趙環(huán)帥
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083)
篩分作業(yè)是現(xiàn)代礦物加工行業(yè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。振動(dòng)篩是篩分作業(yè)的主要設(shè)備,主要用于各種物料的分級(jí)、脫水、脫泥及磁選介質(zhì)回收等[1]。近些年伴隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展,振動(dòng)篩在礦山、化工、石油、煙草、醫(yī)藥、冶金、糧食及建材等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。同時(shí)在國(guó)家相關(guān)政策的扶持與鼓勵(lì)下,經(jīng)過(guò)科研院所及生產(chǎn)制造企業(yè)的不懈努力,我國(guó)振動(dòng)篩行業(yè)無(wú)論在理論研究,還是在技術(shù)應(yīng)用方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文綜述了近年來(lái)我國(guó)振動(dòng)篩理論研究及技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)展,對(duì)我國(guó)振動(dòng)篩在理論研究與技術(shù)應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題提出了相應(yīng)的對(duì)策和建議,同時(shí)結(jié)合我國(guó)振動(dòng)篩行業(yè)面臨的新形勢(shì),對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望,以期為我國(guó)振動(dòng)篩行業(yè)的健康快速發(fā)展提供借鑒。
目前,我國(guó)振動(dòng)篩中應(yīng)用最廣泛的是慣性振動(dòng)篩,其一般由激振器、篩箱、隔振彈簧、傳動(dòng)裝置、電動(dòng)機(jī)等組成[4]。在激振器的作用下,篩箱產(chǎn)生直線(xiàn)軌跡、圓軌跡、橢圓軌跡、復(fù)合軌跡的往復(fù)線(xiàn)性振動(dòng),振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離于篩機(jī)本身的固有頻率,振幅平穩(wěn)。目前,慣性振動(dòng)篩一般采用線(xiàn)性振動(dòng)理論進(jìn)行設(shè)計(jì),并通過(guò)線(xiàn)性振動(dòng)計(jì)算振動(dòng)強(qiáng)度、拋射強(qiáng)度、振幅、頻率等主要技術(shù)參數(shù)。對(duì)于慣性振動(dòng)篩主要技術(shù)參數(shù)的確定原則及相互關(guān)系的研究已比較成熟,相關(guān)的研究成果較多,但是由于慣性振動(dòng)篩在制造、裝配、生產(chǎn)等過(guò)程中不可避免地存在非線(xiàn)性振動(dòng),因此線(xiàn)性振動(dòng)理論往往存在一定的局限性。今后應(yīng)突破傳統(tǒng)的線(xiàn)性振動(dòng)理論,重點(diǎn)研究符合實(shí)際的線(xiàn)性與非線(xiàn)性隨機(jī)振動(dòng)理論[5]。
振動(dòng)篩運(yùn)行過(guò)程中會(huì)存在相鄰部件連接面的接觸、偏心質(zhì)量激勵(lì)、結(jié)構(gòu)大變形、物料沖擊與非線(xiàn)性彈簧支撐等許多非線(xiàn)性環(huán)節(jié)。振動(dòng)篩固有的非線(xiàn)性因素及參數(shù)的變化會(huì)產(chǎn)生混沌振動(dòng)、分叉與突變等非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。對(duì)于強(qiáng)非線(xiàn)性振動(dòng)系統(tǒng),振動(dòng)特征表現(xiàn)為某些隨機(jī)性,且一般受系統(tǒng)特性、參數(shù)變化與工作條件的影響,理論分析很難得到準(zhǔn)確結(jié)果。在進(jìn)行傳統(tǒng)分析時(shí),往往將振動(dòng)篩所有相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)視為確定性的量,而對(duì)于生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的某些結(jié)構(gòu)破壞因素,若依然采用線(xiàn)性模型或線(xiàn)性系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)與故障診斷,就容易忽略與系統(tǒng)特性密切相關(guān)的非線(xiàn)性特性,從而出現(xiàn)各種錯(cuò)誤。同時(shí)這些行為的發(fā)展和加強(qiáng),也可能引起振動(dòng)篩的局部破壞,從而使振動(dòng)篩失去正常功能,造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。
目前,有些國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合隨機(jī)動(dòng)力學(xué)理論與有限元方法,在考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)與激勵(lì)參數(shù)隨機(jī)性的基礎(chǔ)上建立了振動(dòng)篩隨機(jī)動(dòng)力學(xué)模型,以研究振動(dòng)篩隨機(jī)響應(yīng)的變異性及振動(dòng)篩的振幅和動(dòng)應(yīng)力變異性[6]。但從總體上看,有關(guān)振動(dòng)篩非線(xiàn)性振動(dòng)特性方面的研究成果相對(duì)較少,因此開(kāi)展有關(guān)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)建模,非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)分析,工作條件下的振動(dòng)測(cè)試、系統(tǒng)辨識(shí)、參數(shù)估計(jì),非線(xiàn)性系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的混沌振動(dòng)、突變、分叉及其特征分析和運(yùn)行參數(shù)控制等的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用技術(shù)研究,揭示實(shí)際存在的諸多非線(xiàn)性因素對(duì)振動(dòng)篩動(dòng)力學(xué)特性及其響應(yīng)產(chǎn)生的影響,具有非常重要的實(shí)用價(jià)值與理論意義。
共振篩出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代,并于20世紀(jì)中期正式用于工業(yè)生產(chǎn),主要特點(diǎn)是工作頻率接近系統(tǒng)的固有頻率,可依靠較小的激振力驅(qū)動(dòng)較大面積或質(zhì)量的篩箱。我國(guó)對(duì)于共振篩理論的研究主要集中于20世紀(jì)前后,例如:陳予恕等[7-8]在20世紀(jì)90年代初就開(kāi)始采用理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究大型雙質(zhì)量非線(xiàn)性共振篩動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),確定了非線(xiàn)性共振篩動(dòng)力學(xué)研究的基本方向;張功學(xué)等[9]從影響共振式機(jī)械固有頻率各因素的隨機(jī)性、激振頻率的隨機(jī)性及共振準(zhǔn)則的模糊性出發(fā)推導(dǎo)出了表達(dá)共振區(qū)模糊子集的隸屬函數(shù),并推導(dǎo)出了共振式機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模糊可靠度的計(jì)算公式;楊帥等[10]采用剛體動(dòng)力學(xué)基本理論,構(gòu)建了32 m2雙層雙質(zhì)體非線(xiàn)性共振篩動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)其工況特性進(jìn)行了比較分析;辛?xí)暂x等[11-12]在雙層共振篩強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程中,針對(duì)各種慣性力難以施加的問(wèn)題,提出了一種計(jì)算上下篩體強(qiáng)度的有限元特殊建模技術(shù),并對(duì)30 m2雙層非線(xiàn)性共振篩模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算及動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià);李春友[13]通過(guò)建立有限元計(jì)算模型,在設(shè)計(jì)階段對(duì)一種新型32 m2異線(xiàn)性雙層振動(dòng)篩進(jìn)行了模態(tài)計(jì)算,并對(duì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了傳遞函數(shù)分析,得到了合適的振動(dòng)篩工作頻率范圍。
從總體上看,目前研究的共振篩主要為篩機(jī)整體共振,雖然已有共振篩在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的相關(guān)報(bào)道,但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)和制造精度要求高、操作與調(diào)試難度大、容易受物料量變化的影響等,因此尚未在國(guó)內(nèi)得到較大范圍的推廣與使用。為了克服整體共振的缺點(diǎn),近年國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)局部共振、疊層共振、篩網(wǎng)共振、雙質(zhì)體共振等進(jìn)行了研究,但成果較少,有待進(jìn)一步探索。然而由于共振篩具有突出的節(jié)能優(yōu)點(diǎn),符合未來(lái)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì),因此具有廣闊的應(yīng)用前景[14]。綜上所述,根據(jù)現(xiàn)代共振理論的最新研究成果,開(kāi)展共振篩理論與技術(shù)研究,對(duì)開(kāi)發(fā)新型共振結(jié)構(gòu),提高其可靠性、性能穩(wěn)定性及工藝效果具有重要意義。
反共振是在一定的條件下使篩機(jī)的某些部件振幅最小或者處于靜止?fàn)顟B(tài)。由于振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在進(jìn)行頻響函數(shù)測(cè)試時(shí),往往出現(xiàn)虛假模態(tài)和模態(tài)遺漏現(xiàn)象,反共振理論可以通過(guò)峰值和相位圖有效解決這些問(wèn)題。近年國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)反共振的理論及其應(yīng)用開(kāi)展了相關(guān)研究,例如:劉杰等[15]在振動(dòng)利用工程領(lǐng)域引入反共振理論,提出了3種新型的反共振振動(dòng)機(jī)械,并用機(jī)械阻抗法進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析;黃志超等[16]將反共振理論應(yīng)用于振動(dòng)給料機(jī)的設(shè)計(jì),取得了較好的給料效果;韓運(yùn)俠[17]分析了兩自由度受迫振動(dòng),研究了反共振現(xiàn)象;龔善初[18]研究了兩自由度系統(tǒng)的模態(tài)響應(yīng),分析了振幅比與頻率比、彈簧剛度比的關(guān)系;劉杰等[19]基于振幅穩(wěn)定的原點(diǎn)反共振振動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析,建立了原點(diǎn)反共振振動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型,研究了反共振點(diǎn)的漂移情況;楊晨等[20]以反共振理論為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了一種新型反共振振動(dòng)篩;焦春旺等[21]以忽略參數(shù)波動(dòng)為前提,研究了雙質(zhì)體反共振系統(tǒng);李盟等[22]對(duì)慣性往復(fù)振動(dòng)篩進(jìn)行了反共振設(shè)計(jì),根據(jù)兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)反共振的條件,確定了隔振彈簧的剛度。
由于反共振點(diǎn)處振幅不穩(wěn)定,且存在物料量變化、電機(jī)不同步、激振力偏離質(zhì)心等影響因素,所以反共振篩在運(yùn)行過(guò)程中往往不穩(wěn)定,限制了其發(fā)展,但是由于反共振篩相比傳統(tǒng)振動(dòng)篩可以減輕整機(jī)質(zhì)量、降低成本、提高使用壽命和可靠性,且不需要額外的減振裝置,因此發(fā)展前景可期。將反共振理論研究成果應(yīng)用于現(xiàn)有共振篩的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與新型反共振篩的設(shè)計(jì),以及應(yīng)用于其他類(lèi)型振動(dòng)篩的故障診斷、噪聲消除及隔振等,具有良好的推廣應(yīng)用前景。
從直觀角度看,篩分作業(yè)是一個(gè)簡(jiǎn)單的物料分離過(guò)程,但在實(shí)際的工業(yè)性應(yīng)用中,物料在振動(dòng)篩上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律極為復(fù)雜。傳統(tǒng)方法對(duì)篩分機(jī)理的研究往往將篩分物料在篩面上的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為一個(gè)顆粒在篩面上的運(yùn)動(dòng),以此計(jì)算物料的各種理論運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),主要包括定常運(yùn)動(dòng)理論、混沌運(yùn)動(dòng)理論與料層振動(dòng)理論等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。定常運(yùn)動(dòng)理論運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)應(yīng)用較多,但是由于其忽略了顆粒與篩面間的碰撞效應(yīng),理論計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際不符;混沌運(yùn)動(dòng)理論運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)雖然考慮了顆粒與篩面間的碰撞效應(yīng),但研究?jī)H局限于顆粒與篩面間的正碰撞,對(duì)生產(chǎn)實(shí)際的指導(dǎo)作用仍需要進(jìn)一步探索;料層振動(dòng)理論運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)由于力學(xué)模型建立和數(shù)學(xué)計(jì)算極其復(fù)雜,在工程實(shí)際中難以應(yīng)用,目前尚未得到重視[23]。
近年國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了物料在各種振動(dòng)篩篩面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究,其中針對(duì)物料在直線(xiàn)振動(dòng)篩上的運(yùn)動(dòng)用顆粒跳動(dòng)理論分析得出,篩分物料運(yùn)動(dòng)分為顆粒跳動(dòng)與粒群碰撞;針對(duì)物料在橢圓振動(dòng)篩面上的運(yùn)動(dòng)分析得出,長(zhǎng)軸強(qiáng)化了物料的輸送,短軸促進(jìn)了物料的松散;針對(duì)物料在旋轉(zhuǎn)篩面上的運(yùn)動(dòng)通過(guò)對(duì)單顆粒物料的運(yùn)動(dòng)分析,提出了空間螺旋運(yùn)動(dòng)及臨界滑移與臨界拋擲半徑等概念,在考慮粒群的影響下,研究了物料的拋擲指數(shù)、振幅與篩面的拋擲指數(shù)、振幅的關(guān)系,以及粒群的理論平均速度的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。同時(shí)研究了同一粒級(jí)在不同傾角篩面上的透篩概率[24],通過(guò)混沌運(yùn)動(dòng)理論,對(duì)單顆粒在篩面上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)顆粒在篩面上的運(yùn)動(dòng)是非線(xiàn)性的[25];研究了單顆粒透篩概率理論中實(shí)際與理論透篩概率的關(guān)系,并深入研究了篩分物料的分層透篩過(guò)程,提出了粒群沿篩長(zhǎng)方向的透篩概率分布模型,同時(shí)以篩分過(guò)程的概率理論為基礎(chǔ)建立了實(shí)用概率篩分模型[26-29];此外還研究了潮濕細(xì)粒物料在普通振動(dòng)篩篩面上積聚的原因和黏附機(jī)理以及黏附力、黏附厚度的影響因素,進(jìn)行了潮濕細(xì)粒物料和干燥細(xì)粒物料篩分對(duì)比試驗(yàn),提出了計(jì)算潮濕細(xì)粒物料黏附力的數(shù)學(xué)模型及解決篩孔堵塞的方法[29-30]。
從總體上看,目前許多篩分理論研究主要注重篩分結(jié)果,而非將篩分過(guò)程作為重點(diǎn)。雖然已有學(xué)者提出了有關(guān)物料群顆粒碰撞運(yùn)動(dòng)、物料分層、物料透篩概率、物料顆粒堵孔等方面的篩分理論,但是篩分基礎(chǔ)理論的研究仍滯后于生產(chǎn)實(shí)踐,許多篩分理論還處于假說(shuō)與實(shí)驗(yàn)階段,現(xiàn)有理論很少涉及定量的數(shù)學(xué)計(jì)算及論證,大多為定性表述及敘述性推論,尚未對(duì)篩分過(guò)程給出較為合理的解釋。因此,加強(qiáng)篩分機(jī)理的研究,深入了解篩分過(guò)程,也是未來(lái)的重要研究方向。
目前,較為成熟的篩分方法有概率篩分、等厚篩分、弛張篩分、強(qiáng)化篩分等[23]。其中弛張篩分、強(qiáng)化篩分都是針對(duì)難篩物料的堵孔問(wèn)題提出的。等厚篩分主要分為自然分層等厚篩分和概率分層等厚篩分,在我國(guó)煤炭分級(jí)中主要采用前者。自然分層等厚篩分一般入料端傾角較大,物料運(yùn)動(dòng)速度較大,可以快速分層;出料端傾角較小,物料有充分的機(jī)會(huì)透篩;整個(gè)篩面物料厚度均勻或漸增。概率分層等厚篩分主要分為自同步概率篩分與慣性共振式概率篩分,目前煤炭領(lǐng)域主要采用前者,該方法突出的特點(diǎn)是大篩孔、短篩面、多層篩面、大傾角,篩面互相重疊,篩面傾角自上而下逐漸增大,篩孔逐漸減小。強(qiáng)化篩分主要是在篩分過(guò)程中通過(guò)逐漸加大篩機(jī)的振動(dòng)參數(shù),使物料獲得較大的速度與加速度,從而提高篩分效率和生產(chǎn)能力。弛張篩分主要分為往復(fù)式弛張篩分與振動(dòng)式弛張篩分,兩者原理相似,采用固定框與浮動(dòng)框,通過(guò)激振器或曲軸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的激振力使浮動(dòng)框與固定框做相對(duì)運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中篩面不斷張緊與松弛,彈性篩面使物料產(chǎn)生一個(gè)類(lèi)似蹦床的運(yùn)動(dòng)[31]。近些年出現(xiàn)了概率等厚篩分、彈性篩分、低頻大振幅篩分、高頻小振幅篩分、拋射篩分、復(fù)合振動(dòng)篩分、雙質(zhì)體振動(dòng)篩分等方法,但每種篩分方法都有一定的適用范圍,也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。因此,今后應(yīng)根據(jù)不同用途,研究新型篩分方法,同時(shí)考慮將各種篩分方法相互結(jié)合,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
近年來(lái)在市場(chǎng)導(dǎo)向和需求下,我國(guó)篩分技術(shù)迅猛發(fā)展,在傳統(tǒng)振動(dòng)篩的基礎(chǔ)上,吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù),借鑒其他行業(yè)相關(guān)理念,并不斷自主創(chuàng)新,已研制出了多種結(jié)構(gòu)新穎、適應(yīng)多種用途的振動(dòng)篩。從收集到的資料來(lái)看,目前我國(guó)振動(dòng)篩產(chǎn)品有1 000余種規(guī)格、50余個(gè)系列,產(chǎn)品除了市場(chǎng)上常見(jiàn)的圓運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩、直線(xiàn)振動(dòng)篩、高頻振動(dòng)篩、弧形篩、固定篩、琴弦篩、博后篩、香蕉篩、弛張篩等以外,近些年還出現(xiàn)了高幅節(jié)肢振動(dòng)篩、橢圓振動(dòng)篩、反共振振動(dòng)篩、柔面振動(dòng)篩、滾筒振動(dòng)篩、二次減振振動(dòng)篩、條形振動(dòng)篩、自潔振動(dòng)篩等新型振動(dòng)篩產(chǎn)品,且有些技術(shù)性能已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平[32]。尤其近年隨著振動(dòng)篩大型化的發(fā)展,寬4.9 m的香蕉篩、寬2.4 m的高頻振動(dòng)篩、寬5.1 m的箱式直線(xiàn)振動(dòng)篩、寬3.6 m的圓運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩、寬4.3 m的弛張篩及寬5.05 m的振幅遞減橢圓振動(dòng)篩等大型或超大型振動(dòng)篩已在各大科研院所與制造企業(yè)的共同努力下研制成功,并逐漸在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到了大范圍的應(yīng)用,且可靠性有了顯著提高,不僅打破了進(jìn)口大型振動(dòng)篩壟斷的局面,市場(chǎng)份額也逐漸擴(kuò)大。
今后,隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)篩分理論研究的不斷深入,我國(guó)振動(dòng)篩的發(fā)展將會(huì)更加多樣化與大型化。
隨著對(duì)各種細(xì)粒物料分選要求的提高,篩分過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題越來(lái)越多,例如,在煤炭化工領(lǐng)域,我國(guó)大部分礦區(qū)的動(dòng)力煤篩分出的低灰分細(xì)粒煤可以直接供給電廠等用戶(hù),但在原煤開(kāi)采過(guò)程中,由于諸多原因,采出的原煤外在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)7%以上,潮濕的細(xì)粒原煤互相黏結(jié)成團(tuán)或附著在篩面上,尤其是外在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 7%~14%時(shí),常規(guī)振動(dòng)篩很難進(jìn)行6 mm、3 mm粒級(jí)物料的篩分,且對(duì)3 mm粒級(jí)物料的直接篩分更是世界性難題。因此,細(xì)粒物料深度分級(jí)是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外篩分領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[33-34]。
經(jīng)過(guò)多年的不斷探索,我國(guó)細(xì)粒物料篩分理論與技術(shù)的研究獲得了較大發(fā)展。目前,細(xì)粒物料深度篩分主要分為干法分級(jí)與濕法分級(jí)。濕法分級(jí)相對(duì)容易,通過(guò)增加篩面噴水裝置,采用電磁篩、復(fù)合振動(dòng)篩、疊層高頻篩等對(duì)各種細(xì)粒物料進(jìn)行分級(jí),分級(jí)粒度可以達(dá)到0.074 mm,甚至0.063 mm,但是存在的問(wèn)題是濕法分級(jí)需要占用大量水資源,我國(guó)水資源匱乏及分布不均的現(xiàn)狀決定了濕法分級(jí)不可能在我國(guó)大范圍推廣與應(yīng)用。干法深度分級(jí)比較符合我國(guó)國(guó)情,特別是能滿(mǎn)足干旱地區(qū)的煤炭篩分需求。因此,研發(fā)高效的干法深度篩分技術(shù)與設(shè)備具有重要意義。
目前,細(xì)粒物料干法深度篩分技術(shù)主要采用概率篩、等厚篩、弛張篩、博后篩、琴弦篩、螺旋分級(jí)篩等,但存在的問(wèn)題是沒(méi)有一種振動(dòng)篩能夠篩分全部粒級(jí)的物料,這些振動(dòng)篩往往存在機(jī)械強(qiáng)度和工藝效果之間的矛盾。等厚篩、概率篩、博后篩等機(jī)械強(qiáng)度較高,但對(duì)難篩物料存在篩分精度低、篩分效率低的問(wèn)題;琴弦篩、弛張篩、螺旋分級(jí)篩等機(jī)械強(qiáng)度較低,篩分效果較差,但工藝效果較好,尤其弛張篩對(duì)處理水分含量高或黏度高的物料有著不可替代的優(yōu)勢(shì),基本解決了細(xì)粒物料篩分效率低及黏濕細(xì)粒物料堵孔等問(wèn)題,是目前解決細(xì)粒物料篩分的最優(yōu)方案。
因此,結(jié)合某些類(lèi)型振動(dòng)篩的優(yōu)點(diǎn),進(jìn)行篩機(jī)的組合設(shè)計(jì),同時(shí)開(kāi)展弛張篩篩分理論的研究,強(qiáng)化弛張篩關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和升級(jí),逐步實(shí)現(xiàn)弛張篩國(guó)產(chǎn)化、大型化,是我國(guó)細(xì)粒物料深度篩分行業(yè)當(dāng)前及今后一段時(shí)間的工作重點(diǎn)。
激振器是振動(dòng)篩激振力的來(lái)源,是振動(dòng)篩最為關(guān)鍵的部件,其類(lèi)型主要有電磁激振器、振動(dòng)電機(jī)、自同步型激振器、強(qiáng)迫同步型激振器等,后3種激振器屬于慣性式激振器[35]。隨著振動(dòng)篩的大型化,激振器的大型化與可靠性是未來(lái)的研究方向。
篩板是振動(dòng)篩的關(guān)鍵部件,主要分為焊接篩板、復(fù)合篩板、聚氨酯篩板等,在彈性、開(kāi)孔率、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。焊接篩板強(qiáng)度較高,開(kāi)孔率較低;復(fù)合篩板強(qiáng)度不高,開(kāi)孔率較高;聚氨酯篩板的耐磨性、抗撕裂性、抗沖擊性、抗老化性、使用壽命、可拆卸性等均優(yōu)于金屬篩網(wǎng),且質(zhì)量輕、噪聲低,不易產(chǎn)生粉塵,在篩分過(guò)程中能夠產(chǎn)生二次高頻振動(dòng),可以減小堵孔現(xiàn)象的發(fā)生,提高振動(dòng)篩的篩分效果。今后應(yīng)加強(qiáng)篩板相關(guān)技術(shù)的研究,研制抗腐蝕、耐磨損、柔度適中的新型篩面材料,增加篩面的彈性、提高開(kāi)孔率、增加物料顆粒的彈跳力和透篩概率等。
支撐彈簧是影響振動(dòng)篩篩分效果的重要部件。國(guó)內(nèi)振動(dòng)篩用彈簧主要有橡膠彈簧、金屬螺旋彈簧、復(fù)合彈簧、空氣彈簧等。橡膠彈簧具有結(jié)構(gòu)緊湊、安拆方便、吸振限幅性能好及可同時(shí)承受壓縮與剪切變形的特點(diǎn),但彈簧剛度較難調(diào)整、壽命低;金屬螺旋彈簧具有壽命長(zhǎng)、變形大、剛度易調(diào)整的優(yōu)點(diǎn),但不能吸收高頻顫振、噪聲較大、安全性不好;復(fù)合彈簧兼具金屬螺旋彈簧和橡膠彈簧的優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用在振動(dòng)篩上;空氣彈簧在國(guó)內(nèi)振動(dòng)篩上應(yīng)用較少,一般僅用于精密儀器及精密機(jī)械的隔振,但在國(guó)外應(yīng)用十分廣泛。空氣彈簧隔振器制造工藝復(fù)雜、成本高、安全性差,需要一套空氣氣動(dòng)裝置,這是其應(yīng)用較少的一個(gè)重要原因。近幾年出現(xiàn)了一種新型的ROSTA 減振支撐彈簧,這種彈簧具有高效隔振、使用壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、能夠避免共振的優(yōu)點(diǎn),且可以在-40~80 ℃溫度范圍內(nèi)使用,具有優(yōu)良的力學(xué)性能,型號(hào)較多,可應(yīng)用于各種類(lèi)型的振動(dòng)篩,缺點(diǎn)是價(jià)格較一般的彈簧高幾倍甚至十幾倍。在國(guó)外,ROSTA 減振支撐彈簧已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于振動(dòng)篩行業(yè),但在國(guó)內(nèi)振動(dòng)篩上的應(yīng)用極少,因此ROSTA 減振支撐彈簧在國(guó)內(nèi)具有廣闊的發(fā)展前景[36]。
振動(dòng)篩加工工藝及制造技術(shù)水平的高低決定了振動(dòng)篩的質(zhì)量、性能及可靠性。過(guò)去國(guó)內(nèi)的許多振動(dòng)篩制造企業(yè)在焊接、機(jī)械加工與裝配作業(yè)中一般采用手工操作或常規(guī)機(jī)械設(shè)備,加工精度與效率較低,在振動(dòng)篩制造水平上與國(guó)外先進(jìn)水平相比存在較大差距。隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)逐漸認(rèn)識(shí)到關(guān)鍵零部件的形位公差、粗糙度及焊接變形控制等在振動(dòng)篩制造中的重要性,因此紛紛采用合理的加工工藝研制相應(yīng)的配套工裝,同時(shí)通過(guò)引進(jìn)、改造或更新生產(chǎn)設(shè)備,采用自動(dòng)焊接機(jī)器人、數(shù)控平面鉆床、數(shù)控龍門(mén)鏜銑床、數(shù)控加工中心、數(shù)控激光切割機(jī)等先進(jìn)加工設(shè)備來(lái)提高振動(dòng)篩加工制造精度、質(zhì)量及生產(chǎn)效率。所以,今后制造企業(yè)應(yīng)加大對(duì)加工設(shè)備的更新,引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的加工設(shè)備,同時(shí)利用現(xiàn)有資源建立關(guān)鍵共性基礎(chǔ)工藝研究機(jī)構(gòu),開(kāi)展先進(jìn)成型、加工等關(guān)鍵制造技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)。
振動(dòng)篩標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于振動(dòng)篩行業(yè)健康發(fā)展和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系完善具有非常重要的作用。國(guó)家相關(guān)部門(mén)組織制定了許多國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械行業(yè)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)許多社會(huì)團(tuán)體也積極參與了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定,對(duì)于填補(bǔ)我國(guó)振動(dòng)篩標(biāo)準(zhǔn)化體系的空白、推動(dòng)篩分技術(shù)的進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從總體上看,目前我國(guó)振動(dòng)篩相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)框架主要為定義術(shù)語(yǔ)、型號(hào)編制、設(shè)備技術(shù)、設(shè)計(jì)規(guī)范、試驗(yàn)方法等,隨著振動(dòng)篩行業(yè)的快速發(fā)展,標(biāo)準(zhǔn)的制定已滯后于行業(yè)的發(fā)展。因此,今后應(yīng)進(jìn)一步完善振動(dòng)篩標(biāo)準(zhǔn)體系,及時(shí)進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)審與修訂,加強(qiáng)振動(dòng)篩標(biāo)準(zhǔn)的貫徹與宣傳工作,加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際交流與合作,同時(shí)在振動(dòng)篩標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中,應(yīng)充分考慮目前的市場(chǎng)需求與設(shè)備及技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,積極采取措施,加強(qiáng)管理與引導(dǎo)。
運(yùn)動(dòng)仿真分析是指在振動(dòng)篩開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中,在計(jì)算機(jī)上建立振動(dòng)篩整體模型,對(duì)振動(dòng)篩在實(shí)際使用過(guò)程中的各種真實(shí)工況進(jìn)行仿真分析,以圖形方式顯示振動(dòng)篩的各種特性。近年相關(guān)研究人員根據(jù)實(shí)際工程問(wèn)題,在振動(dòng)篩研究過(guò)程中采用了MATLAB、EDEM、ADAMS等軟件。ADAMS多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件可以用于建立振動(dòng)篩模型,仿真運(yùn)動(dòng)軌跡,繪制振幅、速度和加速度曲線(xiàn),求出各個(gè)參數(shù)的幅值,驗(yàn)證振動(dòng)篩能否按照設(shè)計(jì)的參數(shù)工作,且可以通過(guò)其動(dòng)畫(huà)功能觀察振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)軌跡[37-38]。EDEM 軟件可以用于建立振動(dòng)篩模型,模擬篩分物料堵孔情況,研究堵孔物料顆粒的粒徑范圍,同時(shí)也可以用于研究各種形狀的篩分物料在不同的篩孔條件下對(duì)篩分效率的影響[39]。MATLAB軟件可以用于分析物料運(yùn)動(dòng)軌跡和研究振動(dòng)篩參數(shù);通過(guò)編制振動(dòng)篩上物料滑行和拋擲的計(jì)算程序,推導(dǎo)振動(dòng)篩上物料的運(yùn)動(dòng)軌跡,分析非線(xiàn)性作用力對(duì)振動(dòng)篩主要技術(shù)參數(shù)的影響[40-41]。由于運(yùn)動(dòng)仿真分析可以模擬振動(dòng)篩運(yùn)行過(guò)程中的各種真實(shí)工況,觀察運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題,并不斷修改與完善,從而得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,因此在今后振動(dòng)篩開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)仿真分析是一個(gè)非常重要的方法。
振動(dòng)篩在工作過(guò)程中會(huì)一直受簡(jiǎn)諧激振力作用,因此結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性是判斷設(shè)計(jì)是否合理的重要依據(jù)。傳統(tǒng)振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用計(jì)算、類(lèi)比設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、安全系數(shù)設(shè)計(jì)等方法,缺點(diǎn)是無(wú)法看到振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)內(nèi)部動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布情況。即使振動(dòng)篩靜強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,依然會(huì)出現(xiàn)篩框損壞、橫梁斷裂、篩機(jī)共振等現(xiàn)象。近年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)代替靜態(tài)設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)代振動(dòng)篩設(shè)計(jì)的重要手段。
有限元分析利用與數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)振動(dòng)篩幾何和載荷工況等進(jìn)行模擬。國(guó)內(nèi)振動(dòng)篩設(shè)計(jì)中常用的有限元分析軟件有ANSYS、ANSYS Workbench、ALGOR、SolidWorks、Pro/E、ABA-QUS等,雖然每個(gè)軟件有其優(yōu)缺點(diǎn),但每一種軟件都可以對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)、諧響應(yīng)和疲勞等各種結(jié)構(gòu)分析,通過(guò)分析振動(dòng)篩整體及其關(guān)鍵零部件的應(yīng)力、應(yīng)變、位移分布或變化規(guī)律,對(duì)振動(dòng)篩強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性等性能進(jìn)行總體評(píng)估,可以為振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。同時(shí)理論模型簡(jiǎn)化應(yīng)該盡量與實(shí)際情況相符,使結(jié)構(gòu)分析與實(shí)際工況吻合。
振動(dòng)測(cè)試技術(shù)是振動(dòng)理論應(yīng)用于工程實(shí)際的一個(gè)橋梁,應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。振動(dòng)測(cè)試技術(shù)在振動(dòng)篩上應(yīng)用發(fā)展較快,其中應(yīng)用最廣泛、最有效的試驗(yàn)手段是模態(tài)參數(shù)測(cè)試與動(dòng)應(yīng)力測(cè)試[42]。模態(tài)參數(shù)測(cè)試是通過(guò)多通道動(dòng)態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)和模態(tài)分析軟件對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行以模態(tài)參數(shù)識(shí)別為核心的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。模態(tài)參數(shù)主要包括頻域和時(shí)域模態(tài)參數(shù)。頻域法已非常成熟,時(shí)域法設(shè)備簡(jiǎn)單,尤其在參數(shù)識(shí)別過(guò)程中,無(wú)需激勵(lì),只根據(jù)自由響應(yīng)就可進(jìn)行[43]。在振動(dòng)篩測(cè)試過(guò)程中采用隨機(jī)激勵(lì)信號(hào),在合適的激勵(lì)方法下,通過(guò)加速度傳感器獲得的振動(dòng)篩固有頻率、阻尼比和陣型等模態(tài)參數(shù)和分布規(guī)律,可以作為有限元模型修正的依據(jù),使計(jì)算模型更趨完善和合理。動(dòng)應(yīng)力測(cè)試采用動(dòng)態(tài)或靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng),結(jié)合應(yīng)變花或應(yīng)變片,可以測(cè)試振動(dòng)篩關(guān)鍵零部件或主要受力部位的應(yīng)力和應(yīng)變,獲得真實(shí)的動(dòng)應(yīng)力值和分布規(guī)律,并對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證,從而為后續(xù)仿真模型計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。但是如何使測(cè)試結(jié)果與實(shí)際工況吻合、振動(dòng)篩測(cè)試過(guò)程中測(cè)試點(diǎn)如何布置、激勵(lì)能量如何選擇等都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,因此如何根據(jù)振動(dòng)篩的實(shí)際情況選擇合理的激勵(lì)信號(hào)與激勵(lì)方式是今后需要解決的問(wèn)題[44]。
振動(dòng)篩在實(shí)際使用中由于長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作和承受復(fù)雜的載荷,其關(guān)鍵部件很容易產(chǎn)生疲勞作用下的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象,且其經(jīng)常發(fā)生篩箱扭曲變形、篩網(wǎng)磨損、驅(qū)動(dòng)梁斷裂、側(cè)板撕裂、激振器軸承損壞、焊縫開(kāi)裂、下橫梁斷裂、彈簧斷裂、連接螺栓斷裂等故障,此外,因其工作環(huán)境惡劣、工作時(shí)間長(zhǎng),往往檢修不便,一旦出現(xiàn)故障,則可能使整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)停止運(yùn)行,給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失,所以應(yīng)建立振動(dòng)篩故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)篩振幅、頻率、振動(dòng)方向角及溫度等關(guān)鍵參數(shù),對(duì)各監(jiān)測(cè)位置得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析,以便控制中心根據(jù)振動(dòng)篩運(yùn)行狀況,對(duì)振動(dòng)篩故障進(jìn)行識(shí)別并實(shí)施預(yù)警或報(bào)警,提前對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù),避免故障發(fā)生。
在線(xiàn)故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)振動(dòng)篩運(yùn)行情況,通過(guò)設(shè)定各種工況下的數(shù)據(jù),對(duì)振動(dòng)篩在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行識(shí)別、預(yù)警或報(bào)警。隨著在線(xiàn)故障監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷的專(zhuān)用信號(hào)分析儀,這些信號(hào)分析儀通常具有FFT分析功能,可測(cè)出振動(dòng)大小,進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。通過(guò)監(jiān)測(cè)振動(dòng)篩在運(yùn)行過(guò)程中關(guān)鍵零部件或主要受力部位的應(yīng)力、應(yīng)變以及激振器部位的軸承溫度等的變化情況,可以判斷振動(dòng)篩的運(yùn)行情況及故障發(fā)生的部位或原因[45]。但目前大多數(shù)在線(xiàn)故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)在采用壓力、溫度以及加速度等傳感器對(duì)振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)采集時(shí),多通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行信號(hào)的傳輸,在實(shí)際振動(dòng)過(guò)程中采集信號(hào)存在諸多不便,制約了在線(xiàn)故障監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)的發(fā)展。因此,振動(dòng)篩無(wú)線(xiàn)故障監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)創(chuàng)新是其未來(lái)的重要研究方向。
智能化是未來(lái)機(jī)械設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì),機(jī)械設(shè)備的智能化不僅能夠節(jié)約人力資源,還能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)制造2025》及《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出了加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品及推動(dòng)人工智能規(guī)模化應(yīng)用、全面提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展智能化水平的建議。我國(guó)對(duì)于振動(dòng)篩智能技術(shù)的研究尚處于起步階段,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少。智能化振動(dòng)篩需具備感知外界環(huán)境輸入及自身健康狀態(tài)的能力,通過(guò)采用計(jì)算機(jī)軟件、傳感器系統(tǒng)及控件化虛擬式信號(hào)分析處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩的智能控制。需要探索的內(nèi)容包括:根據(jù)入料量與入料粒度的變化在線(xiàn)調(diào)節(jié)振幅、頻率、振動(dòng)強(qiáng)度等振動(dòng)參數(shù),將振動(dòng)篩的運(yùn)轉(zhuǎn)工作情況調(diào)整在最佳狀態(tài);構(gòu)建專(zhuān)家分析系統(tǒng),對(duì)振動(dòng)篩現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的情況進(jìn)行判斷,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷,并通過(guò)軟件系統(tǒng)中的深度學(xué)習(xí)、控制以及預(yù)警等功能模塊實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩故障的智能診斷。
靈敏度分析是指在振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)修改技術(shù)中,當(dāng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的某些參數(shù)不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求時(shí),需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改,使該參數(shù)朝著特定方向變化。靈敏度分析可以確定設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系,并反映設(shè)計(jì)變量的改變對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響程度。在振動(dòng)篩的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了滿(mǎn)足振動(dòng)篩壽命和可靠性的要求,需要不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。一般先進(jìn)行理論計(jì)算或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估結(jié)構(gòu)載荷,再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)系統(tǒng)阻尼,得到振動(dòng)篩有限元模型并計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),包括位移、速度、加速度、變形和應(yīng)力等,檢驗(yàn)其是否滿(mǎn)足響應(yīng)準(zhǔn)則,然后通過(guò)靈敏度分析技術(shù)修改振動(dòng)篩有限元模型,得到振動(dòng)篩修正質(zhì)量矩陣和修正剛度矩陣,重新計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng),直到滿(mǎn)足要求[46-47]。靈敏度分析存在諸多優(yōu)勢(shì),因此在今后振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中,靈敏度分析是一個(gè)非常重要的內(nèi)容。
近些年,我國(guó)振動(dòng)篩行業(yè)發(fā)展迅速,篩分領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)出多學(xué)科相互滲透和交叉的局面,在理論研究、技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。然而由于我國(guó)許多篩分技術(shù)是在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)消化吸收得到的,因此在取得階段性成果的同時(shí),也需要認(rèn)清與國(guó)外振動(dòng)篩技術(shù)之間存在的差距,特別是我國(guó)大型振動(dòng)篩的可靠性與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比差距較大。面對(duì)振動(dòng)篩行業(yè)發(fā)展的新形勢(shì),建議進(jìn)一步完善現(xiàn)有的篩分與振動(dòng)理論,尋求和發(fā)展新的篩分方法和技術(shù),充分利用5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、數(shù)字孿生等前沿技術(shù),不斷自主創(chuàng)新,著力提高振動(dòng)篩的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性。同時(shí)在引領(lǐng)振動(dòng)篩設(shè)備朝著大型、高效、可靠、節(jié)能、環(huán)保,以及標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、精細(xì)化、通用化、系列化、自動(dòng)化與智能化方向發(fā)展的過(guò)程中,應(yīng)摒棄低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)的觀念,充分利用好國(guó)內(nèi)外有利條件,抓住機(jī)遇,轉(zhuǎn)變思路,調(diào)整方向,把重心放在提升核心技術(shù)上,不斷提升研發(fā)能力,提高振動(dòng)篩產(chǎn)品的可靠性及競(jìng)爭(zhēng)力,奮力開(kāi)創(chuàng)我國(guó)振動(dòng)篩行業(yè)發(fā)展的新局面。