F系列復(fù)合振動篩技術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用

趙環(huán)帥 尹德奪

(1.中國冶金礦山細粒篩分機械工程技術(shù)研究中心，河北省唐山市，063020;2.唐山杰斯德科技有限公司，河北省唐山市，063020)

細粒物料篩分分級是現(xiàn)代礦業(yè)物料生產(chǎn)加工的普遍需求，在黑色金屬選礦領(lǐng)域，隨著礦產(chǎn)資源的大規(guī)模持續(xù)開采利用，粗粒嵌布、易磨易選的鐵礦石資源已不能滿足日益增長的市場需求，而細粒嵌布、難磨難選礦石的開采利用比重日趨增大則對選礦技術(shù)和設(shè)備提出了更高的要求。同時在煤炭洗選、玻璃陶瓷、化工化肥等各行業(yè)的細粒物料的篩分分級作業(yè)中，對設(shè)備篩分分級精度、篩分效率和處理量等方面也都提出了更高的要求。國內(nèi)其它各類篩分設(shè)備，有尼龍篩片固定篩、弧形篩、直線篩、電磁篩、高頻振動細篩等，一般在篩分效率和處理量上各顯不足。國外高頻細篩(重疊式高頻細篩)是振動電機驅(qū)動的整機振動式細篩，有直線振動和圓運動振動，屬于傳統(tǒng)振動模式，國內(nèi)已有應(yīng)用，但價格十分昂貴，且效果褒貶不一。因此，市場迫切需要尋求性能更優(yōu)越的細粒物料篩分、分級、脫水處理技術(shù)和設(shè)備。

1 總體思路

細粒篩分設(shè)備在各行業(yè)粒度分級作業(yè)方式有干法和濕法篩分兩類，常用篩孔尺寸為：冶金選礦行業(yè)磨后分級為0.056～1 mm，建材的矸石制磚、石英砂制玻璃、化工制堿分級為1～4 mm，選煤末煤分級為3～13 mm，物料脫水作業(yè)有尾礦脫水、煤泥脫水、石英砂脫水等，常用篩孔尺寸為0.3～1 mm。細粒物料篩分分級和脫水作業(yè)中，篩網(wǎng)易堵現(xiàn)象直接造成作業(yè)率低以及能耗高等弊端。在多年研究細粒物料篩分分級技術(shù)和設(shè)備經(jīng)驗基礎(chǔ)上，把新穎的結(jié)構(gòu)特征、傳統(tǒng)的振動理論和傳動方式進行有機結(jié)合，研發(fā)一種新型復(fù)合振動篩分機械系列產(chǎn)品，篩機設(shè)計為雙振動源驅(qū)動，既設(shè)置有振動電機組，又設(shè)置有電磁激振器。振動電機驅(qū)動篩箱或篩箱單元組合使篩網(wǎng)產(chǎn)生直線振動，電磁激振器驅(qū)動傳動系統(tǒng)和振動系統(tǒng)形成敲擊振網(wǎng)振動。在兩者共同作用下，篩網(wǎng)上的物料層同時參與相對篩面有一定拋射角的機械直線振動和垂直于篩面的高頻電磁振動。物料在復(fù)合振動作用下，不僅具有良好的向前拋擲輸送能力，而且可獲得更高的透篩率，其結(jié)果是篩機單位面積處理能力和篩分效率顯著提高。篩機的篩箱有單層和疊層(篩箱單元組合)并聯(lián)兩種布置方式，篩箱傾斜安裝，可根據(jù)所處理物料的性質(zhì)調(diào)節(jié)篩面傾角。配置PLC和現(xiàn)場觸摸屏(HMI)設(shè)計的多功能及遠程控制系統(tǒng)，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，基于標準TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，通過單模光纖通訊傳輸，實現(xiàn)遠程計算機對多臺篩機群組的工作參數(shù)集中控制和管理，包括設(shè)備振動振幅調(diào)整、瞬時強振振幅和時間間隔調(diào)整、篩網(wǎng)使用累計自動計時、篩網(wǎng)過期更換提示、實時電路故障報警、篩機工作和故障歷史查詢等多項功能，具有高抗干擾能力和可靠性，能在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定運行。

2 技術(shù)方案

2.1 工作原理

(1)篩機的直線振動模型為單自由度受迫振動，參振質(zhì)體是篩箱或篩箱單元組合部件，復(fù)合振動篩中篩箱通過兩次減振置于基礎(chǔ)上，2臺振動電機構(gòu)成一對振動電機組，與篩箱剛性聯(lián)接。振動電機組輸出的激振力合力為直線振動系統(tǒng)提供激振力，激振力的大小按照工作振幅、振動頻率、參振質(zhì)量等參數(shù)需求設(shè)計。振動方向角等于激振力合力方向與篩面的夾角，即振動電機安裝平面與篩面夾角的余角，振動頻率取決于振動電機轉(zhuǎn)速。設(shè)計驗算直線振動頻率與篩機固有頻率之比為z=4～6，工作點為遠超共振狀態(tài)。直線振動為物料篩分和輸送提供主要動力，直線振動的最大振幅、頻率、振動方向角、篩箱安裝傾角等重要參數(shù)均可根據(jù)用戶的工藝要求作為篩機設(shè)計的輸入?yún)?shù)。

(2)電磁振動由電磁激振器提供激振力，驅(qū)動傳動裝置帶動振動機構(gòu)實現(xiàn)篩網(wǎng)振動，電磁振動的振動強度設(shè)計驗算為6.5～8.0。由電磁驅(qū)動的篩網(wǎng)高頻振動除起到促進物料透篩的作用外，特有的電磁高強瞬振功能具有清理篩網(wǎng)以及防止網(wǎng)孔堵塞作用。電磁振動系統(tǒng)工作點處于近共振狀態(tài)，故以較小能耗即能達到所需的工作振動參數(shù)需求，從而實現(xiàn)高效節(jié)能的目的。電磁激振器及振動系統(tǒng)原理如圖1和圖2所示。

圖1 Ma型電磁激振器原理示意圖

圖2 振動系統(tǒng)原理示意圖

電磁激振器是電磁振動的核心部件。電磁振動由電磁激振器驅(qū)動振動系統(tǒng), 使振動系統(tǒng)中振動帽產(chǎn)生振動，從而使托在振動帽上的篩網(wǎng)產(chǎn)生振動，篩框基本不動。振動系統(tǒng)處于近共振狀態(tài)工作，用較小的動力即達到所需的工作參數(shù)。篩面振動強度為8～10倍重力加速度，是一般振動篩振動強度的2～3倍。每組激振器功耗小,Ma型激振器有功功率僅為150 W，Mc型激振器有功功率為400 W。篩箱兩側(cè)板處有單個激振器或若干組激振器，每組激振器帶動一組或多組振動系統(tǒng)，激振器將激振力傳輸至振動桿，由振動桿帶動振動軸，最后傳至振動帽，由振動帽激振篩網(wǎng)，使篩面產(chǎn)生高頻振動，篩面振動參數(shù)由控制柜控制，每組激振器單獨調(diào)節(jié)，以滿足篩面不同部位振動要求。激振器具有瞬間強振功能，以便隨時清理篩網(wǎng)，減少網(wǎng)孔堵塞。

2.2 結(jié)構(gòu)特點

F系列復(fù)合振動篩主要由機架、篩箱單元組合、篩上篩下收料槽、彈性裝置(剪切彈簧)、底座、檢修臺、給料箱、電控柜、振動電機組組成，F(xiàn)系列復(fù)合振動篩結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1-機架；2-篩箱單元組合；3-篩上篩下收料槽；4-彈性裝置(剪切彈簧)；5-底座；6-地基；7-檢修臺；8-給料箱；9-電控柜；10-振動電機組圖3 F系列復(fù)合振動篩結(jié)構(gòu)

2.2.1 篩箱及篩箱單元組合

篩箱單元組合由單層或多層篩箱、振動電機組、連接梁等部件組成。若干個篩箱通過連接梁用緊固件實現(xiàn)剛性連接，篩面與水平面成適當傾角以便于物料的流動。篩箱間距既要便于觀察篩面物料情況、更換篩網(wǎng)等操作,又要減小占地面積和空間高度。振動電機組安裝在上層篩箱上。篩箱單元組合部件具有剛度高、工藝性好、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、重量輕等特點。

單層篩箱由篩框、振動電機組、電機振動梁等部件組成，篩箱設(shè)計有單通道和雙通道形式，篩面分單層或雙層形式，雙層篩面篩機的上層篩面由不銹鋼焊接篩網(wǎng)焊接制成，主要起粗粒物料的隔粗、保護篩網(wǎng)、一機能出多種產(chǎn)品的作用。振動電機組安裝在電機振動梁上，電機振動梁是篩箱的重要部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)過理論計算和大量的試驗而得，復(fù)振篩與電磁篩相比主要優(yōu)勢在于處理能力加大，適用范圍廣。

篩箱主要包括篩框、振動電機組、篩網(wǎng)、電磁激振器、振動系統(tǒng)等部件。根據(jù)用戶對設(shè)備耐磨、防腐能力的需求和成本的考慮，可以選擇篩箱表面噴涂油漆或噴涂聚氨酯處理，后者具有更高的耐磨、防腐能力。

篩網(wǎng)由工作網(wǎng)和下方的托網(wǎng)組成。根據(jù)用戶對篩網(wǎng)使用壽命周期和投資成本的考慮，工作網(wǎng)可以選擇不銹鋼細絲編織復(fù)合網(wǎng)或聚氨酯條縫式柔性篩網(wǎng)，兩種篩網(wǎng)具有良好的互換性。聚氨酯柔性篩網(wǎng)耐磨性強、使用壽命長達6個月左右，價格相對較高；不銹鋼絲編織復(fù)合網(wǎng)由兩層不同孔徑的篩網(wǎng)復(fù)合而成，質(zhì)量較輕且價格較低，此種篩網(wǎng)開孔率高達33%左右，篩分效率高達70%～75%。與振動帽直接接觸的為鋼絲繩芯聚氨酯網(wǎng)，稱為托網(wǎng)。其主要作用是傳遞和均布激振力，保護工作網(wǎng)，并提高工作網(wǎng)的剛度。篩箱中托網(wǎng)和工作網(wǎng)的張緊機構(gòu)有橫向和縱向兩種形式，特別設(shè)計的快速裝卸張緊機構(gòu)使更換篩網(wǎng)作業(yè)更為輕松和便捷。對于特殊要求的雙層篩面篩箱，其上層不銹鋼楔形絲焊接篩網(wǎng)可起隔粗作用，保護下層工作網(wǎng)，延長工作網(wǎng)使用壽命，同時可減輕工作網(wǎng)的負荷，提高單機處理量和篩分效率。

2.2.2 彈性系統(tǒng)

彈性系統(tǒng)由若干個橡膠彈簧組成。把篩箱或篩箱單元組合彈性支撐在機架上，緩沖篩箱或篩箱單元組合工作時對地基的動載荷，尤其是在啟動和停車過程中通過共振區(qū)時形成的共振動載荷，減振系數(shù)達90%以上。充分利用橡膠彈簧各方向剛度不同的特性，使彈性系統(tǒng)在有效減輕對地基動載荷的同時，又能有效抑制篩箱或篩箱單元組合的橫向振動。

單層復(fù)振篩經(jīng)兩次減振彈簧減振，一次減振彈簧置于機架上，篩箱或篩箱單元組合放置在一次減振彈簧上，保持減振彈簧的垂直性，否則將影響篩機的振動平穩(wěn)性；二次減振彈簧放置于地面與機架之間，主要消弱對地面的沖擊載荷。

2.2.3 機架

機架為型鋼框架結(jié)構(gòu)，是篩機各部件的安裝骨架，機架通過二次減振彈簧直接放置于地面上。

2.2.4 篩上篩下物收料槽

篩上篩下收料槽是鋼板制造的箱形結(jié)構(gòu)，用于收集每層篩箱篩分后的篩上和篩下物料。為了提高其耐磨性和耐腐蝕性，礦漿直接沖刷的內(nèi)表面噴涂聚氨酯襯耐磨橡膠板。

2.3 工作點確定

(1) 直線振動工作點在遠超共振區(qū)，直線振動頻率與篩機固有頻率的比值為4～5。

(2)電磁振動在低于共振點的近共振區(qū)工作, 電磁振動頻率與電磁振動系統(tǒng)固有頻率的比值為0.9。篩面振幅較小,但振動強度高,從而避免篩網(wǎng)堵孔現(xiàn)象，提高了篩分效率。

3 動力學(xué)分析

F系列復(fù)合振動篩正常工作時，同時存在2種振動：篩箱的直線振動和電磁激振篩網(wǎng)振動。因兩者參振質(zhì)量和激振力差異較大，彈性系統(tǒng)的剛度、振動頻率不同，振動工作點相差較遠，故兩種振動各自獨立、互不影響。

3.1 直線振動動力學(xué)分析

F系列復(fù)合振動篩直線振動振體是獨立篩箱或篩箱單元組合，提供激振力的振動電機剛性緊固在電機振動梁上，由電機振動梁再緊固在篩箱上或直接緊固在篩箱單元組合的上層篩箱上，篩箱通過橡膠彈簧與機架聯(lián)接，機架再通過二次減振置于地面上，其振動力學(xué)模型如圖4所示。其中，參振體質(zhì)量為M1,激振力為F(t)，彈簧剛度K為各彈簧剛度之和，橡膠彈簧有一定的阻尼存在，阻尼系數(shù)為C。篩箱在2臺振動電機產(chǎn)生的激振力合力作用下，產(chǎn)生單振體單自由度受迫振動。振動方向角與激振力的合力方向相同，振動頻率等于激振力頻率，是振動系統(tǒng)固有頻率的4～5倍，工作點為遠超共振區(qū)域。

圖4 直線振動力學(xué)模型

3.2 電磁振動動力學(xué)分析

F系列復(fù)合振動篩電磁振動中振動桿、快裝振動帽等部件的運動都是繞振動軸軸線做扭轉(zhuǎn)振動。電磁振動力學(xué)如圖5所示。

圖5 電磁振動力學(xué)模型

這是一個雙質(zhì)量雙自由度受迫振動。由于參振質(zhì)量M2遠大于參振質(zhì)量M1，所以質(zhì)量M2的振幅要遠小于M1，此時可以近似視為M2不動，電磁振動對篩箱單元組合的直線振動影響很微弱，可以忽略不計。

適當?shù)拇_定M1、M2之間主振彈簧的剛度K，可以使系統(tǒng)的振動處于近共振狀態(tài)，這樣可以通過較小的激振力來獲得所需要的振幅，功率消耗也可以大大減少。

4 技術(shù)優(yōu)勢

F系列復(fù)合振動篩主要用于替代目前黑色冶金選礦行業(yè)市場應(yīng)用的細粒篩分分級設(shè)備，如固定尼龍細篩、高頻振動細篩、高頻電磁振網(wǎng)篩等。被F系列復(fù)合振動篩產(chǎn)品所替代設(shè)備的主要缺點見表1。

表1 被F系列復(fù)合振動篩產(chǎn)品所替代設(shè)備的主要缺點

F系列復(fù)合振動篩產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢為：

(1)獨創(chuàng)應(yīng)用不同振動頻率雙振源驅(qū)動復(fù)合振動模式，其電磁振網(wǎng)振動強度為6～10，瞬時強振自清理篩網(wǎng)，篩網(wǎng)孔不易堵塞，單位篩面面積處理量為6～14 t/(m2·h)，篩分效率為70%以上；

(2)篩網(wǎng)可供選擇，不銹鋼絲編織復(fù)合細篩網(wǎng)使用壽命約為480 h，聚氨酯篩網(wǎng)使用壽命約為5000 h；

(3)配置數(shù)字化多功能及遠程集中控制系統(tǒng)，符合數(shù)字化礦山的未來發(fā)展需求；

(4)產(chǎn)品價格及運行成本僅為進口設(shè)備的40%，配件供應(yīng)充足；

(5)單層篩網(wǎng)面積最大增至6 m2，單機最多篩箱疊放5層，節(jié)省占地；

(6)二次減振，對設(shè)備基礎(chǔ)的動載沖擊可忽略不計。

5 主要創(chuàng)新點

(1)自主研發(fā)了雙通道布置篩面的F系列復(fù)合振動篩。

(2)獨創(chuàng)應(yīng)用雙激振源激振方式，將垂直于篩面的敲擊振動和與篩面成一定交角的直線振動相結(jié)合，實現(xiàn)篩網(wǎng)的復(fù)合運動，在保持電磁篩對細粒級物料高效率分級的前提下，明顯提高了處理能力。

(3)開發(fā)了具有遠程通訊與集中控制功能的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了篩分系統(tǒng)工藝參數(shù)計算機管理。

(4)開發(fā)了一種新型結(jié)構(gòu)的高頻電磁篩用電磁激振器，兩側(cè)銜鐵均受電磁力和主振彈簧的共同作用產(chǎn)生高頻振動，并通過傳力螺栓和振動桿分別驅(qū)動一個或多個振動機構(gòu)，零部件之間的作用力小，可靠性高，有效提高電磁篩的整體性能。

(5)開發(fā)了一種振動篩篩箱減振彈簧，極大地提高了彈性塊與端板貼附的牢固程度和抗剪切能力。

6 實施效果

目前，F(xiàn)系列復(fù)合振動篩已在全國數(shù)百家選礦、選煤企業(yè)現(xiàn)場推廣應(yīng)用，用戶分布20個省市自治區(qū)。具有處理量增大、篩分效率提高、節(jié)省占地空間和節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，應(yīng)用效果表明，主要技術(shù)指標達到計劃任務(wù)合同數(shù)要求。主要技術(shù)指標完成情況見表2。

表2 主要技術(shù)指標完成情況

目前，電磁振動高頻振網(wǎng)篩在國內(nèi)市場選礦工程應(yīng)用中，單位篩面面積處理能力平均為4～5 t/(m2·h)，而F系列復(fù)合振動篩在多次現(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)用試驗中，單位篩面面積處理能力達到6.8～14 t/(m2·h)，最大處理量可達14 t/(m2·h)以上，較單層電磁高頻振網(wǎng)篩單位篩面面積處理量可提高約50%，顯著提高篩分效率。F系列復(fù)合振動篩進入市場后已逐步替代現(xiàn)有電磁振動高頻振網(wǎng)篩，是電磁振動高頻振網(wǎng)篩的技術(shù)升級和更新?lián)Q代產(chǎn)品。

7 效益分析

F系列復(fù)合振動篩自2011年3月開始對樣機進行現(xiàn)場應(yīng)用試驗，取得了良好的應(yīng)用效果，隨后開始轉(zhuǎn)入生產(chǎn)，并推廣應(yīng)用，截至2019年5月，累計制造和推廣應(yīng)用該系列產(chǎn)品數(shù)百臺，不僅為企業(yè)創(chuàng)造了較大的新增銷售額、新增利潤及新增納稅額，也大量銷售到俄羅斯、南非、澳大利亞等國外出口創(chuàng)匯。

F系列復(fù)合振動篩的復(fù)合振動模式有效提高了篩機篩面的物料輸送能力和透篩能力。經(jīng)選礦、選煤、建材等行業(yè)市場用戶在細粒物料干法和濕法篩分分級以及脫水處理等領(lǐng)域進行推廣應(yīng)用，實現(xiàn)了單位篩面面積處理量較電磁高頻振網(wǎng)篩提高40%～50%的良好效果。在單機處理量增大的同時篩分效率顯著提高，實現(xiàn)了單層復(fù)振篩篩面面積最大為6 m2，篩分效率達到70%～75%，減少了生產(chǎn)設(shè)備占地面積，節(jié)省了工業(yè)用地。用于煤泥脫水處理使工業(yè)廢水回收循環(huán)再利用，用于尾礦脫水運輸和干排處理，對取消尾礦壩、保護環(huán)境和保障工業(yè)安全意義重大。