时间：2022-11-21 14:44
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筛分设备是将颗粒大小不同的混合物料，经过筛网按粒度大小分成若干不同粒度级产品的机械设备，在煤炭分选过程中主要用于原煤分级、选后产品脱水、脱泥等环节。随着我国经济的增长和可持续发展的需要，我国的煤炭筛分设备朝大型、高效以及节能环保的方向发展。
煤炭工业生产中常用的筛分设备主要有：固定筛、滚轴筛、平面摇动筛、振动筛等。固定筛由于结构简单，主要用于大块煤的筛分；滚轴筛和平面摇动筛由于其自身的缺陷，已经基本被振动筛所取代；振动筛作为一种常见的工程机械，广泛用于煤炭的分级、脱泥、脱水以及脱介等，由于其操作简单，运行可靠，工作效率高等优点，在我国众多的工业生产领域中得到了广泛的发展和应用。振动筛种类多样，按照运动轨迹可分为圆振动筛、直线振动筛、椭圆运动振动筛；按照筛分理论可以分为概率筛、等厚筛等；按照动力学特性可分为线性非共振式振动筛和非线性振动筛等。改革开放以来，随着技术的进步以及筛分理论的深入研究，出现了很多新型的筛分设备，并被应用到生产中，极大地促进了工业生产的发展，提高了企业经济效益。
振动筛的发展历程
改革开放伊始，我国国产的振动设备仍不成熟，此时煤炭洗选通常需要两套系统，一套用于正常生产，一套用于紧急情况的备用；而振动筛作为易损设备和煤炭分级脱水的关键设备更是需要在每个系统中采用一台生产、一台备用的方式来保证生产的连续性，振动筛分设备完善度和可靠性亟待提高。
改革开放使得经济飞跃式发展，煤炭作为第一大资源，开采量和入选量剧增。20世纪70年代末到80年代，冶金和煤炭系统不断从美国、德国和日本等国家引进先进的振动筛产品，以圆振动筛和直线振动筛为主，上海宝山钢铁引进日本神户制钢所和川崎重工株式会社制造的用于煤炭分级、焦炭筛分的振动筛；山东兖州矿务局兴隆庄选煤厂引进美国ＲS公司的TI倾斜筛和TH水平筛；河北开滦矿务局引进德国KHD公司的USK圆振动筛和USL直线振动筛；钱家营矿选煤厂引进了波兰米克乌夫采矿机械厂制造的PWK圆振动筛、PWP直线振动筛。国外先进筛机的引进很大程度地提高了国内振动筛制造水平。20世纪80年代，鞍山矿山机械厂将从美国ＲS公司引进的筛机制造技术转化为国产的YA系列圆振动筛和ZKX系列直线振动筛，又在1996年引进了德国KHD公司USK系列圆振动筛和USL系列直线振动筛的改进型产品的制造技术，其中USL直线振动筛宽度可达4.5m，这表明我国中、大型振动筛制造技术有了很大的提高。
20世纪80年代初90年代末，我国应用典型的振动筛主要是YA、YK系列圆振动筛和ZKX系列直线振动筛(图1)。YA系列圆振动筛采用轴偏心式激振器，其两侧与筛框侧板相连，中间是偏心轴，两端各有一盘轴承，轴承外部是大皮带轮，另一侧是飞轮，皮带轮和飞轮的内部有偏心块，方便调整振幅。由于偏心轴的偏心距较小，为了达到所需的激振力，偏心轴的质量就要相应的增加，这就导致轴偏心式激振器成本较高。YK系列圆振动筛是以德国USK型振动筛为基础设计的，使用块偏心式激振器，其结构简单，便于安装、制造与维护。此外，与YA系列不同的是，YK系列使用瓣形联轴器将振动的筛箱与固定的传动系统隔离，传动系统不会受到筛箱振动的影响，避免皮带时紧时松引起的疲劳损坏。ZKX系列直线振动筛使用齿轮强迫同步的箱式激振器，箱式激振器有结构紧凑、更换容易和润滑性好的优点，但是缺点是对齿轮的材质和加工精度的要求较高，否则会产生较大的噪声。当振动筛较大时，用两个激振器来提供所需的激振力，两个激振器的轴通过同一个皮带轮与电机连接。
图1三种典型的振动筛
21世纪初，我国从德国引进申克香蕉筛(图2)。香蕉筛使用箱式激振器产生直线激振力，使筛面上的物料连续做斜上抛运动。香蕉筛采用变倾角的筛面，入料端筛面倾角大，物料运动速度快，物料层高只达通常筛分的1/3～1/4，同时，入料中的大块物料快速通过陡坡实现物料快速分层，使细粒物料更早接触筛面；接近出料端筛面倾角逐渐变小，运行速度随之减慢，筛上物料也因透筛而减少，使得筛面物料保持相等的厚度，有利于增加难筛物料的透筛概率。香蕉筛处理量大、筛分效率和可靠性高，在选煤厂常用于脱泥、脱水、脱介，在国内推广很快，并吸引了许多国内学者对其进行研究。
图2香蕉筛
弛张筛是在2010年前后快速发展起来的另一种高效、可靠的物料筛分设备，主要有Liwell弛张筛和振动弛张筛两种，其结构如图3所示。之前国内学者在黏湿细粒物料干法筛分上做出了大量研究，研制出了节肢筛、概率筛、螺旋辊轴筛、旋转概率筛、琴弦筛、博后筛等一系列筛分设备，一定程度上提高了对黏湿细粒物料的筛分能力，但是始终未能取得显著效果。弛张筛的出现突破性地解决了细粒筛分的问题，由于弹性筛面发生周期性拉伸或弯曲，可以防止堵住筛孔，又能提供煤炭筛分所需的作用力，使筛面上的煤炭迅速松散分层，从而有效地进行6mm以下的干法筛分。
图3两种弛张筛
香蕉型弛张筛是近年来出现的一种新型筛分设备，其在香蕉筛和振动弛张筛的基础上改进，对两者的优点进行了结合。香蕉型弛张筛的筛梁按照香蕉型分布，使筛面自入料端到出料端倾角依次减小，具备香蕉筛处理量大、筛分效率高的特点；同时柔性筛面的连续弛张运动使筛面的振动强度大，可以使物料充分地松散、分层，提高了透筛效率。香蕉型弛张筛在寺河矿选煤厂用于3mm干法脱粉并取得了成功，大大提高了处理能力，增加了经济效益。
振动筛的创新发展
2.1 筛分理论的创新
随着筛分技术的发展，对筛分理论的研究不断深入，设计生产了许多新式筛分设备。
概率筛分理论是用统计的方法，研究由不同粒度的颗粒构成的散物料群在筛面上的透筛概率建立的筛分理论。20世纪80年代，为了解决外在水分7%～14%的细粒煤粒难以筛分的问题，煤炭行业研发了煤用概率筛。煤用概率筛采用倾角为30°～60°的筛面，相比在水平或微倾斜的筛面上筛分物料，平均速度大约可提高3～4倍。由于平均速度明显加大，料层减薄，这就有利于物料颗粒迅速透过筛孔，大大提高了筛分机的产量。由于采用大筛孔的设计，筛孔不易发生堵塞，也相应增大了筛面的有效面积，进而增大了物料颗粒的透筛概率和筛分机的筛分效率。原煤外在水分增加(＞7%)，对概率筛分过程的筛上产物回收率和筛分效率影响极微，而对筛上产物的限下率影响较大。适当增加筛面长度，可使筛上产物限下率减低，基本达到产品质量要求。
等厚筛分技术是一种在薄料层中进行，并以筛上物料层高均衡或渐增为特点的筛分技术，可以通过改变各段筛面倾角或振幅大小来实现。1977年，等厚筛分技术开始应用于国内选煤工业，为解决长期存在的煤炭深度干式筛分问题提供了一种有效的、能够精确筛分的先进技术。20世纪80年代，利用普通振动筛串联组成的筛分机组实现等厚筛分，逐渐发展成为参数合理、外形尺寸较小的直线等厚筛。直线等厚筛的特点是整个筛面由两三段折线筛面组成，从入料端到出料端的倾角逐渐减小，物料运动速度也随之逐渐减小，筛面上料层厚度基本相等，以此实现等厚筛分。香蕉筛也是应用变倾角等厚筛分技术的新型筛机，其在等厚筛的基础上做出了一系列的改进，结构更加合理。改变各段筛面的振幅也是一种等厚筛分技术的应用。中国矿业大学提出的大跨距双轴不平衡激振变振幅等厚筛分法，使用单一筛面，在筛机入料端和出料端分别设置两个大小不同的激振力，利用两端激振力差实现使筛面从入料端到出料端振幅递减．进而实现等厚筛分。由于入料端振幅大，物料可以迅速铺开，物料层较薄，出料端振幅小，整个筛面的物料层厚度基本相等。该设备设计结构简单，筛分效果和筛面利用率高，得到了良好的工业应用。
2.2 振动理论的创新
传统圆振动筛和直线振动筛通常选取频率比(工作频率与筛机固有频率之比)＞3.5，工作在远共振区，振幅平稳，但缺点是能耗较高。近年来，应用反共振理论和近共振理论的振动筛越来越得到广大学者的注意。
反共振理论很早就被应用于解决隔振问题，刘杰等曾提出利用反共振原理设计振动机械的观点，并提出了原点型和跨点型两类反共振机械。反共振振动筛的优点是能满足振动机械所需的振动强度，同时又使机体传给基础的动载荷较小，整机结构简化，不需要额外的减振装置就能达到减振的目的，降低了能耗和运行时的噪声。但是，振动机械运行在反共振点附近时的振幅不稳定，物料质量的变化会引起上下质体质量比和反共振频率比的变化，从而造成共振点漂移。刘杰等设计了以机体的振动幅值为输入，以电动机转速为控制对象的控制系统，该系统采用PID控制，可以提高动态性能并减小静差，在物料质量波动20%以内的情况下，可以维持振幅的基本稳定。
非线性共振筛工作在共振点之前的近共振区，当激振频率在工作频率附近时，较小的激振力就可以产生很大的振幅，减少装机容量以降低能耗。非线性共振筛结构复杂，由两个筛箱构成，每个筛箱可分别用圆柱橡胶弹簧连接箱体和地面，两个筛箱之间有纤维板弹簧和间隙橡胶弹簧连接，产生分段的非线性刚度，整个筛机由入料端的曲柄连杆机构推动。非线性共振筛由于其突出的节能效果而具有广泛的应用前景，但目前国内研究较少，有待进一步探索。目前，另一种近共振设备振动弛张筛的应用十分广泛。
2.3 筛机结构的创新
弛张筛是在结构上做出了革命性创新的筛机，它用橡胶柔性筛面代替了传统的刚性筛面，在细粒筛分上取得了显著的效果。较早出现的弛张筛是Liwell弛张筛，其结构如图4所示，它由两个筛框组成，其中筛框II放在筛框I内部，筛框II用橡胶弹簧支撑在机架上，并通过吊挂板将筛框I和筛框II平行吊挂在一起，同时吊挂板又起到导向的作用，使筛框I和筛框II之间小幅值平行运动，筛框的驱动是靠偏心轴，偏心轴通过轴承座安装在筛框II中，电机通过皮带轮带动偏心轴转动，偏心轴上的连杆不断推拉筛框I，使筛框I和筛框II产生相向和相背的交替运动，安装在筛框上的横梁带动筛板也交替地拉紧和松弛。
图4Liwell弛张筛结构示意图
国内使用较多的是另一种弛张筛—振动弛张筛。振动弛张筛外形与圆振动筛类似，不同点在于圆振动筛支撑筛面的横梁全部都与侧板铆接，是一个整体，而振动弛张筛支撑筛面的横梁有一半与侧板铆接成固定筛框，另一半横梁通过侧板上的方孔在主筛框外部用两根边梁连接成浮动筛框，固定梁与浮动梁间隔分布，橡胶筛面一边连接在固定梁上，一边连接在浮动梁上，浮动筛框用橡胶弹簧连接在固定筛框上，构成一个双质体振动系统，由电机带动安装在固定筛框上的激振器产生激振力，固定筛框和浮动筛框相对运动带动筛面做连续弛张运动。振动弛张筛还是一种近共振设备，因此它既是结构上的创新，又是振动理论上的创新。弛张筛最大的特点就是以较小的激振力使筛面获得大而稳定的振幅，使筛面物料跳得高，松散迅速，增大了细粒物料与筛面的接触机会，提高了筛分效率和处理能力。同时，柔性筛面连续弯曲，筛孔变形防止堵孔，也能防止细粒黏湿物料粘附在筛面上。振动弛张筛基本解决了粘湿细粒物料深度筛分的问题，在国内得到了迅速推广。
超静定网梁激振结构振动筛也是一种在筛机结构上有很大创新的新型设备，其将超静定结构应用在筛机的激振器上，用多根管梁、2根激振器梁和钢板构成网梁状超静定激振元，并以串联的形式使用激振元，因此单个激振元提供激振力不需要很大，体积也随之减小。目前，振动筛大型化设计的难点是随着筛机的增大，结构刚度和强度达不到所需要求，会导致侧板变形、开裂，筛梁断裂，筛机寿命短，可靠性差等一系列问题。超静定网梁结构具有很高的结构刚度，应用在大型振动筛上大大提高了筛箱的结构刚度和稳定性。
振动筛的发展趋势
3.1 应用现代化设计方法
振动筛的大型化对提高大型选煤厂的处理能力具有重要意义。在振动参数可以满足生产要求的前提下，提高筛面宽度和筛面长度可以增大筛面处理能力和筛分效率。但是筛面宽度越宽，筛机的横梁挠度变形就越大；筛箱的长度越长，其侧板的横向摆动变形量越大，这些都会导致振动筛的可靠性差，使用寿命短。
以往设计主要是考虑应力应变的静强度设计方法，按照经验选型或设计承重梁和加强梁等，忽视了振动筛振动的动态结构特性。实际上，由于梁跨度很大，激振器强交变载荷和物料冲击的联合作用下的激振器大梁、承重梁或加强梁的弹性变形都将引起侧板的弯扭变形，进而导致筛体结构整体刚度的减弱及可靠性的降低。目前，动态设计开始被广泛使用。动态设计是在静强度设计的基础上，利用ANSYS、ADAMS等软件对振动筛交变载荷下的动力响应进行模拟仿真，结合实际动态测试结果，识别结构局部易损处，再对此处的结构、材料完善来提高整体的可靠性。对于振动筛的结构设计，使用SolidWorks等三维建模软件进行零部件的设计和振动筛装配，会更加直观。
3.2注重环保节能
经济飞速发展的同时，能源的消耗量大大增加，带来的环境问题也愈加严峻，反过来制约着经济的发展。振动筛的设计需要更多地考虑对环境的影响，主要包括降噪、防尘和节能。目前降低噪音的主要方法是隔声、吸声、消声和减振。振动筛的噪声主要来源于物料与筛面的撞击声、金属弹簧的振动噪声以及激振器的噪声。通过使用橡胶弹簧和聚氨酯筛板可以有效地降低噪音，在激振器上安装保护罩也有一定效果。振动筛分还会产生大量扬尘，使用防尘罩或防尘布进行密封可以避免污染车间环境和生态环境。一些新式设备比如弛张筛，应用近共振振动理论，在节能方面效果比较突出。
3.3 智能化
随着中国制造2025概念的提出，智能化已经成为新一轮工业革命的主题，智能化选煤厂的建设就要求生产设备的智能化。通过对物联网、大数据和云计算的应用，可以实现振动筛智能控制，根据给料的不同来调整参数，柔性的对不同入料进行筛分；构建专家系统，对现场复杂的情况进行判断，实现实时监测和故障诊断，可以提前发现即将出现的问题并加以处理，保证产品的质量，避免因为设备损坏造成巨大损失。
3.4 标准化
提高振动筛分机械的标准化、系列化、通用化水平，是便于设计、组织专业生产、保证质量和降低成本的途径。零部件实现标准化、通用化，就可以组织专业化生产，大大降低成本，提高企业效益。实现标准化也是实现选煤厂自动化、智能化的前提条件。
展 望
我国的振动筛分设备在过去的40年内发展十分迅速，在各方面都有了长足进步，但是许多先进技术都是在引进国外技术的基础上进行分析研究得到的，而且我国大型化设备的可靠性相比国外先进产品仍有所不足。现阶段，我国国力强盛，国家大力支持科研创新，广大学者应该深入研究筛分理论和振动理论，充分利用现代化设计方法和新兴科技，深度创新，研制结构形式更加合理的大型高效筛分机械。
原文引自
作者简介
王新文(1961—)，男，河北唐山人，教授，博士，从事振动理论的研究及其应用方面的工作。
引用格式
王新文，庞锟锋，于驰.改革开放以来我国振动筛分设备的发展［J］.选煤技术，2019(1)：37－42.
