王新文　龐錕鋒　于馳

（中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京　100083）

摘　要：振動篩是煤炭洗選高效利用的關(guān)鍵設(shè)備，改革開放以前，國產(chǎn)振動篩篩分效率低，可靠性差，隨著不斷引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備和深入研究篩分技術(shù)，國產(chǎn)振動篩不斷完善。為了說明自改革開放以來我國振動篩的創(chuàng)新發(fā)展，以等厚篩、反共振振動篩、弛張篩等先進(jìn)篩機(jī)為例，從篩分理論、振動理論和篩機(jī)結(jié)構(gòu)三個方面介紹了主要的新式設(shè)備及其工作原理。此外，根據(jù)目前的工業(yè)形勢和國家政策，從優(yōu)化設(shè)計、環(huán)保節(jié)能、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化等幾個角度討論了振動篩的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】篩分機(jī)械；振動篩；振動理論；篩分理論；篩機(jī)結(jié)構(gòu)；環(huán)保節(jié)能；智能化；標(biāo)準(zhǔn)化

篩分設(shè)備是將顆粒大小不同的混合物料，經(jīng)過篩網(wǎng)按粒度大小分成若干不同粒度級產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)備，在煤炭分選過程中主要用于原煤分級、選后產(chǎn)品脫水、脫泥等環(huán)節(jié)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的增長和可持續(xù)發(fā)展的需要，我國的煤炭篩分設(shè)備朝大型、高效以及節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。

煤炭工業(yè)生產(chǎn)中常用的篩分設(shè)備主要有：固定篩、滾軸篩、平面搖動篩、振動篩等。固定篩由于結(jié)構(gòu)簡單，主要用于大塊煤的篩分；滾軸篩和平面搖動篩由于其自身的缺陷，已經(jīng)基本被振動篩所取代；振動篩作為一種常見的工程機(jī)械，廣泛用于煤炭的分級、脫泥、脫水以及脫介等，由于其操作簡單，運(yùn)行可靠，工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，在我國眾多的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。振動篩種類多樣，按照運(yùn)動軌跡可分為圓振動篩、直線振動篩、橢圓運(yùn)動振動篩；按照篩分理論可以分為概率篩、等厚篩等；按照動力學(xué)特性可分為線性非共振式振動篩和非線性振動篩等。改革開放以來，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及篩分理論的深入研究，出現(xiàn)了很多新型的篩分設(shè)備，并被應(yīng)用到生產(chǎn)中，極大地促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1. 振動篩的發(fā)展歷程

改革開放伊始，我國國產(chǎn)的振動設(shè)備仍不成熟，此時煤炭洗選通常需要兩套系統(tǒng)，一套用于正常生產(chǎn)，一套用于緊急情況的備用；而振動篩作為易損設(shè)備和煤炭分級脫水的關(guān)鍵設(shè)備更是需要在每個系統(tǒng)中采用一臺生產(chǎn)、一臺備用的方式來保證生產(chǎn)的連續(xù)性，振動篩分設(shè)備完善度和可靠性亟待提高。

改革開放使得經(jīng)濟(jì)飛躍式發(fā)展，煤炭作為大資源，開采量和入選量劇增。20世紀(jì)70年代末到80年代，冶金和煤炭系統(tǒng)不斷從美國、德國和日本等國家引進(jìn)先進(jìn)的振動篩產(chǎn)品，以圓振動篩和直線振動篩為主，上海寶山鋼鐵引進(jìn)日本神戶制鋼所和川崎重工株式會社制造的用于煤炭分級、焦炭篩分的振動篩；山東兗州礦務(wù)局興隆莊選煤廠引進(jìn)美國RS公司的TI傾斜篩和TH水平篩；河北開灤礦務(wù)局引進(jìn)德國KHD公司的USK圓振動篩和USL直線振動篩；錢家營礦選煤廠引進(jìn)了波蘭米克烏夫采礦機(jī)械廠制造的PWK圓振動篩、PWP直線振動篩。國外先進(jìn)篩機(jī)的引進(jìn)很大程度地提高了國內(nèi)振動篩制造水平。20世紀(jì)80年代，鞍山礦山機(jī)械廠將從美國RS公司引進(jìn)的篩機(jī)制造技術(shù)轉(zhuǎn)化為國產(chǎn)的YA系列圓振動篩和ZKX系列直線振動篩，又在1996年引進(jìn)了德國KHD公司USK系列圓振動篩和USL系列直線振動篩的改進(jìn)型產(chǎn)品的制造技術(shù)，其中USL直線振動篩寬度可達(dá)4.5m，這表明我國中、大型振動篩制造技術(shù)有了很大的提高。

20世紀(jì)80年代初90年代末，我國應(yīng)用典型的振動篩主要是YA、YK系列圓振動篩和ZKX系列直線振動篩(圖1)。YA系列圓振動篩采用軸偏心式激振器，其兩側(cè)與篩框側(cè)板相連，中間是偏心軸，兩端各有一盤軸承，軸承外部是大皮帶輪，另一側(cè)是飛輪，皮帶輪和飛輪的內(nèi)部有偏心塊，方便調(diào)整振幅。由于偏心軸的偏心距較小，為了達(dá)到所需的激振力，偏心軸的質(zhì)量就要相應(yīng)的增加，這就導(dǎo)致軸偏心式激振器成本較高。YK系列圓振動篩是以德國USK型振動篩為基礎(chǔ)設(shè)計的，使用塊偏心式激振器，其結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝、制造與維護(hù)。此外，與YA系列不同的是，YK系列使用瓣形聯(lián)軸器將振動的篩箱與固定的傳動系統(tǒng)隔離，傳動系統(tǒng)不會受到篩箱振動的影響，避免皮帶時緊時松引起的疲勞損壞。ZKX系列直線振動篩使用齒輪強(qiáng)迫同步的箱式激振器，箱式激振器有結(jié)構(gòu)緊湊、更換容易和潤滑性好的優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)是對齒輪的材質(zhì)和加工精度的要求較高，否則會產(chǎn)生較大的噪聲。當(dāng)振動篩較大時，用兩個激振器來提供所需的激振力，兩個激振器的軸通過同一個皮帶輪與電機(jī)連接。

圖1  三種典型的振動篩

21世紀(jì)初，我國從德國引進(jìn)申克香蕉篩(圖2)。香蕉篩使用箱式激振器產(chǎn)生直線激振力，使篩面上的物料連續(xù)做斜上拋運(yùn)動。香蕉篩采用變傾角的篩面，入料端篩面傾角大，物料運(yùn)動速度快，物料層高只達(dá)通常篩分的1/3～1/4，同時，入料中的大塊物料快速通過陡坡實(shí)現(xiàn)物料快速分層，使細(xì)粒物料更早接觸篩面；接近出料端篩面傾角逐漸變小，運(yùn)行速度隨之減慢，篩上物料也因透篩而減少，使得篩面物料保持相等的厚度，有利于增加難篩物料的透篩概率。香蕉篩處理量大、篩分效率和可靠性高，在選煤廠常用于脫泥、脫水、脫介，在國內(nèi)推廣很快，并吸引了許多國內(nèi)學(xué)者對其進(jìn)行研究。

圖2  香蕉篩

弛張篩是在2010年前后快速發(fā)展起來的另一種高效、可靠的物料篩分設(shè)備，主要有Liwell弛張篩和振動弛張篩兩種，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。之前國內(nèi)學(xué)者在黏濕細(xì)粒物料干法篩分上做出了大量研究，研制出了節(jié)肢篩、概率篩、螺旋輥軸篩、旋轉(zhuǎn)概率篩、琴弦篩、博后篩等一系列篩分設(shè)備，一定程度上提高了對黏濕細(xì)粒物料的篩分能力，但是始終未能取得顯著效果。弛張篩的出現(xiàn)突破性地解決了細(xì)粒篩分的問題，由于彈性篩面發(fā)生周期性拉伸或彎曲，可以防止堵住篩孔，又能提供煤炭篩分所需的作用力，使篩面上的煤炭迅速松散分層，從而有效地進(jìn)行6mm以下的干法篩分。

圖3  兩種弛張篩

香蕉型弛張篩是近年來出現(xiàn)的一種新型篩分設(shè)備，其在香蕉篩和振動弛張篩的基礎(chǔ)上改進(jìn)，對兩者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了結(jié)合。香蕉型弛張篩的篩梁按照香蕉型分布，使篩面自入料端到出料端傾角依次減小，具備香蕉篩處理量大、篩分效率高的特點(diǎn)；同時柔性篩面的連續(xù)弛張運(yùn)動使篩面的振動強(qiáng)度大，可以使物料充分地松散、分層，提高了透篩效率。香蕉型弛張篩在寺河礦選煤廠用于3mm干法脫粉并取得了成功，大大提高了處理能力，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

2. 振動篩的創(chuàng)新發(fā)展

2.1 篩分理論的創(chuàng)新

隨著篩分技術(shù)的發(fā)展，對篩分理論的研究不斷深入，設(shè)計生產(chǎn)了許多新式篩分設(shè)備。

概率篩分理論是用統(tǒng)計的方法，研究由不同粒度的顆粒構(gòu)成的散物料群在篩面上的透篩概率建立的篩分理論。20世紀(jì)80年代，為了解決外在水分7%～14%的細(xì)粒煤粒難以篩分的問題，煤炭行業(yè)研發(fā)了煤用概率篩。煤用概率篩采用傾角為30°～60°的篩面，相比在水平或微傾斜的篩面上篩分物料，平均速度大約可提高3～4倍。由于平均速度明顯加大，料層減薄，這就有利于物料顆粒迅速透過篩孔，大大提高了篩分機(jī)的產(chǎn)量。由于采用大篩孔的設(shè)計，篩孔不易發(fā)生堵塞，也相應(yīng)增大了篩面的有效面積，進(jìn)而增大了物料顆粒的透篩概率和篩分機(jī)的篩分效率。原煤外在水分增加(＞7%)，對概率篩分過程的篩上產(chǎn)物回收率和篩分效率影響極微，而對篩上產(chǎn)物的限下率影響較大。適當(dāng)增加篩面長度，可使篩上產(chǎn)物限下率減低，基本達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求。

等厚篩分技術(shù)是一種在薄料層中進(jìn)行，并以篩上物料層高均衡或漸增為特點(diǎn)的篩分技術(shù)，可以通過改變各段篩面傾角或振幅大小來實(shí)現(xiàn)。1977年，等厚篩分技術(shù)開始應(yīng)用于國內(nèi)選煤工業(yè)，為解決長期存在的煤炭深度干式篩分問題提供了一種有效的、能夠精確篩分的先進(jìn)技術(shù)。20世紀(jì)80年代，利用普通振動篩串聯(lián)組成的篩分機(jī)組實(shí)現(xiàn)等厚篩分，逐漸發(fā)展成為參數(shù)合理、外形尺寸較小的直線等厚篩。直線等厚篩的特點(diǎn)是整個篩面由兩三段折線篩面組成，從入料端到出料端的傾角逐漸減小，物料運(yùn)動速度也隨之逐漸減小，篩面上料層厚度基本相等，以此實(shí)現(xiàn)等厚篩分。香蕉篩也是應(yīng)用變傾角等厚篩分技術(shù)的新型篩機(jī)，其在等厚篩的基礎(chǔ)上做出了一系列的改進(jìn)，結(jié)構(gòu)更加合理。改變各段篩面的振幅也是一種等厚篩分技術(shù)的應(yīng)用。中國礦業(yè)大學(xué)提出的大跨距雙軸不平衡激振變振幅等厚篩分法，使用單一篩面，在篩機(jī)入料端和出料端分別設(shè)置兩個大小不同的激振力，利用兩端激振力差實(shí)現(xiàn)使篩面從入料端到出料端振幅遞減．進(jìn)而實(shí)現(xiàn)等厚篩分。由于入料端振幅大，物料可以迅速鋪開，物料層較薄，出料端振幅小，整個篩面的物料層厚度基本相等。該設(shè)備設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，篩分效果和篩面利用率高，得到了良好的工業(yè)應(yīng)用。

2.2 振動理論的創(chuàng)新

傳統(tǒng)圓振動篩和直線振動篩通常選取頻率比(工作頻率與篩機(jī)固有頻率之比)＞3.5，工作在遠(yuǎn)共振區(qū)，振幅平穩(wěn)，但缺點(diǎn)是能耗較高。近年來，應(yīng)用反共振理論和近共振理論的振動篩越來越得到廣大學(xué)者的注意.

反共振理論很早就被應(yīng)用于解決隔振問題，劉杰等曾提出利用反共振原理設(shè)計振動機(jī)械的觀點(diǎn)，并提出了原點(diǎn)型和跨點(diǎn)型兩類反共振機(jī)械。反共振振動篩的優(yōu)點(diǎn)是能滿足振動機(jī)械所需的振動強(qiáng)度，同時又使機(jī)體傳給基礎(chǔ)的動載荷較小，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡化，不需要額外的減振裝置就能達(dá)到減振的目的，降低了能耗和運(yùn)行時的噪聲。但是，振動機(jī)?運(yùn)行在反共振點(diǎn)附近時的振幅不穩(wěn)定，物料質(zhì)量的變化會引起上下質(zhì)體質(zhì)量比和反共振頻率比的變化，從而造成共振點(diǎn)漂移。劉杰等設(shè)計了以機(jī)體的振動幅值為輸入，以電動機(jī)轉(zhuǎn)速為控制對象的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PID控制，可以提高動態(tài)性能并減小靜差，在物料質(zhì)量波動20%以內(nèi)的情況下，可以維持振幅的基本穩(wěn)定。

非線性共振篩工作在共振點(diǎn)之前的近共振區(qū)，當(dāng)激振頻率在工作頻率附近時，較小的激振力就可以產(chǎn)生很大的振幅，減少裝機(jī)容量以降低能耗。非線性共振篩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由兩個篩箱構(gòu)成，每個篩箱可分別用圓柱橡膠彈簧連接箱體和地面，兩個篩箱之間有纖維板彈簧和間隙橡膠彈簧連接，產(chǎn)生分段的非線性剛度，整個篩機(jī)由入料端的曲柄連桿機(jī)構(gòu)推動。非線性共振篩由于其突出的節(jié)能效果而具有廣泛的應(yīng)用前景，但目前國內(nèi)研究較少，有待進(jìn)一步探索。目前，另一種近共振設(shè)備振動弛張篩的應(yīng)用十分廣泛。

2.3 篩機(jī)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

弛張篩是在結(jié)構(gòu)上做出了革命性創(chuàng)新的篩機(jī)，它用橡膠柔性篩面代替了傳統(tǒng)的剛性篩面，在細(xì)粒篩分上取得了顯著的效果。較早出現(xiàn)的弛張篩是Liwell弛張篩，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，它由兩個篩框組成，其中篩框II放在篩框I內(nèi)部，篩框II用橡膠彈簧支撐在機(jī)架上，并通過吊掛板將篩框I和篩框II平行吊掛在一起，同時吊掛板又起到導(dǎo)向的作用，使篩框I和篩框II之間小幅值平行運(yùn)動，篩框的驅(qū)動是靠偏心軸，偏心軸通過軸承座安裝在篩框II中，電機(jī)通過皮帶輪帶動偏心軸轉(zhuǎn)動，偏心軸上的連桿不斷推拉篩框I，使篩框I和篩框II產(chǎn)生相向和相背的交替運(yùn)動，安裝在篩框上的橫梁帶動篩板也交替地拉緊和松弛。

圖4  Liwell弛張篩結(jié)構(gòu)示意圖

國內(nèi)使用較多的是另一種弛張篩—振動弛張篩。振動弛張篩外形與圓振動篩類似，不同點(diǎn)在于圓振動篩支撐篩面的橫梁全部都與側(cè)板鉚接，是一個整體，而振動弛張篩支撐篩面的橫梁有一半與側(cè)板鉚接成固定篩框，另一半橫梁通過側(cè)板上的方孔在主篩框外部用兩根邊梁連接成浮動篩框，固定梁與浮動梁間隔分布，橡膠篩面一邊連接在固定梁上，一邊連接在浮動梁上，浮動篩框用橡膠彈簧連接在固定篩框上，構(gòu)成一個雙質(zhì)體振動系統(tǒng)，由電機(jī)帶動安裝在固定篩框上的激振器產(chǎn)生激振力，固定篩框和浮動篩框相對運(yùn)動帶動篩面做連續(xù)弛張運(yùn)動。振動弛張篩還是一種近共振設(shè)備，因此它既是結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，又是振動理論上的創(chuàng)新。弛張篩Z大的特點(diǎn)就是以較小的激振力使篩面獲得大而穩(wěn)定的振幅，使篩面物料跳得高，松散迅速，增大了細(xì)粒物料與篩面的接觸機(jī)會，提高了篩分效率和處理能力。同時，柔性篩面連續(xù)彎曲，篩孔變形防止堵孔，也能防止細(xì)粒黏濕物料粘附在篩面上。振動弛張篩基本解決了粘濕細(xì)粒物料深度篩分的問題，在國內(nèi)得到了迅速推廣。

超靜定網(wǎng)梁激振結(jié)構(gòu)振動篩也是一種在篩機(jī)結(jié)構(gòu)上有很大創(chuàng)新的新型設(shè)備，其將超靜定結(jié)構(gòu)應(yīng)用在篩機(jī)的激振器上，用多根管梁、2根激振器梁和鋼板構(gòu)成網(wǎng)梁狀超靜定激振元，并以串聯(lián)的形式使用激振元，因此單個激振元提供激振力不需要很大，體積也隨之減小。目前，振動篩大型化設(shè)計的難點(diǎn)是隨著篩機(jī)的增大，結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度達(dá)不到所需要求，會導(dǎo)致側(cè)板變形、開裂，篩梁斷裂，篩機(jī)壽命短，可靠性差等一系列問題。超靜定網(wǎng)梁結(jié)構(gòu)具有很高的結(jié)構(gòu)剛度，應(yīng)用在大型振動篩上大大提高了篩箱的結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性。

3.振動篩的發(fā)展趨勢

3.1 應(yīng)用現(xiàn)代化設(shè)計方法

振動篩的大型化對提高大型選煤廠的處理能力具有重要意義。在振動參數(shù)可以滿足生產(chǎn)要求的前提下，提高篩面寬度和篩面長度可以增大篩面處理能力和篩分效率。但是篩面寬度越寬，篩機(jī)的橫梁撓度變形就越大；篩箱的長度越長，其側(cè)板的橫向擺動變形量越大，這些都會導(dǎo)致振動篩的可靠性差，使用壽命短。

以往設(shè)計主要是考慮應(yīng)力應(yīng)變的靜強(qiáng)度設(shè)計方法，按照經(jīng)驗(yàn)選型或設(shè)計承重梁和加強(qiáng)梁等，忽視了振動篩振動的動態(tài)結(jié)構(gòu)特性。實(shí)際上，由于梁跨度很大，激振器強(qiáng)交變載荷和物料沖擊的聯(lián)合作用下的激振器大梁、承重梁或加強(qiáng)梁的彈性變形都將引起側(cè)板的彎扭變形，進(jìn)而導(dǎo)致篩體結(jié)構(gòu)整體剛度的減弱及可靠性的降低。目前，動態(tài)設(shè)計開始被廣泛使用。動態(tài)設(shè)計是在靜強(qiáng)度設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用ANSYS、ADAMS等軟件對振動篩交變載荷下的動力響應(yīng)進(jìn)行模擬仿真，結(jié)合實(shí)際動態(tài)測試結(jié)果，識別結(jié)構(gòu)局部易損處，再對此處的結(jié)構(gòu)、材料完善來提高整體的可靠性。對于振動篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用SolidWorks等三維建模軟件進(jìn)行零部件的設(shè)計和振動篩裝配，會更加直觀。

3.2 注重環(huán)保節(jié)能

經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時，能源的消耗量大大增加，帶來的環(huán)境問題也愈加嚴(yán)峻，反過來制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。振動篩的設(shè)計需要更多地考慮對環(huán)境的影響，主要包括降噪、防塵和節(jié)能。目前降低噪音的主要方法是隔聲、吸聲、消聲和減振。振動篩的噪聲主要來源于物料與篩面的撞擊聲、金屬彈簧的振動噪聲以及激振器的噪聲。通過使用橡膠彈簧和聚氨酯篩板可以有效地降低噪音，在激振器上安裝保護(hù)罩也有一定效果。振動篩分還會產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，使用防塵罩或防塵布進(jìn)行密封可以避免污染車間環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。一些新式設(shè)備比如弛張篩，應(yīng)用近共振振動理論，在節(jié)能方面效果比較突出。

3.3 智能化

隨著“中國制造2025”概念的提出，智能化已經(jīng)成為新一輪工業(yè)革命的主題，智能化選煤廠的建設(shè)就要求生產(chǎn)設(shè)備的智能化。通過對物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)振動篩智能控制，根據(jù)給料的不同來調(diào)整參數(shù)，柔性的對不同入料進(jìn)行篩分；構(gòu)建專家系統(tǒng)，對現(xiàn)場復(fù)雜的情況進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測和故障診斷，可以提前發(fā)現(xiàn)即將出現(xiàn)的問題并加以處理，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，避免因?yàn)樵O(shè)備損壞造成巨大損失。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)化

提高振動篩分機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化水平，是便于設(shè)計、組織專業(yè)生產(chǎn)、保證質(zhì)量和降低成本的途徑。零部件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，就可以組織專業(yè)化生產(chǎn)，大大降低成本，提高企業(yè)效益。實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化也是實(shí)現(xiàn)選煤廠自動化、智能化的前提條件。

4. 展望

我國的振動篩分設(shè)備在過去的40年內(nèi)發(fā)展十分迅速，在各方面都有了長足進(jìn)步，但是許多先進(jìn)技術(shù)都是在引進(jìn)國外技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析研究得到的，而且我國大型化設(shè)備的可靠性相比國外先進(jìn)產(chǎn)品仍有所不足?，F(xiàn)階段，我國國力強(qiáng)盛，國家大力支持科研創(chuàng)新，廣大學(xué)者應(yīng)該深入研究篩分理論和振動理論，充分利用現(xiàn)代化設(shè)計方法和新興科技，深度創(chuàng)新，研制結(jié)構(gòu)形式更加合理的大型高效篩分機(jī)械。

來源：《選煤技術(shù)》2019年第1期