振動清理篩的研究現狀與發展探討

李永祥 高 燕 任曼曼

（河南工業大學，河南 鄭州 450007）

隨著經濟、工業生產的發展及科學技術的進步，振動清理篩因其結構簡單、工作效率高，成為篩分機械發展的主流，并廣泛應用于煤炭、糧食、石油化工、采礦、冶金、輕工、建筑和交通運輸等行業。如在煤炭工業部門，用直線振動篩對精煤和末煤進行脫水及脫介；在糧食清理行業，振動清理篩廣泛應用于清除谷物中的大、中、小雜質；在冶金工業部門，采用圓振動篩對礦石進行預先篩分和檢查篩分，用振動細篩對磨礦機的產品進行分級，以便提高精礦品位等等。

盡管振動清理篩在各行業中均發揮著重要作用，但是，目前我國振動清理篩在使用過程中仍存在許多問題，如篩分效率低、噪聲大、可靠性差、制造精度差、更換部件復雜等。這些問題的存在影響了振動清理篩的實際生產需要，因此，本文通過對篩分理論及篩分機械研究現狀的概述，總結了目前國產振動篩分機械使用中存在的問題，并給出相應的建議措施，希望能為清理篩的發展提供參考。

1 篩分機械的分類

實際應用中的振動篩種類繁多，分類的標準也不盡相同。目前，篩分機械根據實際應用中篩面是否運動，可以分為兩大類：固定篩和活動篩。

固定篩安裝時篩面與地面成一定傾角，工作時篩面固定不動，物料在自身重力作用下實現運移分級。固定篩大多用于物料的預先粗篩，使用局限性比較大。活動篩安裝時篩面與水平面成一定傾角，工作時篩面在激振力的作用下做不同形式的運動，物料在重力、篩面摩擦力、系統慣性力等合力的作用下實現運動分級。活動篩既可以用于物料粗篩，也可以用于精篩，因此得到了廣泛的應用。活動篩按照激振方式的不同，可以分為偏心塊激振、激振電機激振和電磁激振三種；按照振動軌跡又可以分為直線振動篩、圓振動篩、橢圓振動篩及復合軌跡振動篩等。

2 振動篩分理論的研究現狀

2.1 物料透篩概率的理論模型研究

物料的篩分過程是一個極其復雜的隨機過程，其基本原理是物料的透篩概率理論。國內外許多學者從不同的方面進行了研究。F.Mogensen通過對球形顆粒傾斜投射到傾斜篩面上時運動特性的研究，提出了理論透篩概率的計算公式[1]；聞邦椿通過對顆粒粒度相同的粒群進行透篩概率的分析，得出了物料透過不同傾角篩面時的透篩總概率和物料透過多層篩面時的透篩總概率公式[2]；陳清如等運用概率統計學的方法研究了物料的篩分過程，并建立出物料群沿著篩面長度的透篩概率分布模型[3]，為篩分理論的進一步深入研究提供參考依據。

2.2 物料在篩面上運動的基本理論模型研究

物料在篩面上的運動是否合理，直接影響振動篩的篩分效率及生產能力。準確分析物料的運動狀態，建立正確的物料篩分理論對提高篩分效率是至關重要的。因而，許多學者對此進行了研究。李建平等對物料在清選篩面上被拋起時的動力學特性進行了分析，得出了物料拋起時的運動特征界限值，建立了數學模型[4]；張認成、桑正中運用變質量系統的基本原理，建立軸流脫粒空間內谷物運動的非線性力學模型[5]，該模型具有實用價值，利于確定設計參數。

2.3 新型篩分方法的研究

傳統的篩分方法中，喂料端物料層比較厚，進料口處的物料不能迅速均勻地散開，從而影響了物料的分層速度及小顆粒物料的快速沉降等。為了提高清理篩的篩分能力和篩分效率，涌現出一些新的篩分方法，如等厚篩分法，等厚篩分原理是通過在入料端對物料施加較大的加速度或提供較大的篩面傾角，使物料獲得較大的運動速度或者拋射強度，來實現物料的快速分層；概率篩分法是由瑞典人Mogensen提出的，它是根據物料透篩的統計概率原理將振動篩設計成多層變傾角及條形變尺寸篩孔，采用多層大傾角及條形大網孔，可使物料迅速分層進而實現快速篩分，提高篩分效率等[6]。

3 振動清理篩的發展與研究現狀

3.1 國外振動清理篩的發展與研究現狀

國外對振動篩的研究起步較早，英國于十六世紀最先開始了篩分機械的研究，并研制出第一臺煤用振動篩。工業革命時期振動篩得到飛速發展，十九世紀已出現多種振動篩。目前國外振動篩已經發展到相當高的水平，并形成了不同系列的產品。如德國KHD洪堡.威達克公司（KHD Humboldt Wedag International Ltd）篩分設備的產品已達到200多種規格，并且具有較高的通用化程度。

隨著計算機輔助設計技術和先進制造技術的發展，篩分機械開始出現了大型和超大型的振動篩。如日本神戶制鋼所制造的ZK3675和ZK36752大型振動篩的處理能力已達到500t/h，均具有可靠的性能及應用價值，體現出國外企業在振動篩的大型化研究方面已經取得較好的成果。

振動篩于篩網數目方面已經從最初的20、40目發展到200目以上的超細目篩網，主要用于水利、鉆井等行業的物料脫水。Derrick公司對國外發展出的新型篩網—波紋錐形篩網進行了改進，并將其應用在Derrick直線篩上，從而使此篩的處理能力比其原型篩提高70%以上。

在二十世紀五十年代國外開始研發適于篩分物料粒徑小于0.5mm的高頻振動篩，如申克公司研制的SLV型高頻振動脫水篩、諾德伯格公司生產的HF型高頻振動篩等，均具有篩分效率高、工作性能穩定、使用壽命長等優點，但同時也存在著性價比不高、價格昂貴、處理量不大等缺陷。

3.2 國內振動清理篩的發展與研究現狀

3.2.1 國內振動清理篩的發展

由于我國的經濟基礎比較薄弱，篩分機械的研究起步比較晚，主要經歷了以下幾個發展階段：

（1）振動篩的仿制階段。建國初期我國使用的振動篩均是從國外引進的，如蘇聯的BKT型搖動篩，波蘭的WK—15型圓振動篩等，國內以洛陽礦山機械廠、上海冶金礦山機械廠為主的幾個單位對其進行了測繪仿制工作，并成功生產出慣性篩、自定中心篩及SSZ系列的直線篩，為我國篩分機械的發展奠定了基礎。

（2）獨立研制的階段。1967年北京煤礦設計院與多家研究所組成聯合設計小組，成功研制出第一臺煤用振動篩，隨后對ZDM系列單軸振動篩和ZSM系列雙軸振動篩進行了設計、制造；1980年鞍山礦山機械廠成功完成了K1545和2YK2145圓振動篩、YYH1836重型振動篩和2ZKB2163直線振動篩的制造，并得到了全面的應用；我國設計人員積累了上述研發的經驗，又逐步研發出共振篩、直線振動篩、等厚篩及概率篩等，并已基本滿足國內市場的需求。雖然仍存在使用壽命短、故障多等問題，但是我國的篩分機械已正式進入自主研制階段[7]。

（3）引進與提高階段。盡管二十世紀末我國已經走上了自主研發的道路，但是技術基礎非常薄弱，研發實力亟待提升，因此引進了當時國外較為先進的篩分技術，如日本神戶制鋼所的HLW型振動篩。我國技術人員通過對引進技術的分析、研究、總結、吸收，成功研制出ZK系列振動篩、ZKX系列直線振動篩及YA系列圓振動篩，并逐步完成了概率篩、等厚篩、琴弦篩等的研制，使我國篩分機械的制造與技術水平均得以提高[8]。

3.2.2 國內振動清理篩的研究現狀

伴隨著篩分理論的不斷進步，篩分機械也在飛速的發展。國內大量學者從不同方面進行了研究。上海理工大學的趙環帥等人結合三維建模軟件，利用逐步逼近方法對直線振動篩質心的確定方法進行理論分析，并用ZK3642型直線振動篩進行了驗證，結果表明此方法不僅提高了設計精度，而且縮短了設計的時間[9]；長安大學的李學武等人通過建立篩網的數學模型，并對篩網進行了靜力學分析及有限元仿真分析，分析表明可以通過增大張緊力和增設支撐梁的方式來減小篩網的彎曲變形量，從而提高篩網的張緊度[10]；孟彩茹等通過試驗研究及仿真分析方法，對振動篩進行了強度分析及壽命估算，對機械的及時檢修及更換具有指導意義[11]；趙月靜等利用PFC軟件對物料的篩分過程進行了模擬研究，得出了振幅、振動頻率、振動方向角及篩面傾角對篩分效率的影響規律，為新型篩分設備的研發提供參考[12]。同時，國內篩分制造企業的技術人員也進行了大量研究，如2008年河南太行振動機械股份有限公司研制出單機處理量達200t/h的大型振動篩；2009年鞍山重型機器股份有限公司研制出處理量達2500t/h的大型香蕉振動篩等，為篩分機械的發展指引方向。

4 存在的問題及改進措施

隨著社會經濟的快速發展和篩分機械在各行業的廣泛應用，國產振動篩存在的問題也逐漸顯露出來。

4.1 篩分效率低。目前國產振動篩篩分效率低的原因主要為：（1）篩面結構參數方面：篩面開孔率低、篩面傾角過小或過大，篩面長寬比不協調。（2）物料性質方面：被篩物料中難篩物較多，物料堆積密度大，篩孔形狀與被篩顆粒形狀不符。（3）操作狀況方面：加料不夠均勻，加料量不適當等。因此，既要考慮篩面的合理設計，又要根據物料性質，選擇合適的振動篩類型，并且操作使用得當，才能提高篩分效率，同時保證篩分質量。

4.2 可靠性差。主要部件如篩框、激振電機等的早期失效，故障率高。據統計，目前國外知名品牌的振動篩，正常運行時間一般為3000h以上，大修期保證在20000h以上，而國產的振動篩多數達不到這樣的可靠性，主要根源在于制造過程中零部件的精度、質量控制保證不到位。因此，應該加強制造過程中產品可靠性的控制，以保證產品的質量。

4.3 振動噪聲大、隔振性能差。現行的降噪方法大多為緩沖、隔聲、阻尼等被動的方法，在篩機本身的工作原理與結構上沒有大的突破。振動篩是多振源的振動設備，其噪聲主要來自于激振電機及篩箱，因此，可以采用以下方法降低噪聲：振動電機與機架之間安裝隔振器，可減輕軸承部件相互碰撞的強度，降低噪聲；在篩箱的結構設計時，應考慮到側板的剛度，用適宜的剛度來減小振動，從而降低中低頻噪聲波。

4.4 設計制造精度差。設計制造精度對產品的使用性能會產生很大的影響，其中產品設計、制造材料、制造工藝、生產設備、部件裝配等問題，是造成國產振動篩與國際知名產品存在差距的主要原因。具體表現在篩面長寬、傾角及篩體振幅、頻率的設計仍是鑒于經驗，以類比設計法為主，缺乏合理性檢驗依據；篩框構件整體幾何形狀不規則、缺陷多、加工粗糙、焊接變形大等。因此，需要加強制造過程的監管、控制。

4.5 更換部件復雜。由于振動篩的工作特點，要求軸承、篩網等部件需要定時更換。但是國產振動篩的結構、工藝復雜，導致更換費時費力，影響生產。因此，急需要向標準化、系列化、通用化發展。

4.6 篩分實際應用研究欠缺。目前對于篩分數學模型的研究為數不少，但基本是對已知的篩分結果進行仿真擬合，并不能全面描述實際篩分條件與篩分效果間的關系，因此，建立合理、完善的篩分數學模型，找出物料特性、篩體振動特性、篩面結構參數之間的關聯并進行優化，對于提高篩分效率、保證篩分質量意義深遠。

5 振動清理篩的發展方向

綜合目前國內外篩分機械的研究動向，振動篩分機械將向著以下幾個方向發展：

（1）篩分機械標準化、系列化、通用化。篩分機械的“三化”發展，不僅便于設計，而且有利于專業化生產、降低制造成本及保證產品質量。

（2）大型化成套化。工業的現代化進程促使企業規模增大、生產能力大大提高，需要大型化、成套化、高振動強度的篩分機械與之匹配，以滿足生產能力與篩分效率不斷提高的要求。

（3）篩面運動方式的合理化。合理化的運動方式是指在垂直方向上，入料端的振幅大于出料端的振幅，而在水平方向上物料從入料端到出料端的速度遞減。這種合理化的篩面運動方式，可以提高篩機各區段和整機的效率。

6 結論

通過對振動篩分理論及振動篩分機械研究現狀的概述，分析了國產振動清理篩目前存在的問題并給出相應的改進措施，提出振動清理篩應向著標準化、系列化、通用化等方向發展，同時應深入研究篩分理論，加強篩分設備關鍵技術研發，發展新型篩分設備，提高我國篩分設備的設計、生產及制造水平。

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