振动清理筛的研究现状与发展探讨

2013-08-15李永祥任曼曼

河南科技 2013年17期

李永祥高燕任曼曼

（河南工业大学，河南郑州 450007）

随着经济、工业生产的发展及科学技术的进步，振动清理筛因其结构简单、工作效率高，成为筛分机械发展的主流，并广泛应用于煤炭、粮食、石油化工、采矿、冶金、轻工、建筑和交通运输等行业。如在煤炭工业部门，用直线振动筛对精煤和末煤进行脱水及脱介；在粮食清理行业，振动清理筛广泛应用于清除谷物中的大、中、小杂质；在冶金工业部门，采用圆振动筛对矿石进行预先筛分和检查筛分，用振动细筛对磨矿机的产品进行分级，以便提高精矿品位等等。

尽管振动清理筛在各行业中均发挥着重要作用，但是，目前我国振动清理筛在使用过程中仍存在许多问题，如筛分效率低、噪声大、可靠性差、制造精度差、更换部件复杂等。这些问题的存在影响了振动清理筛的实际生产需要，因此，本文通过对筛分理论及筛分机械研究现状的概述，总结了目前国产振动筛分机械使用中存在的问题，并给出相应的建议措施，希望能为清理筛的发展提供参考。

1 筛分机械的分类

实际应用中的振动筛种类繁多，分类的标准也不尽相同。目前，筛分机械根据实际应用中筛面是否运动，可以分为两大类：固定筛和活动筛。

固定筛安装时筛面与地面成一定倾角，工作时筛面固定不动，物料在自身重力作用下实现运移分级。固定筛大多用于物料的预先粗筛，使用局限性比较大。活动筛安装时筛面与水平面成一定倾角，工作时筛面在激振力的作用下做不同形式的运动，物料在重力、筛面摩擦力、系统惯性力等合力的作用下实现运动分级。活动筛既可以用于物料粗筛，也可以用于精筛，因此得到了广泛的应用。活动筛按照激振方式的不同，可以分为偏心块激振、激振电机激振和电磁激振三种；按照振动轨迹又可以分为直线振动筛、圆振动筛、椭圆振动筛及复合轨迹振动筛等。

2 振动筛分理论的研究现状

2.1 物料透筛概率的理论模型研究

物料的筛分过程是一个极其复杂的随机过程，其基本原理是物料的透筛概率理论。国内外许多学者从不同的方面进行了研究。F.Mogensen通过对球形颗粒倾斜投射到倾斜筛面上时运动特性的研究，提出了理论透筛概率的计算公式[1]；闻邦椿通过对颗粒粒度相同的粒群进行透筛概率的分析，得出了物料透过不同倾角筛面时的透筛总概率和物料透过多层筛面时的透筛总概率公式[2]；陈清如等运用概率统计学的方法研究了物料的筛分过程，并建立出物料群沿着筛面长度的透筛概率分布模型[3]，为筛分理论的进一步深入研究提供参考依据。

2.2 物料在筛面上运动的基本理论模型研究

物料在筛面上的运动是否合理，直接影响振动筛的筛分效率及生产能力。准确分析物料的运动状态，建立正确的物料筛分理论对提高筛分效率是至关重要的。因而，许多学者对此进行了研究。李建平等对物料在清选筛面上被抛起时的动力学特性进行了分析，得出了物料抛起时的运动特征界限值，建立了数学模型[4]；张认成、桑正中运用变质量系统的基本原理，建立轴流脱粒空间内谷物运动的非线性力学模型[5]，该模型具有实用价值，利于确定设计参数。

2.3 新型筛分方法的研究

传统的筛分方法中，喂料端物料层比较厚，进料口处的物料不能迅速均匀地散开，从而影响了物料的分层速度及小颗粒物料的快速沉降等。为了提高清理筛的筛分能力和筛分效率，涌现出一些新的筛分方法，如等厚筛分法，等厚筛分原理是通过在入料端对物料施加较大的加速度或提供较大的筛面倾角，使物料获得较大的运动速度或者抛射强度，来实现物料的快速分层；概率筛分法是由瑞典人Mogensen提出的，它是根据物料透筛的统计概率原理将振动筛设计成多层变倾角及条形变尺寸筛孔，采用多层大倾角及条形大网孔，可使物料迅速分层进而实现快速筛分，提高筛分效率等[6]。

3 振动清理筛的发展与研究现状

3.1 国外振动清理筛的发展与研究现状

国外对振动筛的研究起步较早，英国于十六世纪最先开始了筛分机械的研究，并研制出第一台煤用振动筛。工业革命时期振动筛得到飞速发展，十九世纪已出现多种振动筛。目前国外振动筛已经发展到相当高的水平，并形成了不同系列的产品。如德国KHD洪堡.威达克公司（KHD Humboldt Wedag International Ltd）筛分设备的产品已达到200多种规格，并且具有较高的通用化程度。

随着计算机辅助设计技术和先进制造技术的发展，筛分机械开始出现了大型和超大型的振动筛。如日本神户制钢所制造的ZK3675和ZK36752大型振动筛的处理能力已达到500t/h，均具有可靠的性能及应用价值，体现出国外企业在振动筛的大型化研究方面已经取得较好的成果。

振动筛于筛网数目方面已经从最初的20、40目发展到200目以上的超细目筛网，主要用于水利、钻井等行业的物料脱水。Derrick公司对国外发展出的新型筛网—波纹锥形筛网进行了改进，并将其应用在Derrick直线筛上，从而使此筛的处理能力比其原型筛提高70%以上。

在二十世纪五十年代国外开始研发适于筛分物料粒径小于0.5mm的高频振动筛，如申克公司研制的SLV型高频振动脱水筛、诺德伯格公司生产的HF型高频振动筛等，均具有筛分效率高、工作性能稳定、使用寿命长等优点，但同时也存在着性价比不高、价格昂贵、处理量不大等缺陷。

3.2 国内振动清理筛的发展与研究现状

3.2.1 国内振动清理筛的发展

由于我国的经济基础比较薄弱，筛分机械的研究起步比较晚，主要经历了以下几个发展阶段：

（1）振动筛的仿制阶段。建国初期我国使用的振动筛均是从国外引进的，如苏联的BKT型摇动筛，波兰的WK—15型圆振动筛等，国内以洛阳矿山机械厂、上海冶金矿山机械厂为主的几个单位对其进行了测绘仿制工作，并成功生产出惯性筛、自定中心筛及SSZ系列的直线筛，为我国筛分机械的发展奠定了基础。

（2）独立研制的阶段。1967年北京煤矿设计院与多家研究所组成联合设计小组，成功研制出第一台煤用振动筛，随后对ZDM系列单轴振动筛和ZSM系列双轴振动筛进行了设计、制造；1980年鞍山矿山机械厂成功完成了K1545和2YK2145圆振动筛、YYH1836重型振动筛和2ZKB2163直线振动筛的制造，并得到了全面的应用；我国设计人员积累了上述研发的经验，又逐步研发出共振筛、直线振动筛、等厚筛及概率筛等，并已基本满足国内市场的需求。虽然仍存在使用寿命短、故障多等问题，但是我国的筛分机械已正式进入自主研制阶段[7]。

（3）引进与提高阶段。尽管二十世纪末我国已经走上了自主研发的道路，但是技术基础非常薄弱，研发实力亟待提升，因此引进了当时国外较为先进的筛分技术，如日本神户制钢所的HLW型振动筛。我国技术人员通过对引进技术的分析、研究、总结、吸收，成功研制出ZK系列振动筛、ZKX系列直线振动筛及YA系列圆振动筛，并逐步完成了概率筛、等厚筛、琴弦筛等的研制，使我国筛分机械的制造与技术水平均得以提高[8]。

3.2.2 国内振动清理筛的研究现状

伴随着筛分理论的不断进步，筛分机械也在飞速的发展。国内大量学者从不同方面进行了研究。上海理工大学的赵环帅等人结合三维建模软件，利用逐步逼近方法对直线振动筛质心的确定方法进行理论分析，并用ZK3642型直线振动筛进行了验证，结果表明此方法不仅提高了设计精度，而且缩短了设计的时间[9]；长安大学的李学武等人通过建立筛网的数学模型，并对筛网进行了静力学分析及有限元仿真分析，分析表明可以通过增大张紧力和增设支撑梁的方式来减小筛网的弯曲变形量，从而提高筛网的张紧度[10]；孟彩茹等通过试验研究及仿真分析方法，对振动筛进行了强度分析及寿命估算，对机械的及时检修及更换具有指导意义[11]；赵月静等利用PFC软件对物料的筛分过程进行了模拟研究，得出了振幅、振动频率、振动方向角及筛面倾角对筛分效率的影响规律，为新型筛分设备的研发提供参考[12]。同时，国内筛分制造企业的技术人员也进行了大量研究，如2008年河南太行振动机械股份有限公司研制出单机处理量达200t/h的大型振动筛；2009年鞍山重型机器股份有限公司研制出处理量达2500t/h的大型香蕉振动筛等，为筛分机械的发展指引方向。

4 存在的问题及改进措施

随着社会经济的快速发展和筛分机械在各行业的广泛应用，国产振动筛存在的问题也逐渐显露出来。

4.1 筛分效率低。目前国产振动筛筛分效率低的原因主要为：（1）筛面结构参数方面：筛面开孔率低、筛面倾角过小或过大，筛面长宽比不协调。（2）物料性质方面：被筛物料中难筛物较多，物料堆积密度大，筛孔形状与被筛颗粒形状不符。（3）操作状况方面：加料不够均匀，加料量不适当等。因此，既要考虑筛面的合理设计，又要根据物料性质，选择合适的振动筛类型，并且操作使用得当，才能提高筛分效率，同时保证筛分质量。

4.2 可靠性差。主要部件如筛框、激振电机等的早期失效，故障率高。据统计，目前国外知名品牌的振动筛，正常运行时间一般为3000h以上，大修期保证在20000h以上，而国产的振动筛多数达不到这样的可靠性，主要根源在于制造过程中零部件的精度、质量控制保证不到位。因此，应该加强制造过程中产品可靠性的控制，以保证产品的质量。

4.3 振动噪声大、隔振性能差。现行的降噪方法大多为缓冲、隔声、阻尼等被动的方法，在筛机本身的工作原理与结构上没有大的突破。振动筛是多振源的振动设备，其噪声主要来自于激振电机及筛箱，因此，可以采用以下方法降低噪声：振动电机与机架之间安装隔振器，可减轻轴承部件相互碰撞的强度，降低噪声；在筛箱的结构设计时，应考虑到侧板的刚度，用适宜的刚度来减小振动，从而降低中低频噪声波。

4.4 设计制造精度差。设计制造精度对产品的使用性能会产生很大的影响，其中产品设计、制造材料、制造工艺、生产设备、部件装配等问题，是造成国产振动筛与国际知名产品存在差距的主要原因。具体表现在筛面长宽、倾角及筛体振幅、频率的设计仍是鉴于经验，以类比设计法为主，缺乏合理性检验依据；筛框构件整体几何形状不规则、缺陷多、加工粗糙、焊接变形大等。因此，需要加强制造过程的监管、控制。

4.5 更换部件复杂。由于振动筛的工作特点，要求轴承、筛网等部件需要定时更换。但是国产振动筛的结构、工艺复杂，导致更换费时费力，影响生产。因此，急需要向标准化、系列化、通用化发展。

4.6 筛分实际应用研究欠缺。目前对于筛分数学模型的研究为数不少，但基本是对已知的筛分结果进行仿真拟合，并不能全面描述实际筛分条件与筛分效果间的关系，因此，建立合理、完善的筛分数学模型，找出物料特性、筛体振动特性、筛面结构参数之间的关联并进行优化，对于提高筛分效率、保证筛分质量意义深远。