李永祥 高 燕 任曼曼

（河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450007）

隨著經(jīng)濟(jì)、工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，振動清理篩因其結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高，成為篩分機(jī)械發(fā)展的主流，并廣泛應(yīng)用于煤炭、糧食、石油化工、采礦、冶金、輕工、建筑和交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。如在煤炭工業(yè)部門，用直線振動篩對精煤和末煤進(jìn)行脫水及脫介；在糧食清理行業(yè)，振動清理篩廣泛應(yīng)用于清除谷物中的大、中、小雜質(zhì)；在冶金工業(yè)部門，采用圓振動篩對礦石進(jìn)行預(yù)先篩分和檢查篩分，用振動細(xì)篩對磨礦機(jī)的產(chǎn)品進(jìn)行分級，以便提高精礦品位等等。

盡管振動清理篩在各行業(yè)中均發(fā)揮著重要作用，但是，目前我國振動清理篩在使用過程中仍存在許多問題，如篩分效率低、噪聲大、可靠性差、制造精度差、更換部件復(fù)雜等。這些問題的存在影響了振動清理篩的實(shí)際生產(chǎn)需要，因此，本文通過對篩分理論及篩分機(jī)械研究現(xiàn)狀的概述，總結(jié)了目前國產(chǎn)振動篩分機(jī)械使用中存在的問題，并給出相應(yīng)的建議措施，希望能為清理篩的發(fā)展提供參考。

1 篩分機(jī)械的分類

實(shí)際應(yīng)用中的振動篩種類繁多，分類的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。目前，篩分機(jī)械根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中篩面是否運(yùn)動，可以分為兩大類：固定篩和活動篩。

固定篩安裝時篩面與地面成一定傾角，工作時篩面固定不動，物料在自身重力作用下實(shí)現(xiàn)運(yùn)移分級。固定篩大多用于物料的預(yù)先粗篩，使用局限性比較大。活動篩安裝時篩面與水平面成一定傾角，工作時篩面在激振力的作用下做不同形式的運(yùn)動，物料在重力、篩面摩擦力、系統(tǒng)慣性力等合力的作用下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動分級。活動篩既可以用于物料粗篩，也可以用于精篩，因此得到了廣泛的應(yīng)用?；顒雍Y按照激振方式的不同，可以分為偏心塊激振、激振電機(jī)激振和電磁激振三種；按照振動軌跡又可以分為直線振動篩、圓振動篩、橢圓振動篩及復(fù)合軌跡振動篩等。

2 振動篩分理論的研究現(xiàn)狀

2.1 物料透篩概率的理論模型研究

物料的篩分過程是一個極其復(fù)雜的隨機(jī)過程，其基本原理是物料的透篩概率理論。國內(nèi)外許多學(xué)者從不同的方面進(jìn)行了研究。F.Mogensen通過對球形顆粒傾斜投射到傾斜篩面上時運(yùn)動特性的研究，提出了理論透篩概率的計(jì)算公式[1]；聞邦椿通過對顆粒粒度相同的粒群進(jìn)行透篩概率的分析，得出了物料透過不同傾角篩面時的透篩總概率和物料透過多層篩面時的透篩總概率公式[2]；陳清如等運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法研究了物料的篩分過程，并建立出物料群沿著篩面長度的透篩概率分布模型[3]，為篩分理論的進(jìn)一步深入研究提供參考依據(jù)。

2.2 物料在篩面上運(yùn)動的基本理論模型研究

物料在篩面上的運(yùn)動是否合理，直接影響振動篩的篩分效率及生產(chǎn)能力。準(zhǔn)確分析物料的運(yùn)動狀態(tài)，建立正確的物料篩分理論對提高篩分效率是至關(guān)重要的。因而，許多學(xué)者對此進(jìn)行了研究。李建平等對物料在清選篩面上被拋起時的動力學(xué)特性進(jìn)行了分析，得出了物料拋起時的運(yùn)動特征界限值，建立了數(shù)學(xué)模型[4]；張認(rèn)成、桑正中運(yùn)用變質(zhì)量系統(tǒng)的基本原理，建立軸流脫?？臻g內(nèi)谷物運(yùn)動的非線性力學(xué)模型[5]，該模型具有實(shí)用價值，利于確定設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.3 新型篩分方法的研究

傳統(tǒng)的篩分方法中，喂料端物料層比較厚，進(jìn)料口處的物料不能迅速均勻地散開，從而影響了物料的分層速度及小顆粒物料的快速沉降等。為了提高清理篩的篩分能力和篩分效率，涌現(xiàn)出一些新的篩分方法，如等厚篩分法，等厚篩分原理是通過在入料端對物料施加較大的加速度或提供較大的篩面傾角，使物料獲得較大的運(yùn)動速度或者拋射強(qiáng)度，來實(shí)現(xiàn)物料的快速分層；概率篩分法是由瑞典人Mogensen提出的，它是根據(jù)物料透篩的統(tǒng)計(jì)概率原理將振動篩設(shè)計(jì)成多層變傾角及條形變尺寸篩孔，采用多層大傾角及條形大網(wǎng)孔，可使物料迅速分層進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速篩分，提高篩分效率等[6]。

3 振動清理篩的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

3.1 國外振動清理篩的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

國外對振動篩的研究起步較早，英國于十六世紀(jì)最先開始了篩分機(jī)械的研究，并研制出第一臺煤用振動篩。工業(yè)革命時期振動篩得到飛速發(fā)展，十九世紀(jì)已出現(xiàn)多種振動篩。目前國外振動篩已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)高的水平，并形成了不同系列的產(chǎn)品。如德國KHD洪堡.威達(dá)克公司（KHD Humboldt Wedag International Ltd）篩分設(shè)備的產(chǎn)品已達(dá)到200多種規(guī)格，并且具有較高的通用化程度。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，篩分機(jī)械開始出現(xiàn)了大型和超大型的振動篩。如日本神戶制鋼所制造的ZK3675和ZK36752大型振動篩的處理能力已達(dá)到500t/h，均具有可靠的性能及應(yīng)用價值，體現(xiàn)出國外企業(yè)在振動篩的大型化研究方面已經(jīng)取得較好的成果。

振動篩于篩網(wǎng)數(shù)目方面已經(jīng)從最初的20、40目發(fā)展到200目以上的超細(xì)目篩網(wǎng)，主要用于水利、鉆井等行業(yè)的物料脫水。Derrick公司對國外發(fā)展出的新型篩網(wǎng)—波紋錐形篩網(wǎng)進(jìn)行了改進(jìn)，并將其應(yīng)用在Derrick直線篩上，從而使此篩的處理能力比其原型篩提高70%以上。

在二十世紀(jì)五十年代國外開始研發(fā)適于篩分物料粒徑小于0.5mm的高頻振動篩，如申克公司研制的SLV型高頻振動脫水篩、諾德伯格公司生產(chǎn)的HF型高頻振動篩等，均具有篩分效率高、工作性能穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但同時也存在著性價比不高、價格昂貴、處理量不大等缺陷。

3.2 國內(nèi)振動清理篩的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

3.2.1 國內(nèi)振動清理篩的發(fā)展

由于我國的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)比較薄弱，篩分機(jī)械的研究起步比較晚，主要經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段：

（1）振動篩的仿制階段。建國初期我國使用的振動篩均是從國外引進(jìn)的，如蘇聯(lián)的BKT型搖動篩，波蘭的WK—15型圓振動篩等，國內(nèi)以洛陽礦山機(jī)械廠、上海冶金礦山機(jī)械廠為主的幾個單位對其進(jìn)行了測繪仿制工作，并成功生產(chǎn)出慣性篩、自定中心篩及SSZ系列的直線篩，為我國篩分機(jī)械的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

（2）獨(dú)立研制的階段。1967年北京煤礦設(shè)計(jì)院與多家研究所組成聯(lián)合設(shè)計(jì)小組，成功研制出第一臺煤用振動篩，隨后對ZDM系列單軸振動篩和ZSM系列雙軸振動篩進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制造；1980年鞍山礦山機(jī)械廠成功完成了K1545和2YK2145圓振動篩、YYH1836重型振動篩和2ZKB2163直線振動篩的制造，并得到了全面的應(yīng)用；我國設(shè)計(jì)人員積累了上述研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，又逐步研發(fā)出共振篩、直線振動篩、等厚篩及概率篩等，并已基本滿足國內(nèi)市場的需求。雖然仍存在使用壽命短、故障多等問題，但是我國的篩分機(jī)械已正式進(jìn)入自主研制階段[7]。

（3）引進(jìn)與提高階段。盡管二十世紀(jì)末我國已經(jīng)走上了自主研發(fā)的道路，但是技術(shù)基礎(chǔ)非常薄弱，研發(fā)實(shí)力亟待提升，因此引進(jìn)了當(dāng)時國外較為先進(jìn)的篩分技術(shù)，如日本神戶制鋼所的HLW型振動篩。我國技術(shù)人員通過對引進(jìn)技術(shù)的分析、研究、總結(jié)、吸收，成功研制出ZK系列振動篩、ZKX系列直線振動篩及YA系列圓振動篩，并逐步完成了概率篩、等厚篩、琴弦篩等的研制，使我國篩分機(jī)械的制造與技術(shù)水平均得以提高[8]。

3.2.2 國內(nèi)振動清理篩的研究現(xiàn)狀

伴隨著篩分理論的不斷進(jìn)步，篩分機(jī)械也在飛速的發(fā)展。國內(nèi)大量學(xué)者從不同方面進(jìn)行了研究。上海理工大學(xué)的趙環(huán)帥等人結(jié)合三維建模軟件，利用逐步逼近方法對直線振動篩質(zhì)心的確定方法進(jìn)行理論分析，并用ZK3642型直線振動篩進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明此方法不僅提高了設(shè)計(jì)精度，而且縮短了設(shè)計(jì)的時間[9]；長安大學(xué)的李學(xué)武等人通過建立篩網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，并對篩網(wǎng)進(jìn)行了靜力學(xué)分析及有限元仿真分析，分析表明可以通過增大張緊力和增設(shè)支撐梁的方式來減小篩網(wǎng)的彎曲變形量，從而提高篩網(wǎng)的張緊度[10]；孟彩茹等通過試驗(yàn)研究及仿真分析方法，對振動篩進(jìn)行了強(qiáng)度分析及壽命估算，對機(jī)械的及時檢修及更換具有指導(dǎo)意義[11]；趙月靜等利用PFC軟件對物料的篩分過程進(jìn)行了模擬研究，得出了振幅、振動頻率、振動方向角及篩面傾角對篩分效率的影響規(guī)律，為新型篩分設(shè)備的研發(fā)提供參考[12]。同時，國內(nèi)篩分制造企業(yè)的技術(shù)人員也進(jìn)行了大量研究，如2008年河南太行振動機(jī)械股份有限公司研制出單機(jī)處理量達(dá)200t/h的大型振動篩；2009年鞍山重型機(jī)器股份有限公司研制出處理量達(dá)2500t/h的大型香蕉振動篩等，為篩分機(jī)械的發(fā)展指引方向。

4 存在的問題及改進(jìn)措施

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和篩分機(jī)械在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，國產(chǎn)振動篩存在的問題也逐漸顯露出來。

4.1 篩分效率低。目前國產(chǎn)振動篩篩分效率低的原因主要為：（1）篩面結(jié)構(gòu)參數(shù)方面：篩面開孔率低、篩面傾角過小或過大，篩面長寬比不協(xié)調(diào)。（2）物料性質(zhì)方面：被篩物料中難篩物較多，物料堆積密度大，篩孔形狀與被篩顆粒形狀不符。（3）操作狀況方面：加料不夠均勻，加料量不適當(dāng)?shù)取Ｒ虼?，既要考慮篩面的合理設(shè)計(jì)，又要根據(jù)物料性質(zhì)，選擇合適的振動篩類型，并且操作使用得當(dāng)，才能提高篩分效率，同時保證篩分質(zhì)量。

4.2 可靠性差。主要部件如篩框、激振電機(jī)等的早期失效，故障率高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國外知名品牌的振動篩，正常運(yùn)行時間一般為3000h以上，大修期保證在20000h以上，而國產(chǎn)的振動篩多數(shù)達(dá)不到這樣的可靠性，主要根源在于制造過程中零部件的精度、質(zhì)量控制保證不到位。因此，應(yīng)該加強(qiáng)制造過程中產(chǎn)品可靠性的控制，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

4.3 振動噪聲大、隔振性能差?，F(xiàn)行的降噪方法大多為緩沖、隔聲、阻尼等被動的方法，在篩機(jī)本身的工作原理與結(jié)構(gòu)上沒有大的突破。振動篩是多振源的振動設(shè)備，其噪聲主要來自于激振電機(jī)及篩箱，因此，可以采用以下方法降低噪聲：振動電機(jī)與機(jī)架之間安裝隔振器，可減輕軸承部件相互碰撞的強(qiáng)度，降低噪聲；在篩箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)考慮到側(cè)板的剛度，用適宜的剛度來減小振動，從而降低中低頻噪聲波。

4.4 設(shè)計(jì)制造精度差。設(shè)計(jì)制造精度對產(chǎn)品的使用性能會產(chǎn)生很大的影響，其中產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造材料、制造工藝、生產(chǎn)設(shè)備、部件裝配等問題，是造成國產(chǎn)振動篩與國際知名產(chǎn)品存在差距的主要原因。具體表現(xiàn)在篩面長寬、傾角及篩體振幅、頻率的設(shè)計(jì)仍是鑒于經(jīng)驗(yàn)，以類比設(shè)計(jì)法為主，缺乏合理性檢驗(yàn)依據(jù)；篩框構(gòu)件整體幾何形狀不規(guī)則、缺陷多、加工粗糙、焊接變形大等。因此，需要加強(qiáng)制造過程的監(jiān)管、控制。

4.5 更換部件復(fù)雜。由于振動篩的工作特點(diǎn)，要求軸承、篩網(wǎng)等部件需要定時更換。但是國產(chǎn)振動篩的結(jié)構(gòu)、工藝復(fù)雜，導(dǎo)致更換費(fèi)時費(fèi)力，影響生產(chǎn)。因此，急需要向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展。

4.6 篩分實(shí)際應(yīng)用研究欠缺。目前對于篩分?jǐn)?shù)學(xué)模型的研究為數(shù)不少，但基本是對已知的篩分結(jié)果進(jìn)行仿真擬合，并不能全面描述實(shí)際篩分條件與篩分效果間的關(guān)系，因此，建立合理、完善的篩分?jǐn)?shù)學(xué)模型，找出物料特性、篩體振動特性、篩面結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)并進(jìn)行優(yōu)化，對于提高篩分效率、保證篩分質(zhì)量意義深遠(yuǎn)。

5 振動清理篩的發(fā)展方向

綜合目前國內(nèi)外篩分機(jī)械的研究動向，振動篩分機(jī)械將向著以下幾個方向發(fā)展：

（1）篩分機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化。篩分機(jī)械的“三化”發(fā)展，不僅便于設(shè)計(jì)，而且有利于專業(yè)化生產(chǎn)、降低制造成本及保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）大型化成套化。工業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程促使企業(yè)規(guī)模增大、生產(chǎn)能力大大提高，需要大型化、成套化、高振動強(qiáng)度的篩分機(jī)械與之匹配，以滿足生產(chǎn)能力與篩分效率不斷提高的要求。

（3）篩面運(yùn)動方式的合理化。合理化的運(yùn)動方式是指在垂直方向上，入料端的振幅大于出料端的振幅，而在水平方向上物料從入料端到出料端的速度遞減。這種合理化的篩面運(yùn)動方式，可以提高篩機(jī)各區(qū)段和整機(jī)的效率。

6 結(jié)論

通過對振動篩分理論及振動篩分機(jī)械研究現(xiàn)狀的概述，分析了國產(chǎn)振動清理篩目前存在的問題并給出相應(yīng)的改進(jìn)措施，提出振動清理篩應(yīng)向著標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化等方向發(fā)展，同時應(yīng)深入研究篩分理論，加強(qiáng)篩分設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，發(fā)展新型篩分設(shè)備，提高我國篩分設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及制造水平。

[1]Mogensen,A New Method of Screening Granular Materials.The Quarry Managers Journal Oct 1965

[2]聞邦椿,劉樹英.振動機(jī)械的理論與動態(tài)設(shè)計(jì)方法.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001

[3]韋魯濱,趙躍民,陳清如.煤用概率分級篩篩分過程的仿真研究,煤炭學(xué)報(bào),1999(24)：103-106

[4]李建平,趙勻.物料在清選篩面上拋起的計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)研究[[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1997,13(4)：46-48

[5]張認(rèn)成等,軸流脫?？臻g谷物動力學(xué)仿真[[J].農(nóng)機(jī)化研究，2000(4)：36-40

[6]彭會清,曹釗,曹永丹.篩分機(jī)械與篩分機(jī)理研究的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].礦山機(jī)械,2009,37(15)：105-109

[7]高金雷,基于ADAMS的復(fù)頻振動篩固相運(yùn)移動力學(xué)仿真[D],西南石油大學(xué),2012

[8]劉吉源,直線振動篩的動力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]，太原理工大學(xué),2012

[9]趙環(huán)帥,張鄭愷,楊海玲,等.逐步逼近法在直線振動篩質(zhì)心設(shè)計(jì)和計(jì)算中的應(yīng)用[J].礦山機(jī)械,2011,39(4)：89-92

[10]李學(xué)武,馮忠緒,孟彩茹,胡碧陽,曹婷.提高振動篩篩網(wǎng)張緊度的方法研究[J].山東交通學(xué)院報(bào),2012,20(3)：68-71

[11]孟彩茹,李磊,馮忠緒,李學(xué)武.振動篩的強(qiáng)度分析和壽命估算[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2012,29(7)：20-23

[12]趙月靜,秦志英.基于PFC的振動篩分過程三維數(shù)值模擬[J],礦山機(jī)械,2013,41(1)：76-79