單振源共振式篩篩孔尺寸對工藝效果影響實驗研究

趙環帥 ，黃勇

（1.中國冶金礦山細粒篩分機械工程技術研究中心，河北 唐山 063020；2.唐山工業職業技術學院，河北 唐山 063299）

振動篩是現代礦物加工中的重要設備，廣泛應用于礦山、煤炭、建材、冶金、制藥等各種行業。目前，在振動篩技術不斷發展的過程中，各種結構新穎、適合不同用途的振動篩大量涌現，但其中大部分是以線性振動為主，對于非線性共振技術應用較少[1-2]。共振篩出現于在20 世紀20 年代，并于上世紀50 年代正式于工業生產。其主要特點是在接近系統共振區進行工作，即工作頻率接近其本身的自振頻率，因此，共振篩可以采用較小的激振力或動力消耗來驅動較大面積或重量的篩箱。我國對于共振篩技術的研究主要集中于本世紀前后，比如：陳予恕、金志勝、霍拳忠等[3-4]在上世紀90 年代初就進行了采用理論與實驗方法研究大型雙質量非線性共振篩動力學系統，奠定了該設備動力學研究的基本方向；張功學、孟志強等[5]從影響共振式機械固有頻率各因素的隨機性、激振頻率的隨機性及共振準則的模糊性出發推導出了表達共振區模糊子集的隸屬函數及計算共振式機械模糊可靠度的計算公式；楊帥、王太勇[6]運用剛體動力學的基本理論，對一種大型非線性共振篩建立了動力學模型，分析并驗證了設備剛體運動的固有頻率；辛曉輝、曹樹謙等[7-8]針對雙層共振篩強度計算時慣性力難以施加的問題，提出了一種分別計算上下篩體強度的有限元建模技術，并對30 m2雙層非線性共振篩模態計算及動態性能評價；近幾年，國外內的一些學者開始研究反共振振動篩、雙質體振動篩的相關理論與技術[9-12]，也有部分共振篩在現場使用情況的介紹，但總體來看，由于共振篩技術仍有待完善與提高，且共振篩制造與裝配要求較高、操作與調試較難、受給料量變化的影響較大，近些年一直未能在現場得到大范圍的推廣。但由于共振篩技術自身的優點，符合未來節能環保的發展趨勢，因此，根據現代共振理論的最新研究成果，開展共振篩技術方面的研究，提高其結構可靠性、性能穩定性及工藝效果，在未來篩分技術領域具有重要意義。本文以單振源共振篩為例，研究其在0.074 ～ 0.15 mm篩孔尺寸下，處理量與入料細度（-0.074 mm）、篩下細度（-0.074 mm）、篩上細度（-0.074 mm）、篩下產率、篩分效率等相關指標的關系，以期為企業與用戶合理采用提供借鑒與參考。

1 工作原理及結構組成

單振源共振篩利用雙自由度共振原理，以振動電機組為振動源，篩箱組合在振動電機組的作用下形成直線振動，同時由于篩箱內部的振動排的自身慣性，使振動排產生一個滯后于篩箱的相對運動（敲擊篩網達到清網），且此振動頻率與篩機振動頻率處于近共振工作狀態，從而使篩箱內篩網和網上物料同時受到來自兩個不同振動方向的振動，二者合成而產生共振式復合振動。單振源共振篩主要有機架、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，其主要結構件的特點為：

（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采用緊固件進行剛性連接，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。

篩箱主要包括篩框、篩網、托網、篩網張緊裝置、托網張緊裝置、振動系統（共振彈簧座、共振彈簧硫化件、振動排）等部件。根據設備耐磨、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。

篩網由工作網和托網組成。工作網主要包括不銹鋼細絲編織復合網和聚氨酯條縫式柔性篩網兩種，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，此種篩網開孔率高達33%左右，質量輕，篩分效率高達70% ～ 75%，價格較低。托網與振動帽直接接觸，其為鋼絲繩芯聚氨酯網，主要作用是傳遞和均布激振力、保護工作網、提高工作網的剛度。為了方便更換篩網，篩箱中托網和工作網的張緊機構采用快速裝卸張緊機構。

（2）彈性裝置

彈性裝置采用了隔振及阻尼的協同效應，降低了動載荷對基礎的沖擊，達到了較佳的減振效果。彈性裝置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，同時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%，并充分利用橡膠彈簧各方向剛度不同的特性，使彈性系統既能有效減輕對地基動載荷，也能有效抑制篩箱或篩箱單元組合的橫向振動。

（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。

（4）篩上篩下物收料槽

篩上篩下物收料槽為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或耐磨橡膠板。

（5）電控柜

通過電控柜對各種振動參數采用變頻控制，對各種篩分系統工藝參數進行調節，實現遠程集中控制。

2 實驗研究

2.1 實驗設計

單振源共振篩實驗系統主要設備包括單振源共振篩、攪拌桶、渣漿泵、電磁流量計、緩沖給料箱，整套系統安裝在鋼結構架上，分三層平臺布置，其中一層為車間自身水泥地面，二、三層為特制鋼結構平面。

2.2 實驗方案

單振源共振篩實驗系統采用細粒級濕法閉路循環篩分系統，其實驗流程為：首先物料與水由攪拌桶給入，均勻攪拌后經渣漿泵打入緩沖給料箱，然后靜壓給入單振源共振篩進行篩分，篩上物與篩下物返回攪拌桶，該系統單次實驗需要物料200 ～ 500 kg，入料、篩上物、篩下物可單獨取樣，進行篩分效率考察。由于受空間高度局限，實驗系統中的篩機采用單層FG 1014 單振源共振篩，即單振源共振篩的上篩箱，其工作原理、振動參數與復合單振源共振篩完全一致，具有代表性，其有效篩分寬度為1 m、有效篩分長度為1.4 m、有效篩分面積為1.4 m2。

2.3 結果及分析

由于在礦山、煤炭等行業濕法分級中，單振源共振篩篩孔一般在0.074 ～ 0.3 mm，因此為了考察篩孔尺寸對工藝效果的影響，在單振源共振篩實驗系統中篩孔分別取常用的0.074、0.1、0.12、0.15、0.2、0.3 mm，處理量分別取2、4、6、8、12、14、16、18、20 t/(m2·h)，對應的料漿流量分別為3.5、7.0、10.5、14、17.5、21、24.5、28、31.5、35 m3，濃度40%。，經實驗后測定入料細度(-0.074 mm)、篩下細度(-0.074 mm)及篩上細度(-0.074 mm)，并計算出篩下產率、篩分效率等相關指標。

（1）0.074 mm 篩孔時工藝效果

當篩孔尺寸為0.074 mm 時， 保持一定的入料細度（-0.074 mm）（約75%），經實驗后對篩下細度（-0.074 mm）、篩上細度（-0.074 mm）進行測試、并計算出篩下產率、篩分效率，見圖1。

圖1 處理量與篩分效果關系（0.074 mm 篩孔）Fig. 1 Relationship between throughput and screening effects(0.074 mm screening hole)

從圖1 看出，隨著處理量的逐漸增大，篩下細度(-0.074 mm)基本保持恒定，篩上細度(-0.074 mm)逐漸增大，篩下產率與篩分效率均逐漸減小。當篩分效率為75%以上時，處理量可以達到8.8 t/(m2·h)。

（2）0.1 mm 篩孔時工藝效果

當篩孔尺寸為0.1 mm 時， 保持一定的入料細度（-0.074 mm）（約65%），經實驗后對篩下細度（-0.074 mm）、篩上細度（-0.074 mm）進行測試、并計算出篩下產率、篩分效率，見圖2。

圖2 處理量與篩分效果關系（0.1 mm 篩孔）Fig. 2 Relationship between throughput and screening effects(0.1 mm screening hole)

從圖2 看出，隨著處理量的逐漸增大，篩下細度(-0.074 mm)基本保持恒定，篩上細度(-0.074 mm)逐漸增大后趨于平緩，篩下產率與篩分效率均逐漸減小后稍微增大。當篩分效率為75%以上時，處理量可以達到11 t/(m2·h)。

（3）0.12 mm 篩孔時工藝效果

當篩孔尺寸為0.12 mm 時， 保持一定的入料細度(-0.074 mm)(約65%)，經實驗后對篩下細度(-0.074 mm)、篩上細度(-0.074 mm)進行測試、并計算出篩下產率、篩分效率，見圖3。

圖3 處理量與篩分效果關系（0.12 mm 篩孔）Fig. 3 Relationship between throughput and screening effects(0.12 mm screening hole)

從圖3 看出，隨著處理量的逐漸增大，篩下細度(-0.074 mm)基本保持恒定，篩上細度(-0.074 mm)逐漸增大，篩下產率與篩分效率均逐漸減小。當篩分效率為75%以上時，處理量可以達到13.5 t/(m2·h)。

（4）0.15 mm 篩孔時工藝效果

當篩孔尺寸為0.15mm 時， 保持一定的入料細度（-0.074 mm）（約65%），經實驗后對篩下細度（-0.074 mm）、篩上細度（-0.074 mm）進行測試、并計算出篩下產率、篩分效率，見圖4。

圖4 處理量與篩分效果關系（0.15 mm 篩孔）Fig. 4 Relationship between throughput and screening effects(0.15 mm screening hole)

從圖4 看出，隨著處理量的逐漸增大，篩下細度(-0.074 mm)基本保持恒定，篩上細度(-0.074 mm)逐漸增大，篩下產率與篩分效率均逐漸減小。當篩分效率為75%以上時，處理量可以達到16 t/(m2·h)。

（5）0.2 mm 篩孔時工藝效果

當篩孔尺寸為0.2 mm 時， 保持一定的入料細度（-0.074 mm）（約65%），經實驗后對篩下細度（-0.074 mm）、篩上細度（-0.074 mm）進行測試、并計算出篩下產率、篩分效率，見圖5。

圖5 處理量與篩分效果關系（0.2 mm 篩孔）Fig. 5 Relationship between throughput and screening effects(0.2 mm screening hole)

從圖5 看出：隨著處理量的逐漸增大，篩下細度（-0.074 mm）基本保持恒定，篩上細度（-0.074 mm）逐漸增大，篩下產率與篩分效率均逐漸減小。當篩分效率為75%以上時，處理量可以達到17.8 t/m2·h。

（6）0.3 mm 篩孔時工藝效果

當篩孔尺寸為0.3 mm 時， 保持一定的入料細度（-0.074 mm）（約65%），經實驗后對篩下細度（-0.074 mm）、篩上細度（-0.074 mm）進行測試、并計算出篩下產率、篩分效率，見圖6。

圖6 處理量與篩分效果關系（0.3 mm 篩孔）Fig. 6 Relationship between throughput and screening effects(0.3 mm screening hole)

從圖6 看出：隨著處理量的逐漸增大，篩下細度(-0.074 mm)基本保持恒定，篩上細度(-0.074 mm)逐漸增大，篩下產率與篩分效率均逐漸減小。當篩分效率為75%以上時，處理量可以達到19.3 t/(m2·h)。

（7）篩孔尺寸與處理量的關系

由以上0.075、0.1、0.12、0.15、0.2、0.3 mm的篩分工藝效果可得表1，在篩分效率為75%時篩孔尺寸與處理量的關系見圖7。

表1 篩孔尺寸與處理量Table 1 mesh size and throughput

圖7 篩孔尺寸與處理量關系Fig. 7 Relationship between mesh size and throughput

從圖7 看出：隨著篩孔尺寸的逐漸變大，處理量快速變大，而后在篩孔達到0.2 mm 以后，隨著篩孔增大，處理量逐漸趨于平緩，在篩孔滿足75%的篩分效率下，處理量可達到8.8 ～ 19.3 t/(m2·h)。

3 結 論

（1）單振源共振篩在處理量分別取（2、4、6、8、12、14、16、18、20 ）t/(m2·h)，篩孔分別取（0.075、0.1、0.12、0.15、0.2、0.3）mm 時，篩下細度(-0.074 mm)、篩上細度(-0.074 mm)、篩下產率與篩分效率基本呈相似的變化趨勢，隨著處理量的逐漸增大，篩下細度(-0.074 mm)基本保持恒定，篩上細度(-0.074 mm)逐漸增大，篩下產率與篩分效率均逐漸減小。

（2）單振源共振篩在篩孔尺寸為0.074、0.1、0.12、0.15、0.2、0.3 mm，隨著篩孔尺寸的逐漸變大，處理量快速增大，當篩孔達到0.2 mm 以后，隨著篩孔尺寸的變大，處理量逐漸趨于平緩，且篩分效率為75%時，處理量可達到8.8 ～ 19.3 t/(m2·h)。

（3）在對各種礦業資源的大規模開采過程中，產品精加工的要求越來越精細，對于合理利用能源及減少污染具有重要作用。本實驗僅研究了單振源共振篩在篩孔為（0.074、0.1、0.12、0.15、0.2、0.3 mm）時的工藝效果，尚具有一定的局限性。因此，今后開展單振源共振篩精細物料（尤其粒度為 -150 μm的物料）分級回收工藝效果的研究，為單振源共振篩進一步推廣與合理采用提供借鑒與參考，具有非常重要的意義。