大型異線性振動篩的研究與應用

付超魁，李 平

（河南平煤股份田莊選煤廠，河南 平頂山 467013）

異線性振動篩是應用非線性振動原理，工作在共振點之前的共振區內，而一般直線篩是利用線性振動原理，工作在共振區之后的區間。異線性振動篩與其他振動篩相比具有節能、工作平穩、動反力小、結構緊湊等優點。

一、異線性振動篩的原理

異線性振動篩是在接近共振條件下工作的。異線性振動篩所以能在共振區附近工作，是因為采用了非線性彈簧，使彈性系統的振動，從線性振動變為非線性振動。根據機械振動學的理論，在非線性振動系統中，篩分機的自振頻率不是定值，它隨篩分機振幅的變化而改變，同時，非線性振動可使篩分在振區附近工作時的振幅變得穩定。圖1為非線性振動篩分機的振幅與頻率特征曲線，亦稱非線性振動曲線。從圖1可知，在非線性振動條件下，異性振動篩能夠得到較為平穩的振幅。

異線性振動篩是利用連桿上裝有彈簧的曲柄連桿機構驅動，其構造及工作原理見圖2所示。當電動機帶動裝置在下機體上的偏心軸轉動時，偏心軸使連桿作往復運動。連桿通過其端的彈簧將作用力傳給篩箱，與此同時下機體也受到相反的作用力，使篩箱和下機體沿著傾斜方向振動。篩箱、彈簧及下機體組成一個雙質量的彈性系統，該彈性系統固有的自振頻率與傳動裝置的強迫振動率接近或相同時，使篩子在共振狀態下沿著一定的方向角作往復直線運動，物料便沿著篩面進行篩分和脫水。異線性振動篩的工作過程就是系統內的動能和勢能相互轉化的一個過程。當篩子和機架的運動速度和動能達到最大值時，主振彈簧的壓縮量和勢能則減到最小值；當篩子和機架的運動速度和動能等于零時，主振彈簧的壓縮量和勢能則達到最大值，如此反復變化，使篩子獲得連續振動。篩子在每次振動中只需補充少量的克服阻尼所需的能量就足夠了，所以異線性振動篩的動力消耗比其他類型的篩子要低的多，且噪聲小，相對傳給基礎的振力也小。

二、大型異線性振動篩的發展歷程

異線性振動篩具有處理能力大、篩分效率高、耗電少、結構緊湊、能耗小、噪聲低等優點。田莊選煤廠大型異線性振動篩是在共振篩（尤其是30m2共振篩） 不斷應用、不斷提高的基礎上發展起來的。共振篩在我國20世紀60至70年代得到了較多應用，但由于當時研究水平的局限性，以及一些材料和生產條件的限制，特別是彈性系統的設計、制造工藝和質量水平等發展較為緩慢，阻滯了共振篩的進一步發展。但隨著科學技術的發展，尤其是計算機在工業設計中的廣泛應用、非線性振動理論的研究發展、一些新材料和新工藝的使用以及環保對噪聲的關注，新一代的高效低能耗的大型異線性振動篩將引起人們的再次重視，并將得到新的推廣和發展。同時，目前進口大型直線振動篩存在造價高、備配件昂貴、能耗高故障多的問題，國產大型直線振動篩（尤其18m2以上直線振動篩） 在設計制造上仍存在諸多缺陷，故障率較高，這些也為大型異線性振動篩發展提供了契機。

平煤股份田莊選煤廠于1970年由我國自行設計建成投產，設計處理能力370萬t/年。建廠初期絕大部分篩分設備采用共振篩，直到20世紀90年代，15m2和30m2共振篩一直都是主要生產設備之一。由于前面提及的一些原因，這些共振篩也是問題較多的設備，由于生產需要，廠里被迫采用多種篩分機械替代，如蘇式篩、ZK系列直線篩等，但均不理想。田莊選煤廠幾十年來堅持不懈對30m2共振篩進行研究攻關，不斷完善，基本滿足原煤分級要求，但對于脫介及單位處理能力上仍亟待提高。

通過30m2共振篩在田莊選煤廠長期的生產、維護和應用，為大型異線性振動篩發展積累了寶貴經驗。筆者認為影響異線性振動篩發展的制約因素主要有以下幾個方面。

（1）彈性系統問題。異線性振動篩對彈性系統要求較高，這基本成為制約異線性振動篩發展的主要因素。彈性系統性能、結構有待于進一步優化提高；彈性元件使用量大、要求高，由于制造存在不同差異，給設備調試、維護工作帶來困難；另外由于市場需求不大，相應科研機構和生產企業對這方面的研究和投入不多，也影響進一步發展。

（2）對調試、維護人員要求高。與直線振動篩相比，異線性振動篩彈性系統有一定調整難度，對維護人員要求較高。以30m2共振篩調整為例，需要進行以下幾個方面的工作：①連桿彈簧調整。如調整不正確會造成啟動異常、篩分效果差等結果；②線性主振彈簧的調整。如調整不正確會造成啟動力矩異常、物料走料異常、彈簧和篩框壽命縮短等后果；③篩箱兩側非線性彈簧間隙的調整。如調整不正確會造成振幅超限、支撐板簧折斷或篩分效率差等后果。

（3） 篩子設計、加工制造、使用中存在的一些問題。如：篩子梁斷、板簧螺栓斷、后篩箱易斷裂、出料舌頭易斷裂、主振彈簧彈性差易老化等。

三、大型雙層異線性振動篩在田莊選煤廠的創新及應用

1.田莊選煤廠32m2雙層異線性振動篩的創新點

（1）應用非線性動力學理論提出了大型篩分機械運動學與動力學參數的計算技術,為設計高效節能異線性振動篩的工作點（振次和振幅）提供了設計方法。

（2）給出了大型非線性異線性振動篩組合參數（線性剛度、非線性剛度、碰振間隙、激勵頻率與幅值、導向剛度、支撐剛度等）的非線性優化方法和相應技術。

（3）提出了新的大型非線性異線性振動篩的結構參數調整技術，包括異線性振動篩支撐簧安裝技術、上下篩體的質心和導向板簧調整技術、串聯橡膠線性簧的安裝調整技術和非線性碰振簧安裝調整技術；改進安裝和調試技術，如篩體質心調整、各彈性元件安裝方法等，解決了彈性系統元件多，調整難等問題。

（4）通過簡化模型和非線動力學理論分析，將理論分析、數值計算與現場測試相結合，找到了理想的工作點（振幅，振次）時系統最佳動力學參數的設計方法。并通過試驗結果對有限元模型進行了修正，研究了大型篩分機械的動態強度和剛度問題，提出了結構優化設計方案，并進行產品優化設計加工。

32m2雙層異線性振動篩（2ZYS4375型） 是目前國內最大的新型異線性振動篩。在對原30m2雙層共振篩的計算分析和實驗研究基礎上進行了“三優”設計（包括彈性系統的非線性動力學參數設計、動強度優化設計和剛度優化設計）。通過對32m2雙層異線性振動篩的“三優”設計，給出了結構動應力分布規律和模態頻率分布規律，通過動力學參數優化，最終確定了該異線性振動篩的最佳工作參數，為設計制造提供了理論支持。

2.異線性振動篩安裝應用

（1）安裝基礎底梁。首先清理基礎水平，安裝底梁，擰緊固定螺栓，并進行水平找正。尤其是篩子的橫向水平，必須嚴格要求，其誤差不超過1/1 000mm。當出現底梁與基礎有較大間隙和不水平時，可增加楔鐵，找正、緊固后，可與底梁焊接牢固。

（2）安裝支撐彈簧。按照圖紙要求再次校對各支撐彈簧間距，使間距嚴格對稱平行。支撐彈簧剛度應調整基本一致，否則將引起篩相橫向擺動和基礎受力不均。

（3）安裝上下篩框，連接板彈簧。在連接固定板彈簧時，應按順序對稱組裝，并使上下篩框保持平行一致。①上下篩箱上下對齊，中間距一致，上下篩箱支板彈簧座在一個平面上，上篩箱的主振彈簧座（方鋼座）的中心線必須與下篩箱觸頭座的中心線在一條直線上。②支撐彈簧垂直于篩箱，壓縮尺寸誤差為±1mm。

（4）安裝篩板。下篩箱使用的是扣槽式絕緣質篩板，先把扣槽緊固在篩梁上，扣槽間距尺寸誤差0.05mm，下層篩板是用螺栓緊固，篩板下面要鋪一層橡膠板，δ＝10～12mm，防止篩板松，保護篩梁面。

（5）安裝主振彈簧，臨時擰上螺帽，調主振彈簧用2～3mm鋼板測量出各彈簧間的間隙，必須一致，如不一致可用開口墊片調整。最后調試運行后，再緊固好螺帽，并擰緊備帽防松。

（6）安裝電動機和偏心傳動裝置，連接彈性傳動連桿。裝傳動大軸時用鐵墊片把兩邊軸承座找平，緊固后大軸轉動應靈活無磨損現象。偏心塊的中心線與上篩箱串簧座中心線的誤差±0.05mm。裝上連桿彈簧，戴上螺帽，預緊量試運行中調試好后，緊固好螺帽，并擰緊備帽防松。電動機與偏心軸上三角帶輪槽應平行一致，其誤差不應大于±1mm。

（7）試車。檢查篩箱各部位沒有碰、擦現象，即可以空載8h試車。試車時上下篩箱應平穩，各部振幅為12～14mm。如振幅有誤差，可調整主振彈簧間隙，即振幅小，間隙調大；反之，與其相反?？蛰d試車后，檢查篩子各連接件、緊固件及彈性元件間隙是否正常，如正常，即可加載重負荷試車，重負荷連續運轉應不少于24h，之后，即可投入正常使用。

田莊選煤廠32m2雙層異線性振動篩（2YZS4375型）2005年3月至2006年5月完成設計、制造、安裝工作，2006年6月進入調試、試運行階段,并納入正常生產系統投入生產（設備位置編號315＃原煤分級篩），2YZS4375型篩主要技術指標：篩面尺寸4 300mm×7 500mm，篩面面積32m2，雙層，頻率13.3Hz，振幅（雙）10～16mm，最大給料粒度300mm，處理量400t/h，總重量34.27t。經過近4年的現場使用，性能基本滿足生產需要，存在問題主要有橡膠主振彈簧質量不穩(不同批次質量有差異)，給維護帶來一定困難，亟待今后進一步完善。

四、結束語

國內最大的32m2異線性振動篩(2YZS4375型)的制造、安裝與應用標志著田莊選煤廠大型異線性振動篩的研究工作已步入一個新的高度，將對我國異線性振動篩領域的發展進步起到積極的推動作用，為我國篩分機械的大型化、國產化提供新的發展思路，同時也為選煤廠篩分機械提供了新的選擇。

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