煤泥浮选尾矿浆泡沫消除装置的设计★

2022-08-02秦录芳曹英华

现代工业经济和信息化 2022年6期

陈蚺，秦录芳，周臻，孙涛，曹英华

（1.徐州工程学院机电工程学院，江苏徐州 221018；2.江苏仕能工业技术有限公司，江苏徐州 221000）

引言

浮选是煤炭分选阶段的一个重要过程，是提高煤炭利用率和煤炭洁净处理的一个主要环节[1]。对浮选后的尾矿浆进行机器视觉检测，并对浮选药剂比例加以调整，可提高整个浮选工艺的利用率[2]。机器视觉检测过程中，煤泥浮选尾矿浆表面会产生大量泡沫，同时泥煤混合物会沉于尾矿浆底部会导致尾矿浆表面水质变清，这些都不利于机器视觉检测。

基于此，设计煤泥浮选尾矿浆泡沫消除装置，达到快速清除泡沫和让泥煤混合物均匀分布的功能，可为后续的机械视觉检测提供可靠的检测基础。

1 关键部件设计

设计的煤泥浮选尾矿浆泡沫消除装置要满足两个需求：一是能高效快速去除煤泥浮选尾矿浆表面产生的泡沫，能让后续的机器视觉检测装置能够快速精确看到液体表面情况；二是能够将沉在尾矿浆底部的泥煤混合物质搅拌起来，使其均匀分布在液体中，避免因泥煤混合物沉于底部导致尾矿浆表面水质颜色清淡而产生的识别误差。

目前市场上的还没有具体专门去沫前置，个别采用一块挡板往复刮去泡沫，可以一定程度减少泡沫，但还是不能高效快速地去除表面的白沫，也没有搅动底部泥煤混合物的装置。本文所设计的煤泥浮选尾矿浆泡沫消除装置采用双向旋转去沫板去沫，同时中间用电机加同步带驱动传动轴，带动底部螺旋桨旋转，搅动底部泥煤混合物，使其浮动于整个液体中。同时底部上升流将表面泡沫向两侧推动，提高去沫速度。

1.1 去沫传动轴部分的设计

轴的失效形式与轴的工作条件有关。在一般转速和载荷条件下，若设计不当，大多会导致强度或刚度的失效。设计轴所需要的原始数据和条件有：轴系的功率P，轴的转速n、轴上的传动件的参数，受力状况及轴系工作环境。

先估算轴的最小直径（mm），轴的强度（MPa）计算根据轴的承载情况[3]，其强度条件计算公式为：

根据计算公式（1）改写成公式（2）：

式中：C 为由轴的材料和承载情况确定的常数。去沫传动轴部分的主要零部件采用45 钢，具体参数见表1，其装配结构见图1。

表1 去沫传动轴部分的主要组成零件

键槽会削弱轴的强度，当截面有一个键槽时，需要将轴径加大3%。轴在运转中受弯矩和扭矩，且多受变应力作用。在一般工作条件下，轴采用45 钢，相比其他合金钢，价格便宜，对应力集中的敏感性较低[4]。

长轴一般采用45 钢材料，其C 在106～117 之间，取117，电机选用90S-4 三相异步电机，额定功率为1.1 kW，转速为20 r/min，将数值带入公式（2），计算得出d≥44.5 mm，轴取直径55 mm，45 钢材质符合其强度要求。

因为去沫划板主要用于划走泡沫，其所受阻力可忽略不计，则电机提供的输出力矩（N·m）为：

将功率1.1 kW 和转速20 r/min 代入上式，得T=525.25 N·m。

根据电机的特点，电机带动去沫部分在0.1 s 内达到20 r/min 的转速，此时去沫部分需要的力矩最大。去沫部分中的去沫划板工作在水平面上，主要用于划走泡沫，其所受阻力可忽略不计，因此可把去沫部分简化为轴类零件，则去沫部分旋转需要的最大力矩（N·m）为：

根据去沫部分旋转转速20 r/min，得ω=2π×20/60=2.09 rad/s，时间t=0.1 s，去沫部分零件采用的是钢材，密度取ρ=7.8×103kg/m3，去沫部分简化为轴（直径D=0.055 m、轴长h=0.5 m），数据代入公式4，则T去沫=0.07 N·m，远小于T电，即所选电机能完全满足去沫部分旋转所需力矩。

1.2 底部搅拌部分的设计

底部搅拌部分的装配结构见上页图2。轴的外轴套采用分段设计，分为上支撑板和下支撑板，便于加工安装。同时下支撑板固定于储存箱上的固定板上。轴和轴承固定在套筒中。轴的低端加工一段40 mm的螺纹，安装上螺旋桨。轴的顶端安装上V 带轮，通过同步带进行运动的传递。电机工作时，同时带动轴的旋转，螺旋桨转动并搅动底部的泥煤混合物。

V 带轮传动比较大，结构紧凑，普通V 带是无接头的传动带，所以传动较平稳，应用较为广泛。它的主要时效形式是打滑和疲劳破坏[5]。带轮的设计准则是在不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度。

当给定工作功率为9 kW，因为载荷变动小，KA=1，为普通V 带，小带轮转速n1=500 r/min。

根据文献［5］，选择普通带型为B，传动比i=2。小带轮基准直径为125 mm，大带轮基准直径250 mm，计算额定功率P'=KAP=9 kW。

2 煤泥浮选尾矿浆泡沫消除装置的总体结构设计

根据煤泥浮选尾矿浆泡沫消除装置的工作原理和各部分的功能，将零件按顺序装配起来，总装配体如图3 所示。

煤泥浮选尾矿浆泡沫消除装置包括液体储存箱，中间装有底部搅拌装置，外框下支撑架（14）与支撑板（16）固定，下支撑架（14）又固定上支撑架（13），支架里面装有4 个圆锥滚子轴承，装有一个长轴（12），长轴（12）底部带有螺纹，连接搅拌螺旋桨。轴（12）顶装有一个大径同步带轮（11），储存箱侧边固定一个铁板框架（7），用来固定电机（8），电机（8）上装有一个小径同步带轮（9），两个同步带轮（8）（9）用两个同步带（10）进行传动。储存箱两侧焊接一个盛沫池（2）（15），在装置一边有一个脚支撑架（17），固定着电机（5），带动轴的转动，储存箱左头两边固定着两个立式轴承座（6），固定轴，轴上套有一个轴套（4），轴套上有六个固定板（1），三三对称，一边各有六个固定夹板，将各边的固定板固定，固定板的上端再固定去沫划板（3）。储存箱右头两边固定着两个立式轴承座，固定轴，轴上套有一个轴套，轴套上有六个固定板三三对称，一边各有六个固定夹板，将各边的固定板固定，固定板的上端再固定去沫划板。

将泥煤水导入液体储存箱中，整装置工作时，电机（8）运行，使小带轮（9）开始转动，通过同步带（10）将功率传递到大带轮（11），使轴（12）开始转动，同时使底部的螺旋桨搅动着水中的泥煤水，使沉在底部的泥煤水浮动于整个水中，搅拌同时产生一些泡沫，从中间往两边浮动。电机（5）通过轴使轴套（4）旋转，固定在轴套（4）上的划板（3）围绕着轴套做360°旋转，将水面上的泡沫推入盛沫池（2）中，另一侧同理，将水面上的泡沫推入盛沫池（15）中。

设计的煤泥浮选尾矿浆泡沫消除装置能消除煤泥浮选尾矿浆泡沫，并且能搅动沉在底部的泥煤混合物使其均匀分布在尾矿浆中，为后续的机械视觉检测提供可靠的检测基础。