F系列复合振动筛技术研究与工业应用

赵环帅 尹德夺

(1.中国冶金矿山细粒筛分机械工程技术研究中心，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)

细粒物料筛分分级是现代矿业物料生产加工的普遍需求，在黑色金属选矿领域，随着矿产资源的大规模持续开采利用，粗粒嵌布、易磨易选的铁矿石资源已不能满足日益增长的市场需求，而细粒嵌布、难磨难选矿石的开采利用比重日趋增大则对选矿技术和设备提出了更高的要求。同时在煤炭洗选、玻璃陶瓷、化工化肥等各行业的细粒物料的筛分分级作业中，对设备筛分分级精度、筛分效率和处理量等方面也都提出了更高的要求。国内其它各类筛分设备，有尼龙筛片固定筛、弧形筛、直线筛、电磁筛、高频振动细筛等，一般在筛分效率和处理量上各显不足。国外高频细筛(重叠式高频细筛)是振动电机驱动的整机振动式细筛，有直线振动和圆运动振动，属于传统振动模式，国内已有应用，但价格十分昂贵，且效果褒贬不一。因此，市场迫切需要寻求性能更优越的细粒物料筛分、分级、脱水处理技术和设备。

1 总体思路

细粒筛分设备在各行业粒度分级作业方式有干法和湿法筛分两类，常用筛孔尺寸为：冶金选矿行业磨后分级为0.056～1 mm，建材的矸石制砖、石英砂制玻璃、化工制碱分级为1～4 mm，选煤末煤分级为3～13 mm，物料脱水作业有尾矿脱水、煤泥脱水、石英砂脱水等，常用筛孔尺寸为0.3～1 mm。细粒物料筛分分级和脱水作业中，筛网易堵现象直接造成作业率低以及能耗高等弊端。在多年研究细粒物料筛分分级技术和设备经验基础上，把新颖的结构特征、传统的振动理论和传动方式进行有机结合，研发一种新型复合振动筛分机械系列产品，筛机设计为双振动源驱动，既设置有振动电机组，又设置有电磁激振器。振动电机驱动筛箱或筛箱单元组合使筛网产生直线振动，电磁激振器驱动传动系统和振动系统形成敲击振网振动。在两者共同作用下，筛网上的物料层同时参与相对筛面有一定抛射角的机械直线振动和垂直于筛面的高频电磁振动。物料在复合振动作用下，不仅具有良好的向前抛掷输送能力，而且可获得更高的透筛率，其结果是筛机单位面积处理能力和筛分效率显著提高。筛机的筛箱有单层和叠层(筛箱单元组合)并联两种布置方式，筛箱倾斜安装，可根据所处理物料的性质调节筛面倾角。配置PLC和现场触摸屏(HMI)设计的多功能及远程控制系统，应用互联网通讯技术，基于标准TCP/IP工业以太网协议，通过单模光纤通讯传输，实现远程计算机对多台筛机群组的工作参数集中控制和管理，包括设备振动振幅调整、瞬时强振振幅和时间间隔调整、筛网使用累计自动计时、筛网过期更换提示、实时电路故障报警、筛机工作和故障历史查询等多项功能，具有高抗干扰能力和可靠性，能在恶劣环境下长期稳定运行。

2 技术方案

2.1 工作原理

(1)筛机的直线振动模型为单自由度受迫振动，参振质体是筛箱或筛箱单元组合部件，复合振动筛中筛箱通过两次减振置于基础上，2台振动电机构成一对振动电机组，与筛箱刚性联接。振动电机组输出的激振力合力为直线振动系统提供激振力，激振力的大小按照工作振幅、振动频率、参振质量等参数需求设计。振动方向角等于激振力合力方向与筛面的夹角，即振动电机安装平面与筛面夹角的余角，振动频率取决于振动电机转速。设计验算直线振动频率与筛机固有频率之比为z=4～6，工作点为远超共振状态。直线振动为物料筛分和输送提供主要动力，直线振动的最大振幅、频率、振动方向角、筛箱安装倾角等重要参数均可根据用户的工艺要求作为筛机设计的输入参数。

(2)电磁振动由电磁激振器提供激振力，驱动传动装置带动振动机构实现筛网振动，电磁振动的振动强度设计验算为6.5～8.0。由电磁驱动的筛网高频振动除起到促进物料透筛的作用外，特有的电磁高强瞬振功能具有清理筛网以及防止网孔堵塞作用。电磁振动系统工作点处于近共振状态，故以较小能耗即能达到所需的工作振动参数需求，从而实现高效节能的目的。电磁激振器及振动系统原理如图1和图2所示。

图1 Ma型电磁激振器原理示意图

图2 振动系统原理示意图

电磁激振器是电磁振动的核心部件。电磁振动由电磁激振器驱动振动系统, 使振动系统中振动帽产生振动，从而使托在振动帽上的筛网产生振动，筛框基本不动。振动系统处于近共振状态工作，用较小的动力即达到所需的工作参数。筛面振动强度为8～10倍重力加速度，是一般振动筛振动强度的2～3倍。每组激振器功耗小,Ma型激振器有功功率仅为150 W，Mc型激振器有功功率为400 W。筛箱两侧板处有单个激振器或若干组激振器，每组激振器带动一组或多组振动系统，激振器将激振力传输至振动杆，由振动杆带动振动轴，最后传至振动帽，由振动帽激振筛网，使筛面产生高频振动，筛面振动参数由控制柜控制，每组激振器单独调节，以满足筛面不同部位振动要求。激振器具有瞬间强振功能，以便随时清理筛网，减少网孔堵塞。

2.2 结构特点

F系列复合振动筛主要由机架、筛箱单元组合、筛上筛下收料槽、弹性装置(剪切弹簧)、底座、检修台、给料箱、电控柜、振动电机组组成，F系列复合振动筛结构如图3所示。

1-机架；2-筛箱单元组合；3-筛上筛下收料槽；4-弹性装置(剪切弹簧)；5-底座；6-地基；7-检修台；8-给料箱；9-电控柜；10-振动电机组图3 F系列复合振动筛结构

2.2.1 筛箱及筛箱单元组合

筛箱单元组合由单层或多层筛箱、振动电机组、连接梁等部件组成。若干个筛箱通过连接梁用紧固件实现刚性连接，筛面与水平面成适当倾角以便于物料的流动。筛箱间距既要便于观察筛面物料情况、更换筛网等操作,又要减小占地面积和空间高度。振动电机组安装在上层筛箱上。筛箱单元组合部件具有刚度高、工艺性好、结构简单、紧凑、重量轻等特点。

单层筛箱由筛框、振动电机组、电机振动梁等部件组成，筛箱设计有单通道和双通道形式，筛面分单层或双层形式，双层筛面筛机的上层筛面由不锈钢焊接筛网焊接制成，主要起粗粒物料的隔粗、保护筛网、一机能出多种产品的作用。振动电机组安装在电机振动梁上，电机振动梁是筛箱的重要部件，其结构参数经过理论计算和大量的试验而得，复振筛与电磁筛相比主要优势在于处理能力加大，适用范围广。

筛箱主要包括筛框、振动电机组、筛网、电磁激振器、振动系统等部件。根据用户对设备耐磨、防腐能力的需求和成本的考虑，可以选择筛箱表面喷涂油漆或喷涂聚氨酯处理，后者具有更高的耐磨、防腐能力。

筛网由工作网和下方的托网组成。根据用户对筛网使用寿命周期和投资成本的考虑，工作网可以选择不锈钢细丝编织复合网或聚氨酯条缝式柔性筛网，两种筛网具有良好的互换性。聚氨酯柔性筛网耐磨性强、使用寿命长达6个月左右，价格相对较高；不锈钢丝编织复合网由两层不同孔径的筛网复合而成，质量较轻且价格较低，此种筛网开孔率高达33%左右，筛分效率高达70%～75%。与振动帽直接接触的为钢丝绳芯聚氨酯网，称为托网。其主要作用是传递和均布激振力，保护工作网，并提高工作网的刚度。筛箱中托网和工作网的张紧机构有横向和纵向两种形式，特别设计的快速装卸张紧机构使更换筛网作业更为轻松和便捷。对于特殊要求的双层筛面筛箱，其上层不锈钢楔形丝焊接筛网可起隔粗作用，保护下层工作网，延长工作网使用寿命，同时可减轻工作网的负荷，提高单机处理量和筛分效率。

2.2.2 弹性系统

弹性系统由若干个橡胶弹簧组成。把筛箱或筛箱单元组合弹性支撑在机架上，缓冲筛箱或筛箱单元组合工作时对地基的动载荷，尤其是在启动和停车过程中通过共振区时形成的共振动载荷，减振系数达90%以上。充分利用橡胶弹簧各方向刚度不同的特性，使弹性系统在有效减轻对地基动载荷的同时，又能有效抑制筛箱或筛箱单元组合的横向振动。

单层复振筛经两次减振弹簧减振，一次减振弹簧置于机架上，筛箱或筛箱单元组合放置在一次减振弹簧上，保持减振弹簧的垂直性，否则将影响筛机的振动平稳性；二次减振弹簧放置于地面与机架之间，主要消弱对地面的冲击载荷。

2.2.3 机架

机架为型钢框架结构，是筛机各部件的安装骨架，机架通过二次减振弹簧直接放置于地面上。

2.2.4 筛上筛下物收料槽

筛上筛下收料槽是钢板制造的箱形结构，用于收集每层筛箱筛分后的筛上和筛下物料。为了提高其耐磨性和耐腐蚀性，矿浆直接冲刷的内表面喷涂聚氨酯衬耐磨橡胶板。

2.3 工作点确定

(1) 直线振动工作点在远超共振区，直线振动频率与筛机固有频率的比值为4～5。

(2)电磁振动在低于共振点的近共振区工作, 电磁振动频率与电磁振动系统固有频率的比值为0.9。筛面振幅较小,但振动强度高,从而避免筛网堵孔现象，提高了筛分效率。

3 动力学分析

F系列复合振动筛正常工作时，同时存在2种振动：筛箱的直线振动和电磁激振筛网振动。因两者参振质量和激振力差异较大，弹性系统的刚度、振动频率不同，振动工作点相差较远，故两种振动各自独立、互不影响。

3.1 直线振动动力学分析

F系列复合振动筛直线振动振体是独立筛箱或筛箱单元组合，提供激振力的振动电机刚性紧固在电机振动梁上，由电机振动梁再紧固在筛箱上或直接紧固在筛箱单元组合的上层筛箱上，筛箱通过橡胶弹簧与机架联接，机架再通过二次减振置于地面上，其振动力学模型如图4所示。其中，参振体质量为M1,激振力为F(t)，弹簧刚度K为各弹簧刚度之和，橡胶弹簧有一定的阻尼存在，阻尼系数为C。筛箱在2台振动电机产生的激振力合力作用下，产生单振体单自由度受迫振动。振动方向角与激振力的合力方向相同，振动频率等于激振力频率，是振动系统固有频率的4～5倍，工作点为远超共振区域。

图4 直线振动力学模型

3.2 电磁振动动力学分析

F系列复合振动筛电磁振动中振动杆、快装振动帽等部件的运动都是绕振动轴轴线做扭转振动。电磁振动力学如图5所示。

图5 电磁振动力学模型

这是一个双质量双自由度受迫振动。由于参振质量M2远大于参振质量M1，所以质量M2的振幅要远小于M1，此时可以近似视为M2不动，电磁振动对筛箱单元组合的直线振动影响很微弱，可以忽略不计。

适当的确定M1、M2之间主振弹簧的刚度K，可以使系统的振动处于近共振状态，这样可以通过较小的激振力来获得所需要的振幅，功率消耗也可以大大减少。

4 技术优势

F系列复合振动筛主要用于替代目前黑色冶金选矿行业市场应用的细粒筛分分级设备，如固定尼龙细筛、高频振动细筛、高频电磁振网筛等。被F系列复合振动筛产品所替代设备的主要缺点见表1。

表1 被F系列复合振动筛产品所替代设备的主要缺点

F系列复合振动筛产品的技术优势为：

(1)独创应用不同振动频率双振源驱动复合振动模式，其电磁振网振动强度为6～10，瞬时强振自清理筛网，筛网孔不易堵塞，单位筛面面积处理量为6～14 t/(m2·h)，筛分效率为70%以上；

(2)筛网可供选择，不锈钢丝编织复合细筛网使用寿命约为480 h，聚氨酯筛网使用寿命约为5000 h；

(3)配置数字化多功能及远程集中控制系统，符合数字化矿山的未来发展需求；

(4)产品价格及运行成本仅为进口设备的40%，配件供应充足；

(5)单层筛网面积最大增至6 m2，单机最多筛箱叠放5层，节省占地；

(6)二次减振，对设备基础的动载冲击可忽略不计。

5 主要创新点

(1)自主研发了双通道布置筛面的F系列复合振动筛。

(2)独创应用双激振源激振方式，将垂直于筛面的敲击振动和与筛面成一定交角的直线振动相结合，实现筛网的复合运动，在保持电磁筛对细粒级物料高效率分级的前提下，明显提高了处理能力。

(3)开发了具有远程通讯与集中控制功能的控制系统，实现了筛分系统工艺参数计算机管理。

(4)开发了一种新型结构的高频电磁筛用电磁激振器，两侧衔铁均受电磁力和主振弹簧的共同作用产生高频振动，并通过传力螺栓和振动杆分别驱动一个或多个振动机构，零部件之间的作用力小，可靠性高，有效提高电磁筛的整体性能。

(5)开发了一种振动筛筛箱减振弹簧，极大地提高了弹性块与端板贴附的牢固程度和抗剪切能力。

6 实施效果

目前，F系列复合振动筛已在全国数百家选矿、选煤企业现场推广应用，用户分布20个省市自治区。具有处理量增大、筛分效率提高、节省占地空间和节能环保的优势，应用效果表明，主要技术指标达到计划任务合同数要求。主要技术指标完成情况见表2。

表2 主要技术指标完成情况

目前，电磁振动高频振网筛在国内市场选矿工程应用中，单位筛面面积处理能力平均为4～5 t/(m2·h)，而F系列复合振动筛在多次现场生产应用试验中，单位筛面面积处理能力达到6.8～14 t/(m2·h)，最大处理量可达14 t/(m2·h)以上，较单层电磁高频振网筛单位筛面面积处理量可提高约50%，显著提高筛分效率。F系列复合振动筛进入市场后已逐步替代现有电磁振动高频振网筛，是电磁振动高频振网筛的技术升级和更新换代产品。

7 效益分析

F系列复合振动筛自2011年3月开始对样机进行现场应用试验，取得了良好的应用效果，随后开始转入生产，并推广应用，截至2019年5月，累计制造和推广应用该系列产品数百台，不仅为企业创造了较大的新增销售额、新增利润及新增纳税额，也大量销售到俄罗斯、南非、澳大利亚等国外出口创汇。

F系列复合振动筛的复合振动模式有效提高了筛机筛面的物料输送能力和透筛能力。经选矿、选煤、建材等行业市场用户在细粒物料干法和湿法筛分分级以及脱水处理等领域进行推广应用，实现了单位筛面面积处理量较电磁高频振网筛提高40%～50%的良好效果。在单机处理量增大的同时筛分效率显著提高，实现了单层复振筛筛面面积最大为6 m2，筛分效率达到70%～75%，减少了生产设备占地面积，节省了工业用地。用于煤泥脱水处理使工业废水回收循环再利用，用于尾矿脱水运输和干排处理，对取消尾矿坝、保护环境和保障工业安全意义重大。