趙環(huán)帥 尹德奪

(1.中國冶金礦山細(xì)粒篩分機(jī)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)篩等，一般在篩分效率和處理量上各顯不足。國外高頻細(xì)篩(重疊式高頻細(xì)篩)是振動電機(jī)驅(qū)動的整機(jī)振動式細(xì)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(xì)粒物料篩分、分級、脫水處理技術(shù)和設(shè)備。

1 總體思路

細(xì)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(xì)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(xì)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(jìn)行有機(jī)結(jié)合，研發(fā)一種新型復(fù)合振動篩分機(jī)械系列產(chǎn)品，篩機(jī)設(shè)計為雙振動源驅(qū)動，既設(shè)置有振動電機(jī)組，又設(shè)置有電磁激振器。振動電機(jī)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(jī)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(jī)單位面積處理能力和篩分效率顯著提高。篩機(jī)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(yuǎn)程控制系統(tǒng)，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，基于標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)程計算機(jī)對多臺篩機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)成一對振動電機(jī)組，與篩箱剛性聯(lián)接。振動電機(jī)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(jī)安裝平面與篩面夾角的余角，振動頻率取決于振動電機(jī)轉(zhuǎn)速。設(shè)計驗算直線振動頻率與篩機(jī)固有頻率之比為z=4～6，工作點為遠(yuǎn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(dá)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(dá)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(jī)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(jī)組組成，F(xiàn)系列復(fù)合振動篩結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1-機(jī)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(jī)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(jī)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(dāng)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(jī)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(jī)組、電機(jī)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(jī)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(hù)篩網(wǎng)、一機(jī)能出多種產(chǎn)品的作用。振動電機(jī)組安裝在電機(jī)振動梁上，電機(jī)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(jī)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(xì)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(dá)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(dá)33%左右，篩分效率高達(dá)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(hù)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(jī)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(jī)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(hù)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(fù)荷，提高單機(jī)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(jī)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(dá)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(jī)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(jī)的振動平穩(wěn)性；二次減振彈簧放置于地面與機(jī)架之間，主要消弱對地面的沖擊載荷。

2.2.3 機(jī)架

機(jī)架為型鋼框架結(jié)構(gòu)，是篩機(jī)各部件的安裝骨架，機(jī)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(yuǎn)超共振區(qū)，直線振動頻率與篩機(jī)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(yuǎn)，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(jī)剛性緊固在電機(jī)振動梁上，由電機(jī)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(jī)架聯(lián)接，機(jī)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(jī)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(yuǎn)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(yuǎn)大于參振質(zhì)量M1，所以質(zhì)量M2的振幅要遠(yuǎn)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(dāng)?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(xì)粒篩分分級設(shè)備，如固定尼龍細(xì)篩、高頻振動細(xì)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(xì)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(yuǎn)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(jìn)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(jī)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(xì)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(yuǎn)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(jī)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(jī)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(biāo)達(dá)到計劃任務(wù)合同數(shù)要求。主要技術(shù)指標(biāo)完成情況見表2。

表2 主要技術(shù)指標(biāo)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(dá)到6.8～14 t/(m2·h)，最大處理量可達(dá)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(jìn)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(jī)進(jìn)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(jī)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(xì)粒物料干法和濕法篩分分級以及脫水處理等領(lǐng)域進(jìn)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(jī)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(dá)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(hù)環(huán)境和保障工業(yè)安全意義重大。