CN86103433A - 潮湿微粒中抽取水分的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明的方法和设备用于从潮湿材料离心排出水液体。离心机的转鼓(14)有一个轴(17)从底座(16)伸出，转轴的另一端装在一个万向节型系统(19)，使得转轴和转鼓的行进的顶点(21)保持在一个确定的轨迹上，弹性装置(22—28)如气袋(23)位于顶点(21)和底座(16)之间，支承轴承(18、20、26)和转轴的弹性装置的弹性是可变的，因此转轴和转鼓的自然振动频率可依据转轴和转鼓的旋转频率而改变。

Description

本发明是关于从潮湿微粒物质中，包括固体微粒，（如矿石砂浆、工业废料、煤和类似物）离心抽取液体的方法和设备。

在与本发明有关的技术中，使用间歇式离心机使不完全平衡地装载的微粒以必要的高转速干燥至非常小的湿度的问题，仍未解决。现有设备用于高生产率和对于具有使用价值湿度非常小的微粒干燥所需的高转速，是不太安全或者太昂贵了。

举例来说，煤炭工业急需一种经过改进的设备用来干燥小於100目的细煤粒，並要求经济、安全和污染小。

先有这种用途的商业离心机分为三大类：

（1）、倾注式无孔转鼓，有螺旋将料推进转鼓

（2）、滤网转鼓离心机，有螺旋将料推进转鼓

（3）、间歇式离心机，类似于美国专利2，271，493号所示，低转速时接收潮湿微粒，提高转鼓转速至高速以进行干燥，之后又降低速度以便取出干燥的微粒。某些现有的间歇式离心机有粗糙的弹性悬吊装置，如美国专利3，275，152号，但他们都不适用所需的极高的转速和较高的生产速度于经济地而燥极细煤粒。

这三种现有的离心机，没有一个能得到足够的离心力来干燥小于100目的煤粒到低于百分之二十至三十的表面湿度。此外，滤网式转鼓离心机，透过滤网损失大部分小于325目的煤粒。结果是，洗煤厂工人想要他们的细煤粒干燥到低于百分之二十的湿度时，选用了加热干燥机或压力干燥机。这两种方法都很昂贵。压力干燥机不能干燥很细的煤粒到低于百分之十五至二十的表面湿度。加热干燥机，虽然不安全和污染环境，它能干燥细煤粒到低于百分之十的表面湿度。然而，它不能处理很细的煤粒，除非经过和粗煤混合处理，而且热的干燥细煤粒煤尘四处飞扬並在运输时也易被吹散。

根据本发明提供的一个离心机，它包括一个鼓室，一个转鼓可旋转地安装在上述鼓室内。一个较宽的开口位于转鼓一端用于装入要进行干燥的原料。一组开孔位于上述转鼓上用于将水排至上述鼓室。一个底座靠近转鼓另一端。一个连续的转轴其一端牢固地安装在转鼓底部以使转鼓旋转用来安装转轴使之围绕自身轴心旋转的装置。以使转轴和转鼓旋转的驱动装置。用来安装转轴，包括一个万向节型系统将转轴安装在一个第2端上，以使得上述第2端的转轴和转鼓沿已基本确定的轨迹行进保持一个顶点位置的装置。支撑转轴轴承的弹性装置，位于转轴端和转鼓底部之间，而且上述弹性装置是可变弹性，由此转轴和转鼓的自然振动频率依据转轴和转鼓的转动频率而改变。

这样的结构比在先有技术中的大型离心机更有可能将潮湿的细微粒干燥至更低的湿度，而且不会引起污染问题、安全隐患或显著的微粒原料在被抽取的液体中流失。

本发明的离心机，可在非常高的干燥速度下处理不平衡的载荷例如超过90米/秒，並且干燥微粒排出时的操作速度是超过22米/秒。

根据本发明的另一方面，提供了一个方法从潮湿微粒材料离心地抽取液体，包括将上述潮湿微粒原料通入一个间歇式离心机的步骤。该离心机具有一个转鼓，在其一端有开口用于接收上述潮湿微粒原料，其另一端有一个底座並装在一个驱动轴上以不同转速旋转，还有一个过滤衬套靠近上述转鼓的内表面。上述离心机的转速加速到一个可控制的干燥速度，以离心抽取液体，将上述的微粒原料的液体含量减少至低于予先确定的百分比。上述离心机转速减速，在上述离心机可控制的转速下，从上述离心机中移走微粒。位于转轴远离转鼓的一端将上述转轴支撑在一个万向节型系统上，以保持上述转轴和转鼓沿以确定好的轨迹行进並有一个顶点位置，並且限制上述转轴围绕上述的顶点作回转运动，由此转鼓和转轴运动自由度被局限於与旋转轴线相横切的方向上。将在上述转鼓和上述万向节型系统之间的上述转轴支撑在可变弹性装置的支座上。而控制上述离心机固有振动频率是通过依据上述离心机的旋转速度（f）改变支座的弹性来达到，使得只是在上述加速和减速的步骤期间，比率f/fn为1.0，因此上述离心机在f/fn＝1.0状态期间不足以产生连续的径向振动。

本发明的方法和离心机采用了一种固定装置，它有效地利用了旋转弹性体其自然的物理倾向。一个弹性体，即离心机的转鼓和转轴，如果平衡受到外力短暂的干拢，它将以一个或多个的自然频率作自由振动。假如外力是反复地作用，则弹性体将以外来激振的频率发生振动。一个旋转弹性体系具有临界转速，在该转速时，不希望产生的振动可能出现。这些转速相应于系统不同的自然频率。因为不平衡总是存在于系统中，使系统中总是存在着激振力，其频率相应于其转速。当系统的一个自然频率和系统的旋转频率吻合时，共振会导致系统作最大振动。自然频率和最终的临介转速不仅仅是转轴独有的性质，它们还进一步受轴承、支座和底座的影响，应该改变这些有关因素，将改变自然频率和临介转速。

本发明利用可变弹性支承件来改变系统的自然径向振动频率。一个间歇式离心机设计成以可变速度旋转，速度范围包括一个相对低的卸载速度以将干燥微粒取出、一个中等较高的装载速度和一个非常高的干燥速度。最终离心机的旋转速度将超过一临介转速或者要求在相应自然径向振动频率的一个临界速度下运转一段时间。通过改变支承件的弹性，有可能改变自然径向振动频率，使得几乎是瞬时地变速横越其临介速度。在另一方面，自然径向振动频率可改变，以使得离心机在一段时间内，如卸载时，旋转速度相应的频率低于其自然径向振动频率。

旋转速度並非是对共振时的振幅唯一有影响的因素。另一个非常重要的因素是系统中的阻尼。然而阻尼对于在宽阔速度范围内旋转的一个系统既是朋友也是敌人。共振时，要求实际阻尼接近系统的临介阻尼，由此从转轴取得能量並减小系统的振动振幅。在高的干燥转速时，希望实际阻尼是最小的，以便有效地利用转轴和转鼓系统中的能量。因此，最好有一个可变速率的能量吸收装置用作阻尼装置来稳定转鼓，在转速接近共振的卸载速度时，克服过度的径向偏移，而又允许系统在更高的干燥速度旋转时自由地振动。

因为本发明的离心机应用了一个悬垂式转鼓，为了精确地控制系统的径向振动，应有一个装置保持系统的顶点位于确定的轨迹之内。通过利用与转鼓相对的转轴一端的一个万向节型系统采实现这一点，並且在接近顶点处利用输入旋转力的驱动装置，使顶点的径向振动和对旋转部件的外来激振减至最小，並且将支座结构在系统顶点处传递及接收到的径向振动隔绝开来。

为了更深入了解本发明，通过实例方式参照附图在下面加以描述，

图1.根据本发明的设备的一个实例的侧视图;

图2.沿图1设备的转轴轴线剖开的放大剖视图，示出了转鼓、转鼓室、和弹性支座的一部分;

图3.沿图2线3-3的剖面图;

图3a.局部图，与图3的一部分相似，图示一个变型结构

图4.驱动装置的端部视图，包括转轴的万向节型装置;

图5.沿转轴和转鼓轴线的局部剖视图，图示了金属转鼓的销钉结构;

图6a和图6b.分别为弹性体在各种频率比率下的响应振幅和相位角的曲线图。

图7.一个局部剖视图，图示一个弹性联轴节，连接马达和转轴。

图1中所示设备包括一个机架11，机架带有一个上部箱体12，其上配有一个转鼓室13，转鼓室内装有一个转鼓14。正如本领域内众所周知的，转鼓室13是用来限制和排出从转鼓14内的颗粒中抽取的液体。转鼓14有一个底座16，通常接在连续转动的转轴17上，而转轴17在纵向隔开的轴承18和20内旋转。转轴17相对转鼓14的一端安装在可使其转动的一个万向节型系统19上，系统19连接並支承转轴17，以保持转轴17和转鼓14的行进有一个顶点21。

如图2和图3所示，支撑着轴承18位于转鼓14和顶点21之间、靠近转鼓14的是一个弹性支承结构22。它有两种主要型式的组件，一种是气袋23的型式，另一种是半刚性支座24。气袋23和半刚性支座24对称地布置在含有轴承18和转轴17的轴承套26的四周，使得结构22在接近转鼓14的区域中支撑着轴承18。如图所示，半刚性支座24都位于每对气袋23之间，但它们可以汇集到气袋23内，如果当气袋吹足时，气袋对轴承套26提供单独的支撑作用。支座24也可安装在液压缸25上，如图3a所示。借助从安装环圈28径向向内延伸的连接件27，将气袋安装在安装环圈28上，而安装环圈28固定在机架11上。一个压缩空气气源（图中未示），用来分别控制每个气袋23的膨胀。半刚性支座24也安装在安装环圈28上並沿径向向内伸展，如图3所示。支座24包括向内面对端面的橡胶垫29，当气袋23吹胀时，橡胶垫29脱离轴承套26;当某些或全部气袋23放气时，橡胶垫29紧靠在轴承套26上。

图1和图2也示出了一对径向伸展的减振器31和32，它们安装于轴承套26和环圈28之间，相互成一相关的角度布置。消振器31和32被用来作系统的阻尼，来阻止共振时可能出现的过度的径向运动。最好这些减振器的能量吸收能力是可变的，以使得它们可以在取出干燥微粒的卸载速度时稳定转鼓14，而在干燥速度时吸收很小的能量，然而也可采用标准的工业用减振器。图2即示出这样一种可变减振器31，其采用一个扁杆33，工作时扁杆33可接触轴承套26并伸入到隔室34，在隔室34内装有液压夹钳36，它决定了扁杆33的松开或压紧。施加在扁杆33上的压力，由外部油压压力源（图中未标出）通至油路37和油缸38的油压所决定的。

万向节型系统19包括一个带有横销42和43的叉臂41，它可转动地被固定在机架11上面。一个立销44从叉臂41向下伸展並支撑着一个桁架46的一端，桁架46另一端和轴承套26连结以支撑转轴17，而转轴17在轴承套26内沿轴向的运动受到阻止。万向节型系统19允许转鼓14和转轴17垂直和水平地移动，但受限於弹性支撑结构22对转轴17的限制，同时保持转轴17行进的顶点21在基本限定好的轨迹上。一个变速驱动装置47，例如一个变频交流驱动装置使用至少一条传动带48和转轴17连结。传动带48在位于顶点21的皮带容纳槽49处将转动力传到转轴17上。此外（见图7），也可使用一个弹性联轴节63，例如本领域中已为人们很熟悉的齿型弹性联轴节，直接将驱动装置和转轴17连结。其他驱动装置，如可变速直流电机或液压变速马达都可采用。使用弹性联轴节63要求采用万向节叉臂64和万向节环66，而不是前面提到的叉臂41和桁架46，但他们的作用是一样的，可应将旋转元件和离心机其他部分隔离並保持顶点21於限定好的轨迹上。

万向节型系统19的采用，使在安装环圈28处的三维振动问题变成了两维振动问题，同时将机架11隔绝开来，免受过度的振动，而若采用固定轴承支撑系统来支撑轴17的话，则会产生这种过度的振动。这就允许采用非常高的旋转速度。它对装载的转鼓施加很大的离心力。因此，转鼓的结构是值得讨论的，因为较好的转鼓构件都是用复合材料制造的，例如碳化纤维增强的环氧树脂，这是因为其综合强度、刚度和耐久性优越。这样的复合材料具有很高的强度-重量比，这样就比其他材料有更显著的优点。

在某些用途中，使用一种可膨胀的金属转鼓是有用的。如图5所示，其所利用的一个可膨胀外壳51由一组径向延伸的销钉53与一个底板支架52相连，而销钉53允许外壳在压力下膨胀，这是本技术领域中众所周知的，並在美国专利3，282，498中做了举例说明。

不论制造转鼓的材料如何，转鼓14的剖面基本是园形的，並有若干以一定角度隔开且向外引出的开孔54，允许抽取的液体从转鼓排入到转鼓室13，並从那里按常规方式排出。对于金属转鼓，最好采用无孔外壳51，它具有位于转鼓端部的大致沿轴向的开孔54′，而对于复合材料转鼓结构，最好采用径向开孔54。为了防止水非随人愿地从转鼓室13灌入转鼓内或沿着转轴排泄，在转鼓14和上部室12之间装上密封环56。转鼓14有一个径向向内延伸的环盖57，其径向尺寸和沉积在转鼓邻近环盖57处的微粒厚度基本相等，它带有一套密封环56，从而限定了一个通往转鼓14的一般来说无遮挡作用的开口58。这个开口58允许微粒原料进出，原料的通入或取出由任意数目的输送机、喷砂机、刮砂机、刮片和其他类似的适用于干燥微粒的装置来完成，其情况如图2中标号59所示。转鼓含有一个适当筛目的过滤介质61，安装在过滤介质支板62上，它允许抽取出来的水排出转鼓14。在如图5所示的金属转鼓结构中和在利用复合材料的转鼓中，过滤层61和过滤层支板62可在外壳51中心处凸起並向外面各端扩张，在加强的径向力的作用下，使抽取的液体偏向轴向开孔54′流动。

潮湿的微粒原料通入转鼓14时，它正在旋转;从转鼓卸载或取出时，它也正在旋转。从微粒通入到干燥微粒取走期间，转鼓被加速至干燥速度。该离心机的工作速度可比一般间歇式离心机更快，其外表面线速度在卸载时超过228米/秒、加载时超过55.8米/秒而干燥时超过91米/秒。

可以理解，在这样高的卸载速度时从转鼓取走微粒，要求转鼓14相对稳定。然而，气袋23支承的系统的自然径向振动频率大约为每分钟700至800周，外表面线速度为27.4至31.5米/秒，当时使用的是外径为0.75米的转鼓。因此可知，卸载速度将包括与自然径向振动频率相应的一个旋转速度，因而将产生共振。

图6a和6b是从罗伯特·乔肯森（Robert lorgensoov）编著、巴维罗-福克公司（BUF FALO FORGE eo.）出版的“风机工程学”中得到的，它说明了使带不平衡负载的弹性系统在共振下旋转的有关问题。当以干燥速度旋转时，例如一个外径为0.75米的转鼓的旋转频率f，一般为2400转/分钟或更高些，同时转轴是支承在气袋23上的，这样其自然径向振动频率f_n是每分钟700-800周，因此频率比f/fn大约为3.0或更大。在这种比率下不平衡旋转系统作强迫振动时，无量纲的响应度MX/me的振幅接近1.0。总振动质量M包括旋转质量m，其偏心度为e，系统振动振幅是X，相位角或响应度落后于不平衡旋转运动的角度为φ。图中的曲线是在不同比率C（即系统实际阻尼C与系统临介阻尼CC之比）时对应的响应度（response）和相位角值。正如将要说明的那样，在干燥旋转速度下，响应度与不平衡旋转的振幅接近相等且与不平衡的滞后角接近180°;这样系统在干燥速度时将会自我平衡，特别是如果系统的阻尼比非常小，例如为0.05。因此，在干燥速度时，希望减振器31对系统的影响为最小。

与此比较，举例说明：在外径为0.75米的转鼓卸载速度时频率在600至1000转/分钟之间，频率比f/fn借助气袋支承在某些点是1.0，而响应度MX/me，随着最小的阻尼比C是0.05，将递增而超越图表量程。同时相位角接近90°。结果是系统经受巨大的振动，这是完全不希望产生的，在其中装卸载元件59会冲击並损坏过滤层61。

为了减轻这个问题，当转鼓14旋转速度从干燥速度下降时，其中一个气袋230放气，这样轴承将由半刚性支座24来支承。另一种是通过液压缸25动作，使支座24紧靠轴承啮合，如图3A所示。支撑结构22由此换成弹性小的或较硬的支座，它增大了系统的自然径向振动频率f_n并增加了支座的滞后作用，这就是说，橡皮垫29和支座24从系统中转移出了能量。因为进行卸载时转轴的转速下降得很快，自然径向振动频率的改变也是很快，渡过与自然径向振动频率f_n对应的旋转速度f的过程是很快的，且共振的影响为最小。当取走微粒时，f_n大于卸载速度，这样频率比f/fn是小于1;这样响应度MX/me的幅度仍未象相角小于90°时那样严重。在这一点上，减振器31和转轴相互影响增加了阻尼比C，它通过将能量移出系统，使响应度MX/me的幅度更进一步减小。转鼓14就是这样被稳定，以抵抗过度的径向运动，且干燥微粒的卸载可以安全进行。值得一提的是，干燥的微粒运输时不烟尘飞扬，而是有一定稠密度，类似食盐;因此不会像加热干燥的微粒那样，由于烟尘飞扬而造成相同的运输损失。

在完成一个周期时，在完成卸载操作后，转鼓的旋转速度被加速。例如，一个外径为0.75米的转鼓转速加速到超过1400转/分钟，並且将湿微粒导入。当速度增加时，气袋23a再充气，这样使自然径向振动频率f_n减小，使得渡过共振速度的过程又很短，不会引起过度的径向漂移的问题。然后转鼓加速至干燥速度，对于0.75米外径转鼓通常是超过2400转/分钟。全部周期短至90秒钟。应当注意到由于其双重支承系统，弹性支座22还包含了内部安全措施。当气袋23失效发生事故时，轴承套26、轴承18和转轴17将和较低的半刚性支座24啮合，而离心机会安全地停下来。

众所周知图6a和6b是具有一个自由度的系统的理想曲线，然而万向节型系统19仅有两个自由度，两者都是沿转鼓的径向，这样所涉及的原理将得到相同的结果。因此依靠它以受控方式来改变自然径向振动频率的性能与改变系统旋转速度的性能联合作用，可以控制其超越临介速度的过程，减小过度振动。它可比先有技术中的离心机更高的卸载速度进行操作，也可比先有技术中的离心机从卸载速度至干燥速度及随后的减速，对速度的控制更平滑更有效。本发明的离心机可以用轻材料来制造转轴，为了减小振动应力，可以使对微粒的处理更快更经济。减少因超额振动造成的金属疲劳和磨损，也比以前的离心机的制造和操作更简单和更便宜。

Claims (12)

1、一个离心机，其组成包括一个转鼓室(13)、一个转鼓(14)可旋转的装在转鼓室(13)内、一个宽口的开口(58)位于转鼓一端通入被干燥处理的物料、一组开孔(54)在上述转鼓内用于液体排入上述转鼓室(13)，一个鼓底(16)封闭转鼓另一端、一个转轴(17)安装转鼓使之旋转、用来安装转轴使之围绕自身轴线旋转的装置(18-28)使转轴(17)和转鼓(14)旋转的驱动装置(47-49)，其特征在于转轴(17)是一个连续轴，轴的一端装有底座(16)；安装转轴的装置(18-28)包括，一个万向节型系统(19，41-44)在转轴(17)的第2端固定转轴(17)，以保持在上述第二端的受转轴和转鼓的行进的顶点(21)在一基本确定的轨迹上；弹性装置(22-28)支承着转轴轴承(18、20、26)並位于顶点(21)和底座(16)之间；而上述弹性装置(18-28)是可变弹性装置，由此转轴(17)和转鼓(14)的自然振动频率可根据转轴(17)和转鼓(14)旋转频率而改变。

2、根据权利要求1的离心机，其特征在于一个过滤层内衬（61、62）装在转鼓（14）内，接近其内表面。

3、根据权利要求1或2的离心机，其特征在于其转鼓是一个金属缸（51），有一个可膨胀外壳。

4、根据权利要求1、2或3的离心机，其特征在于采用弹性装置（18-28），当上述转轴以低速旋转便于从转鼓（14）取出干燥的微粒时，提供一个高的自然径向频率、而当转轴以高速、干燥速率旋转时，又提供一个低的自然频率。

5、根据前述任何一项权利要求的离心机，其特征在于其弹性装置包括一组气袋（20、23）装在上述轴承（18、20、26）周围和一组可动的支承组件（24、29）其弹性小于上述气袋（23），与上述气袋（23）一起装在上述轴承四周，由此上述支承组合（24、29）和轴承（18、20、26）可受迫相互接近。

6、根据权利要求5的离心机，其特征在于轴承（18、20、26）通过改变选定的气袋（23）的膨胀选定的一个支承组合（24、29）相接触。

7、根据前述任何一项权利要求的离心机，其特征在于，其能量吸收装置（31-38）在转鼓（14）和万向节型系统（19，41-44）之间与轴承（18、20、26）相连接，当它们在近于自然频率下旋转时，吸收从转轴和转鼓传递来的能量，以在低转速下稳定转鼓。

8、根据权利要求7的离心机，其特征在于在上述能量吸收装置（31-38）中包括一组减振器（31、32）沿轴承（18、20、26）径向排列和装置，还有改变减振器（31、32）能量吸收率的装置。

9、一个方法，从潮湿微粒材料离心排出液体，包括以下步骤：将上述潮湿微粒材料通入一个间歇式离心机，它有一个其一端是一个开口（58）用来接收上述潮湿微粒材料的转鼓（14），其另一端是底座（16）固定在一个驱动轴（17）上，驱动轴可以各种速度旋转，还有一个过滤层内衬（61、62）紧靠上述转鼓（14）的内表面;将上述离心机的旋转速度加速至一个可控制的干燥速度，以离心抽取液体的方法，减小上述微粒材料的液体含量直至低于一个确定百分比;将上述离心机转速减速，在上述离心机可控制的旋转速度下从该离心机取出微粒原料，其特征步骤是将上述转轴在转轴（17）远离转鼓（14）的一端支承在一个万向节型系统（19、41-44）上，以保持上述转轴（17）和转鼓（14）的行进的顶点（21）位於已确定的轨迹上並强制上述转轴围绕上述顶点转动，使得转轴和转鼓运动的自由度被限制在与旋转轴线横切的平面上;将上述转轴在上述转鼓（14）和上述万向节型系统（14、41-44）之间支承在可变弹性的支座（21-28）上，根据上述离心机的旋转速度（f）改变支座（22-28）的弹性进而控制上述离心机的自然振动频率，使得只是在上述加速和减速步骤期间比率（f/fn）变为1.0，由此在条件f/fn＝1.0时的过渡时间不足以导致上述离心机产生过度径向振动。

10、根据权利要求9的方法，其特征步骤是在上述取出和通入期间，使上述离心机产生阻尼，而使上述转鼓稳定，以抵御了过度径向振动运动。

11、根据权利要求9或10的一个方法，其特征在于上述取出步骤发生在外表面速度超过大约每秒22.8米的时候。

12、根据权利要求9、10或11，其特征是干燥步骤时外表面的速度超过每秒91米。

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