F系列復合振動篩技術研究與工業應用

趙環帥 尹德奪

(1.中國冶金礦山細粒篩分機械工程技術研究中心，河北省唐山市，063020;2.唐山杰斯德科技有限公司，河北省唐山市，063020)

細粒物料篩分分級是現代礦業物料生產加工的普遍需求，在黑色金屬選礦領域，隨著礦產資源的大規模持續開采利用，粗粒嵌布、易磨易選的鐵礦石資源已不能滿足日益增長的市場需求，而細粒嵌布、難磨難選礦石的開采利用比重日趨增大則對選礦技術和設備提出了更高的要求。同時在煤炭洗選、玻璃陶瓷、化工化肥等各行業的細粒物料的篩分分級作業中，對設備篩分分級精度、篩分效率和處理量等方面也都提出了更高的要求。國內其它各類篩分設備，有尼龍篩片固定篩、弧形篩、直線篩、電磁篩、高頻振動細篩等，一般在篩分效率和處理量上各顯不足。國外高頻細篩(重疊式高頻細篩)是振動電機驅動的整機振動式細篩，有直線振動和圓運動振動，屬于傳統振動模式，國內已有應用，但價格十分昂貴，且效果褒貶不一。因此，市場迫切需要尋求性能更優越的細粒物料篩分、分級、脫水處理技術和設備。

1 總體思路

細粒篩分設備在各行業粒度分級作業方式有干法和濕法篩分兩類，常用篩孔尺寸為：冶金選礦行業磨后分級為0.056～1 mm，建材的矸石制磚、石英砂制玻璃、化工制堿分級為1～4 mm，選煤末煤分級為3～13 mm，物料脫水作業有尾礦脫水、煤泥脫水、石英砂脫水等，常用篩孔尺寸為0.3～1 mm。細粒物料篩分分級和脫水作業中，篩網易堵現象直接造成作業率低以及能耗高等弊端。在多年研究細粒物料篩分分級技術和設備經驗基礎上，把新穎的結構特征、傳統的振動理論和傳動方式進行有機結合，研發一種新型復合振動篩分機械系列產品，篩機設計為雙振動源驅動，既設置有振動電機組，又設置有電磁激振器。振動電機驅動篩箱或篩箱單元組合使篩網產生直線振動，電磁激振器驅動傳動系統和振動系統形成敲擊振網振動。在兩者共同作用下，篩網上的物料層同時參與相對篩面有一定拋射角的機械直線振動和垂直于篩面的高頻電磁振動。物料在復合振動作用下，不僅具有良好的向前拋擲輸送能力，而且可獲得更高的透篩率，其結果是篩機單位面積處理能力和篩分效率顯著提高。篩機的篩箱有單層和疊層(篩箱單元組合)并聯兩種布置方式，篩箱傾斜安裝，可根據所處理物料的性質調節篩面傾角。配置PLC和現場觸摸屏(HMI)設計的多功能及遠程控制系統，應用互聯網通訊技術，基于標準TCP/IP工業以太網協議，通過單模光纖通訊傳輸，實現遠程計算機對多臺篩機群組的工作參數集中控制和管理，包括設備振動振幅調整、瞬時強振振幅和時間間隔調整、篩網使用累計自動計時、篩網過期更換提示、實時電路故障報警、篩機工作和故障歷史查詢等多項功能，具有高抗干擾能力和可靠性，能在惡劣環境下長期穩定運行。

2 技術方案

2.1 工作原理

(1)篩機的直線振動模型為單自由度受迫振動，參振質體是篩箱或篩箱單元組合部件，復合振動篩中篩箱通過兩次減振置于基礎上，2臺振動電機構成一對振動電機組，與篩箱剛性聯接。振動電機組輸出的激振力合力為直線振動系統提供激振力，激振力的大小按照工作振幅、振動頻率、參振質量等參數需求設計。振動方向角等于激振力合力方向與篩面的夾角，即振動電機安裝平面與篩面夾角的余角，振動頻率取決于振動電機轉速。設計驗算直線振動頻率與篩機固有頻率之比為z=4～6，工作點為遠超共振狀態。直線振動為物料篩分和輸送提供主要動力，直線振動的最大振幅、頻率、振動方向角、篩箱安裝傾角等重要參數均可根據用戶的工藝要求作為篩機設計的輸入參數。

(2)電磁振動由電磁激振器提供激振力，驅動傳動裝置帶動振動機構實現篩網振動，電磁振動的振動強度設計驗算為6.5～8.0。由電磁驅動的篩網高頻振動除起到促進物料透篩的作用外，特有的電磁高強瞬振功能具有清理篩網以及防止網孔堵塞作用。電磁振動系統工作點處于近共振狀態，故以較小能耗即能達到所需的工作振動參數需求，從而實現高效節能的目的。電磁激振器及振動系統原理如圖1和圖2所示。

圖1 Ma型電磁激振器原理示意圖

圖2 振動系統原理示意圖

電磁激振器是電磁振動的核心部件。電磁振動由電磁激振器驅動振動系統, 使振動系統中振動帽產生振動，從而使托在振動帽上的篩網產生振動，篩框基本不動。振動系統處于近共振狀態工作，用較小的動力即達到所需的工作參數。篩面振動強度為8～10倍重力加速度，是一般振動篩振動強度的2～3倍。每組激振器功耗小,Ma型激振器有功功率僅為150 W，Mc型激振器有功功率為400 W。篩箱兩側板處有單個激振器或若干組激振器，每組激振器帶動一組或多組振動系統，激振器將激振力傳輸至振動桿，由振動桿帶動振動軸，最后傳至振動帽，由振動帽激振篩網，使篩面產生高頻振動，篩面振動參數由控制柜控制，每組激振器單獨調節，以滿足篩面不同部位振動要求。激振器具有瞬間強振功能，以便隨時清理篩網，減少網孔堵塞。

2.2 結構特點

F系列復合振動篩主要由機架、篩箱單元組合、篩上篩下收料槽、彈性裝置(剪切彈簧)、底座、檢修臺、給料箱、電控柜、振動電機組組成，F系列復合振動篩結構如圖3所示。

1-機架；2-篩箱單元組合；3-篩上篩下收料槽；4-彈性裝置(剪切彈簧)；5-底座；6-地基；7-檢修臺；8-給料箱；9-電控柜；10-振動電機組圖3 F系列復合振動篩結構

2.2.1 篩箱及篩箱單元組合

篩箱單元組合由單層或多層篩箱、振動電機組、連接梁等部件組成。若干個篩箱通過連接梁用緊固件實現剛性連接，篩面與水平面成適當傾角以便于物料的流動。篩箱間距既要便于觀察篩面物料情況、更換篩網等操作,又要減小占地面積和空間高度。振動電機組安裝在上層篩箱上。篩箱單元組合部件具有剛度高、工藝性好、結構簡單、緊湊、重量輕等特點。

單層篩箱由篩框、振動電機組、電機振動梁等部件組成，篩箱設計有單通道和雙通道形式，篩面分單層或雙層形式，雙層篩面篩機的上層篩面由不銹鋼焊接篩網焊接制成，主要起粗粒物料的隔粗、保護篩網、一機能出多種產品的作用。振動電機組安裝在電機振動梁上，電機振動梁是篩箱的重要部件，其結構參數經過理論計算和大量的試驗而得，復振篩與電磁篩相比主要優勢在于處理能力加大，適用范圍廣。

篩箱主要包括篩框、振動電機組、篩網、電磁激振器、振動系統等部件。根據用戶對設備耐磨、防腐能力的需求和成本的考慮，可以選擇篩箱表面噴涂油漆或噴涂聚氨酯處理，后者具有更高的耐磨、防腐能力。

篩網由工作網和下方的托網組成。根據用戶對篩網使用壽命周期和投資成本的考慮，工作網可以選擇不銹鋼細絲編織復合網或聚氨酯條縫式柔性篩網，兩種篩網具有良好的互換性。聚氨酯柔性篩網耐磨性強、使用壽命長達6個月左右，價格相對較高；不銹鋼絲編織復合網由兩層不同孔徑的篩網復合而成，質量較輕且價格較低，此種篩網開孔率高達33%左右，篩分效率高達70%～75%。與振動帽直接接觸的為鋼絲繩芯聚氨酯網，稱為托網。其主要作用是傳遞和均布激振力，保護工作網，并提高工作網的剛度。篩箱中托網和工作網的張緊機構有橫向和縱向兩種形式，特別設計的快速裝卸張緊機構使更換篩網作業更為輕松和便捷。對于特殊要求的雙層篩面篩箱，其上層不銹鋼楔形絲焊接篩網可起隔粗作用，保護下層工作網，延長工作網使用壽命，同時可減輕工作網的負荷，提高單機處理量和篩分效率。

2.2.2 彈性系統

彈性系統由若干個橡膠彈簧組成。把篩箱或篩箱單元組合彈性支撐在機架上，緩沖篩箱或篩箱單元組合工作時對地基的動載荷，尤其是在啟動和停車過程中通過共振區時形成的共振動載荷，減振系數達90%以上。充分利用橡膠彈簧各方向剛度不同的特性，使彈性系統在有效減輕對地基動載荷的同時，又能有效抑制篩箱或篩箱單元組合的橫向振動。

單層復振篩經兩次減振彈簧減振，一次減振彈簧置于機架上，篩箱或篩箱單元組合放置在一次減振彈簧上，保持減振彈簧的垂直性，否則將影響篩機的振動平穩性；二次減振彈簧放置于地面與機架之間，主要消弱對地面的沖擊載荷。

2.2.3 機架

機架為型鋼框架結構，是篩機各部件的安裝骨架，機架通過二次減振彈簧直接放置于地面上。

2.2.4 篩上篩下物收料槽

篩上篩下收料槽是鋼板制造的箱形結構，用于收集每層篩箱篩分后的篩上和篩下物料。為了提高其耐磨性和耐腐蝕性，礦漿直接沖刷的內表面噴涂聚氨酯襯耐磨橡膠板。

2.3 工作點確定

(1) 直線振動工作點在遠超共振區，直線振動頻率與篩機固有頻率的比值為4～5。

(2)電磁振動在低于共振點的近共振區工作, 電磁振動頻率與電磁振動系統固有頻率的比值為0.9。篩面振幅較小,但振動強度高,從而避免篩網堵孔現象，提高了篩分效率。

3 動力學分析

F系列復合振動篩正常工作時，同時存在2種振動：篩箱的直線振動和電磁激振篩網振動。因兩者參振質量和激振力差異較大，彈性系統的剛度、振動頻率不同，振動工作點相差較遠，故兩種振動各自獨立、互不影響。

3.1 直線振動動力學分析

F系列復合振動篩直線振動振體是獨立篩箱或篩箱單元組合，提供激振力的振動電機剛性緊固在電機振動梁上，由電機振動梁再緊固在篩箱上或直接緊固在篩箱單元組合的上層篩箱上，篩箱通過橡膠彈簧與機架聯接，機架再通過二次減振置于地面上，其振動力學模型如圖4所示。其中，參振體質量為M1,激振力為F(t)，彈簧剛度K為各彈簧剛度之和，橡膠彈簧有一定的阻尼存在，阻尼系數為C。篩箱在2臺振動電機產生的激振力合力作用下，產生單振體單自由度受迫振動。振動方向角與激振力的合力方向相同，振動頻率等于激振力頻率，是振動系統固有頻率的4～5倍，工作點為遠超共振區域。

圖4 直線振動力學模型

3.2 電磁振動動力學分析

F系列復合振動篩電磁振動中振動桿、快裝振動帽等部件的運動都是繞振動軸軸線做扭轉振動。電磁振動力學如圖5所示。

圖5 電磁振動力學模型

這是一個雙質量雙自由度受迫振動。由于參振質量M2遠大于參振質量M1，所以質量M2的振幅要遠小于M1，此時可以近似視為M2不動，電磁振動對篩箱單元組合的直線振動影響很微弱，可以忽略不計。

適當的確定M1、M2之間主振彈簧的剛度K，可以使系統的振動處于近共振狀態，這樣可以通過較小的激振力來獲得所需要的振幅，功率消耗也可以大大減少。

4 技術優勢

F系列復合振動篩主要用于替代目前黑色冶金選礦行業市場應用的細粒篩分分級設備，如固定尼龍細篩、高頻振動細篩、高頻電磁振網篩等。被F系列復合振動篩產品所替代設備的主要缺點見表1。

表1 被F系列復合振動篩產品所替代設備的主要缺點

F系列復合振動篩產品的技術優勢為：

(1)獨創應用不同振動頻率雙振源驅動復合振動模式，其電磁振網振動強度為6～10，瞬時強振自清理篩網，篩網孔不易堵塞，單位篩面面積處理量為6～14 t/(m2·h)，篩分效率為70%以上；

(2)篩網可供選擇，不銹鋼絲編織復合細篩網使用壽命約為480 h，聚氨酯篩網使用壽命約為5000 h；

(3)配置數字化多功能及遠程集中控制系統，符合數字化礦山的未來發展需求；

(4)產品價格及運行成本僅為進口設備的40%，配件供應充足；

(5)單層篩網面積最大增至6 m2，單機最多篩箱疊放5層，節省占地；

(6)二次減振，對設備基礎的動載沖擊可忽略不計。

5 主要創新點

(1)自主研發了雙通道布置篩面的F系列復合振動篩。

(2)獨創應用雙激振源激振方式，將垂直于篩面的敲擊振動和與篩面成一定交角的直線振動相結合，實現篩網的復合運動，在保持電磁篩對細粒級物料高效率分級的前提下，明顯提高了處理能力。

(3)開發了具有遠程通訊與集中控制功能的控制系統，實現了篩分系統工藝參數計算機管理。

(4)開發了一種新型結構的高頻電磁篩用電磁激振器，兩側銜鐵均受電磁力和主振彈簧的共同作用產生高頻振動，并通過傳力螺栓和振動桿分別驅動一個或多個振動機構，零部件之間的作用力小，可靠性高，有效提高電磁篩的整體性能。

(5)開發了一種振動篩篩箱減振彈簧，極大地提高了彈性塊與端板貼附的牢固程度和抗剪切能力。

6 實施效果

目前，F系列復合振動篩已在全國數百家選礦、選煤企業現場推廣應用，用戶分布20個省市自治區。具有處理量增大、篩分效率提高、節省占地空間和節能環保的優勢，應用效果表明，主要技術指標達到計劃任務合同數要求。主要技術指標完成情況見表2。

表2 主要技術指標完成情況

目前，電磁振動高頻振網篩在國內市場選礦工程應用中，單位篩面面積處理能力平均為4～5 t/(m2·h)，而F系列復合振動篩在多次現場生產應用試驗中，單位篩面面積處理能力達到6.8～14 t/(m2·h)，最大處理量可達14 t/(m2·h)以上，較單層電磁高頻振網篩單位篩面面積處理量可提高約50%，顯著提高篩分效率。F系列復合振動篩進入市場后已逐步替代現有電磁振動高頻振網篩，是電磁振動高頻振網篩的技術升級和更新換代產品。

7 效益分析

F系列復合振動篩自2011年3月開始對樣機進行現場應用試驗，取得了良好的應用效果，隨后開始轉入生產，并推廣應用，截至2019年5月，累計制造和推廣應用該系列產品數百臺，不僅為企業創造了較大的新增銷售額、新增利潤及新增納稅額，也大量銷售到俄羅斯、南非、澳大利亞等國外出口創匯。

F系列復合振動篩的復合振動模式有效提高了篩機篩面的物料輸送能力和透篩能力。經選礦、選煤、建材等行業市場用戶在細粒物料干法和濕法篩分分級以及脫水處理等領域進行推廣應用，實現了單位篩面面積處理量較電磁高頻振網篩提高40%～50%的良好效果。在單機處理量增大的同時篩分效率顯著提高，實現了單層復振篩篩面面積最大為6 m2，篩分效率達到70%～75%，減少了生產設備占地面積，節省了工業用地。用于煤泥脫水處理使工業廢水回收循環再利用，用于尾礦脫水運輸和干排處理，對取消尾礦壩、保護環境和保障工業安全意義重大。