趙環(huán)帥 黃 勇

(1.唐山陸凱科技有限公司，河北 唐山063020；2.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 唐山 063020；3.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299)

0 引言

細(xì)粒物料篩分分級(jí)在現(xiàn)代礦業(yè)礦物加工作業(yè)中具有重要作用。在黑色金屬選礦工業(yè)中，隨著近些年工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的市場(chǎng)需求日益增長(zhǎng)，在對(duì)礦產(chǎn)資源進(jìn)行大規(guī)模持續(xù)開發(fā)的過程中，原有的易磨易選、粗粒嵌布的鐵礦石資源已不能滿足目前的需求，而難磨難選、細(xì)粒嵌布的選礦石資源的開發(fā)所占比重日益增大，因此今后對(duì)選礦技術(shù)與設(shè)備也將提出更高的要求[1,2]。同時(shí)在未來的煤炭洗選、化工化肥、玻璃陶瓷等相關(guān)行業(yè)細(xì)粒物料的篩分分級(jí)作業(yè)中，對(duì)相關(guān)篩分設(shè)備的分級(jí)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)現(xiàn)有概率篩、琴弦篩、尼龍篩、電磁篩等各種細(xì)粒物料篩分設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)，且在處理量與篩分效率上各顯不足。國外疊層高頻細(xì)篩采用振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其屬于傳統(tǒng)振動(dòng)模式，有直線和圓運(yùn)動(dòng)振動(dòng)方式，近些年國內(nèi)相關(guān)行業(yè)已有開始應(yīng)用，但存在的問題是價(jià)格昂貴(約為國內(nèi)重疊式高頻細(xì)篩的3～4倍)，且效果褒貶不一[3,4]。同時(shí)細(xì)粒物料篩分分級(jí)和脫水作業(yè)中，篩網(wǎng)易堵現(xiàn)象直接造成篩分效率低、能耗高等問題，間接導(dǎo)致篩上球磨機(jī)物料量加大，增加磨選系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，增大能耗?；诖耍邪l(fā)一種新型高效的細(xì)粒物料篩分設(shè)備，提高碎礦、分級(jí)作業(yè)效率，為礦山企業(yè)節(jié)能減排提供一種可供選擇的有效途徑，豐富和發(fā)展現(xiàn)代選礦理論和技術(shù)裝備，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在多年對(duì)細(xì)粒物料篩分分級(jí)技術(shù)和設(shè)備研究基礎(chǔ)上，吸取各類篩分設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，把傳統(tǒng)的振動(dòng)理論與新穎的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行結(jié)合，研發(fā)了一種用于細(xì)粒物料濕法篩分、分級(jí)的D5FG1216共振式復(fù)合振動(dòng)篩，其兼具良好的向前拋擲輸送能力與較高的透篩率，也可有效提高設(shè)備單位面積處理能力與篩分效率。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 工作原理

1)D5FG1216共振式復(fù)合振動(dòng)篩振動(dòng)方式為單自由度受迫振動(dòng)，結(jié)構(gòu)見圖1。參振質(zhì)體是篩箱組合，其通過兩次減振裝置安裝于基礎(chǔ)上，兩臺(tái)振動(dòng)電機(jī)構(gòu)成的振動(dòng)電機(jī)組的簡(jiǎn)諧激振力合力驅(qū)動(dòng)篩箱組合振動(dòng)，激振力依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作振幅、振動(dòng)頻率及參振質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。振動(dòng)方向角等于簡(jiǎn)諧激振力合力方向與篩箱組合中的篩面之間的夾角，振動(dòng)頻率取決于振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)定單振源共振式復(fù)合振動(dòng)篩工作點(diǎn)為遠(yuǎn)超共振狀態(tài)，整機(jī)振動(dòng)頻率與篩機(jī)本身固有頻率之比為5。直線振動(dòng)為物料篩分和輸送提供主要?jiǎng)恿?，直線振動(dòng)的最大振幅、頻率、振動(dòng)方向角、篩箱組合安裝傾角等參數(shù)均可根據(jù)工藝要求作為篩機(jī)設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)。

1-機(jī)架；2-篩箱組合；3-收料斗；4-彈性裝置；5-底座；6-地基；7-檢修臺(tái)；8-給料箱；9-電控柜；10-振動(dòng)電機(jī)組。

2)篩箱內(nèi)部振動(dòng)系統(tǒng)的共振同樣以振動(dòng)電機(jī)組為唯一振動(dòng)源，篩箱組合在振動(dòng)電機(jī)組的作用下形成直線振動(dòng)，同時(shí)由于振動(dòng)系統(tǒng)自身慣性使振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)滯后于篩箱的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且此運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率與篩機(jī)振動(dòng)頻率處于近共振工作狀態(tài)，二者合成而產(chǎn)生共振式復(fù)合振動(dòng)。篩機(jī)的篩箱結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 篩箱結(jié)構(gòu)

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.2.1 篩箱組合

篩箱組合主要由篩箱(單層或多層)、振動(dòng)電機(jī)組、連接梁等部件組成。其具有剛度高、工藝性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接緊湊、重量輕等特點(diǎn)。振動(dòng)電機(jī)組安裝在上層篩箱上，多個(gè)篩箱與連接梁采用緊固件進(jìn)行剛性連接，篩面與水平面成一定傾角，以便于物料的向下流動(dòng)。篩箱之間的間距既便于更換篩網(wǎng)等操作，也要便于觀察篩面物料情況，同時(shí)減小占地面積和空間高度。

篩箱主要包括篩框、篩網(wǎng)、托網(wǎng)、篩網(wǎng)張緊裝置、托網(wǎng)張緊裝置、振動(dòng)系統(tǒng)(共振彈簧座、共振彈簧硫化件、振動(dòng)排)等部件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)篩選物料對(duì)設(shè)備耐磨、防腐能力的要求，可以在篩箱表面選擇噴涂油漆或聚氨酯，其中聚氨酯具有更高的耐磨、防腐能力。

篩網(wǎng)主要由工作網(wǎng)和托網(wǎng)組成。其中，工作網(wǎng)主要包括聚氨酯條縫式柔性篩網(wǎng)與不銹鋼細(xì)絲編織復(fù)合網(wǎng)兩種，且兩種篩網(wǎng)具有良好的互換性。聚氨酯條縫式柔性篩網(wǎng)耐磨性強(qiáng)，使用壽命可達(dá)六個(gè)月左右，但價(jià)格相對(duì)較高；不銹鋼絲編織復(fù)合網(wǎng)由兩層不同孔徑的篩網(wǎng)經(jīng)硫化而成，開孔率高達(dá)33%，質(zhì)量較輕，篩分效率可達(dá)70%～75%，價(jià)格相對(duì)較低。托網(wǎng)為鋼絲繩芯聚氨酯網(wǎng)，其與振動(dòng)帽直接接觸，主要作用是傳遞和均布激振力，在保護(hù)工作網(wǎng)的同時(shí)，也提高工作網(wǎng)的剛度。托網(wǎng)與工作網(wǎng)的張緊機(jī)構(gòu)采用快速裝卸張緊機(jī)構(gòu)，以方便更換篩網(wǎng)。

1.2.2 彈性系統(tǒng)

彈性系統(tǒng)由若干個(gè)橡膠減震彈簧組成，把篩箱組合支撐在機(jī)架上，緩沖篩箱組合在工作過程中對(duì)地基的動(dòng)載荷，尤其是在啟動(dòng)和停車過程時(shí)，在篩機(jī)通過共振區(qū)時(shí)形成的共振動(dòng)載荷，減振系數(shù)達(dá)90%以上；同時(shí)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(duì)地基動(dòng)載荷時(shí)，也能有效減少篩箱組合的偏擺。

1.2.3 機(jī)架

機(jī)架是篩機(jī)各部件的安裝骨架，采用型鋼框架結(jié)構(gòu)，其通過二次減振彈簧直接放置于地面上。

1.2.4 集料槽

集料槽為鋼板制造的箱形結(jié)構(gòu)，用于收集每層篩箱篩分后的篩上和篩下物料。在集料槽內(nèi)礦漿直接沖刷的內(nèi)表面，噴涂聚氨酯襯或粘貼耐磨橡膠板，以提高其耐磨性和耐腐蝕性。

2 動(dòng)力學(xué)分析

2.1 工作點(diǎn)確定

D5FG1216共振式復(fù)合振動(dòng)篩正常工作時(shí)，同時(shí)存在篩箱的直線振動(dòng)和慣性共振敲擊篩網(wǎng)振動(dòng)兩種振動(dòng)。因兩者參振質(zhì)量相差較大(約10∶1)，彈性系統(tǒng)的剛度不同，故慣性共振敲擊篩網(wǎng)對(duì)整機(jī)振動(dòng)影響較小，可忽略不計(jì)。直線振動(dòng)工作點(diǎn)在遠(yuǎn)超共振區(qū)，整機(jī)振動(dòng)頻率與篩機(jī)固有頻率的比值約為5；慣性共振在低于共振點(diǎn)的近共振區(qū)，慣性振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率與篩機(jī)直線振動(dòng)頻率的比值為0.9，能以最小的消耗產(chǎn)生較大的振幅及振動(dòng)強(qiáng)度，從而可以提高篩分效率，避免篩網(wǎng)堵孔。

2.2 模型簡(jiǎn)化及分析

D5FG1216共振式復(fù)合振動(dòng)篩的直線振動(dòng)振體是獨(dú)立篩箱或篩箱組合，振動(dòng)電機(jī)緊固在篩箱組合的上層篩箱上而提供激振力，篩箱在兩臺(tái)振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的簡(jiǎn)諧激振力合力作用下，產(chǎn)生單自由度受迫振動(dòng)。篩箱通過橡膠彈簧與機(jī)架連接，機(jī)架通過二次減振置于地面上，其振動(dòng)力學(xué)模型見圖3(參振體質(zhì)量為m，激振力為F(t)，彈簧剛度K為各彈簧剛度之和，橡膠彈簧阻尼系數(shù)為C)。振動(dòng)方向角與激振力的合力方向相同。工作點(diǎn)為遠(yuǎn)超共振區(qū)域，振動(dòng)頻率等于激振力頻率，是振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的5倍。

圖3 直線振動(dòng)力學(xué)模型

慣性共振式振動(dòng)機(jī)及主振系統(tǒng)力學(xué)模型見圖4，其是一個(gè)雙質(zhì)體雙自由度受迫振動(dòng)。由于參振質(zhì)量m2遠(yuǎn)大于參振質(zhì)量m1，m1振動(dòng)對(duì)篩箱組合單元的直線振動(dòng)影響很微弱，可以忽略不計(jì)。其中振動(dòng)電機(jī)組激振力公式：

F(t)=∑m0rω2sinωt

(1)

式中:F(t) 為激振力，N；m0為偏心塊的質(zhì)量，kg；r為偏心塊質(zhì)心至回轉(zhuǎn)軸的距離，m；ω為篩機(jī)振動(dòng)頻率，rad/s；t為時(shí)間，s。

圖4 慣性共振式振動(dòng)機(jī)及主振系統(tǒng)力學(xué)模型

根據(jù)D5FG1216共振式復(fù)合振動(dòng)篩的情況，適當(dāng)?shù)倪x擇m1、m2之間主振彈簧的剛度K，可以使系統(tǒng)的振動(dòng)處于近共振狀態(tài)，可以較小的激振力來獲得較大的振幅，減少功率消耗。

3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)比

D5FG1216共振式復(fù)合振動(dòng)篩在直線振動(dòng)基礎(chǔ)上附加了清網(wǎng)振動(dòng)，有效的減少了篩網(wǎng)堵孔現(xiàn)象，提高了物料脫水透篩率，提高了單位面積產(chǎn)能，同時(shí)并未增加能耗，且具有價(jià)格相對(duì)低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)?？商娲绻潭猃埣?xì)篩、GPS高頻振動(dòng)細(xì)篩、高頻電磁振網(wǎng)篩等同類型技術(shù)設(shè)備，與上述可替代設(shè)備相比較優(yōu)勢(shì)顯著見表1。

表1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)比

4 工業(yè)應(yīng)用效果

4.1 在陜西某礦業(yè)公司鐵礦廠的應(yīng)用

陜西某礦業(yè)公司鐵礦廠為提高磨礦效率，降低選礦成本，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，采用了四臺(tái)D5FG1216共振式復(fù)合振動(dòng)篩，安裝后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

通過表2可知，D5FG1216共振式復(fù)合振動(dòng)篩篩分效率可以達(dá)到80%以上。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)使用表明，該設(shè)備篩分效率高，處理量大，運(yùn)行穩(wěn)定，其中D5FG1216單振源共振式復(fù)合振動(dòng)篩的柔性聚氨酯篩網(wǎng)使用壽命可以達(dá)到十個(gè)月。

4.2 在遼寧某硼鐵公司選礦廠的應(yīng)用

遼寧某硼鐵公司選礦廠為了適應(yīng)礦山發(fā)展形勢(shì)，對(duì)其重選車間進(jìn)行技術(shù)改造，選用D5FG1216單振源共振式復(fù)合振動(dòng)篩，經(jīng)過一段時(shí)間的應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)效果很好，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，篩分效率較高，其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

由表3可見，D5FG1216共振式復(fù)合振動(dòng)篩的篩分效率較高，可以達(dá)到80%以上，從而更好地降低球磨機(jī)的循環(huán)負(fù)荷，提高磨礦處理量，提高精礦產(chǎn)量，同時(shí)減少了占地面積，便于用戶的布置安裝。

5 結(jié)語

D5FG1216共振式復(fù)合振動(dòng)篩自2013年5月開始試制樣機(jī)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，取得良好效果，隨后開始轉(zhuǎn)入生產(chǎn)，并在國內(nèi)多處選礦廠進(jìn)行推廣應(yīng)用。截至2019年5月，累計(jì)制造和推廣應(yīng)用該系列產(chǎn)品數(shù)百臺(tái)，創(chuàng)造了較大的新增銷售額、新增利潤(rùn)及新增納稅額；同時(shí)也受到國外選礦企業(yè)的青睞，大量銷售到俄羅斯、南非、澳大利亞等國外。通過現(xiàn)場(chǎng)多年來的工業(yè)應(yīng)用表明，D5FG1216共振式復(fù)合振動(dòng)篩有效提高了篩機(jī)篩面的物料輸送能力和透篩能力，單位篩面面積處理量提升40%～50%，并節(jié)省占地面積。隨著選礦設(shè)備智能化的發(fā)展，今后D5FG1216共振式復(fù)合振動(dòng)篩還可以增加智能在線控制裝置，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，提高自動(dòng)化水平。