增加1.74个百分点的情况下，精煤灰分为9.34%(仅提高了0.98个百分点，但可满足精煤灰分<9.5%的要求)，精煤产率和尾煤灰分大幅提高，精煤产率提高了36.69个百分点，尾煤灰分增加25.02个百分点，浮选完善指标提高了20.36个百分点。

表3 原微泡浮选机与XJM-KS60型浮选机分选指标对比Table 3 Comparison of the performances of the micro-bubble type flotation cell originally usedand the XJM-KS 60 flotation cell %

此外，XJM-KS60型浮选机在节约用电方面成效也很显著：改造后浮选系统(含浮选入料泵)装机功率为707.60 kW，比原来的1 883 kW减少1 175.40 kW，装机功率降低62.42%，每年可节约用电约370.25万kW·h，每度电价按0.5元计算，那么每年可节省电费185.13万元，经济效益相当可观。

[1] 程宏志，张孝钧，石 焕，等. XJM-(K)S系列浮选机研究现状与展望[J].选煤技术，2008(8)：122.

[2] 叶大武.2006年中国选煤和煤炭质量概况[J].选煤技术,2007(4):1-4.

[3] 程宏志.机械搅拌式浮选机充气机理的探讨[J].选煤技术,1993(增刊)：164-171.

[4] 程宏志.机械搅拌式浮选机相似转换原理[J].煤炭学报,2000,25(Sup)：182-185.

[5] 刘万超.XJM-S28浮选机的设计[J].选煤技术,2010(4):4-6.

[6] 程宏志.张孝钧，石 焕,等.XJM-KS20大型浮选机的研究[J].选煤技术，2006(5):20-22.

[7] 机械设计手册编委会.机械设计手册(新版)[M].北京:机械工业出版社，2004:4-36.

[8] 史英祥.XJM-S45型浮选机的研制与工业应用[J]. 选煤技术，2013(2):1-4.

[9] 史英祥.XJM-S28浮选机的工业应用[J].选煤技术，2011(1):23-26.

[10] 李红旗. XJM-S60浮选机槽底有限元分析及优化[J].选煤技术，2014(2):23-26.