趙環(huán)帥

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)

0 引言

篩分作業(yè)是現(xiàn)代礦物加工行業(yè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。振動篩是篩分作業(yè)的主要設(shè)備，主要用于各種物料的分級、脫水、脫泥及磁選介質(zhì)回收等[1]。近些年伴隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，振動篩在礦山、化工、石油、煙草、醫(yī)藥、冶金、糧食及建材等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。同時在國家相關(guān)政策的扶持與鼓勵下，經(jīng)過科研院所及生產(chǎn)制造企業(yè)的不懈努力，我國振動篩行業(yè)無論在理論研究，還是在技術(shù)應(yīng)用方面都取得了長足的進(jìn)步。本文綜述了近年來我國振動篩理論研究及技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)展，對我國振動篩在理論研究與技術(shù)應(yīng)用中存在的一些問題提出了相應(yīng)的對策和建議，同時結(jié)合我國振動篩行業(yè)面臨的新形勢，對其發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以期為我國振動篩行業(yè)的健康快速發(fā)展提供借鑒。

1 振動理論研究

1.1 線性振動理論

目前，我國振動篩中應(yīng)用最廣泛的是慣性振動篩，其一般由激振器、篩箱、隔振彈簧、傳動裝置、電動機(jī)等組成[4]。在激振器的作用下，篩箱產(chǎn)生直線軌跡、圓軌跡、橢圓軌跡、復(fù)合軌跡的往復(fù)線性振動，振動頻率遠(yuǎn)離于篩機(jī)本身的固有頻率，振幅平穩(wěn)。目前，慣性振動篩一般采用線性振動理論進(jìn)行設(shè)計，并通過線性振動計算振動強(qiáng)度、拋射強(qiáng)度、振幅、頻率等主要技術(shù)參數(shù)。對于慣性振動篩主要技術(shù)參數(shù)的確定原則及相互關(guān)系的研究已比較成熟，相關(guān)的研究成果較多，但是由于慣性振動篩在制造、裝配、生產(chǎn)等過程中不可避免地存在非線性振動，因此線性振動理論往往存在一定的局限性。今后應(yīng)突破傳統(tǒng)的線性振動理論，重點(diǎn)研究符合實(shí)際的線性與非線性隨機(jī)振動理論[5]。

1.2 非線性振動理論

振動篩運(yùn)行過程中會存在相鄰部件連接面的接觸、偏心質(zhì)量激勵、結(jié)構(gòu)大變形、物料沖擊與非線性彈簧支撐等許多非線性環(huán)節(jié)。振動篩固有的非線性因素及參數(shù)的變化會產(chǎn)生混沌振動、分叉與突變等非線性動力學(xué)現(xiàn)象。對于強(qiáng)非線性振動系統(tǒng)，振動特征表現(xiàn)為某些隨機(jī)性，且一般受系統(tǒng)特性、參數(shù)變化與工作條件的影響，理論分析很難得到準(zhǔn)確結(jié)果。在進(jìn)行傳統(tǒng)分析時，往往將振動篩所有相關(guān)動力學(xué)參數(shù)視為確定性的量，而對于生產(chǎn)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的某些結(jié)構(gòu)破壞因素，若依然采用線性模型或線性系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計、監(jiān)測與故障診斷，就容易忽略與系統(tǒng)特性密切相關(guān)的非線性特性，從而出現(xiàn)各種錯誤。同時這些行為的發(fā)展和加強(qiáng)，也可能引起振動篩的局部破壞，從而使振動篩失去正常功能，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，有些國內(nèi)學(xué)者結(jié)合隨機(jī)動力學(xué)理論與有限元方法，在考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)與激勵參數(shù)隨機(jī)性的基礎(chǔ)上建立了振動篩隨機(jī)動力學(xué)模型，以研究振動篩隨機(jī)響應(yīng)的變異性及振動篩的振幅和動應(yīng)力變異性[6]。但從總體上看，有關(guān)振動篩非線性振動特性方面的研究成果相對較少，因此開展有關(guān)非線性動力學(xué)建模，非線性動力學(xué)分析，工作條件下的振動測試、系統(tǒng)辨識、參數(shù)估計，非線性系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的混沌振動、突變、分叉及其特征分析和運(yùn)行參數(shù)控制等的動態(tài)設(shè)計理論與應(yīng)用技術(shù)研究，揭示實(shí)際存在的諸多非線性因素對振動篩動力學(xué)特性及其響應(yīng)產(chǎn)生的影響，具有非常重要的實(shí)用價值與理論意義。

1.3 共振理論

共振篩出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代，并于20世紀(jì)中期正式用于工業(yè)生產(chǎn)，主要特點(diǎn)是工作頻率接近系統(tǒng)的固有頻率，可依靠較小的激振力驅(qū)動較大面積或質(zhì)量的篩箱。我國對于共振篩理論的研究主要集中于20世紀(jì)前后，例如：陳予恕等[7-8]在20世紀(jì)90年代初就開始采用理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究大型雙質(zhì)量非線性共振篩動力學(xué)系統(tǒng)，確定了非線性共振篩動力學(xué)研究的基本方向；張功學(xué)等[9]從影響共振式機(jī)械固有頻率各因素的隨機(jī)性、激振頻率的隨機(jī)性及共振準(zhǔn)則的模糊性出發(fā)推導(dǎo)出了表達(dá)共振區(qū)模糊子集的隸屬函數(shù)，并推導(dǎo)出了共振式機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模糊可靠度的計算公式；楊帥等[10]采用剛體動力學(xué)基本理論，構(gòu)建了32 m2雙層雙質(zhì)體非線性共振篩動力學(xué)模型，并對其工況特性進(jìn)行了比較分析；辛?xí)暂x等[11-12]在雙層共振篩強(qiáng)度計算過程中，針對各種慣性力難以施加的問題，提出了一種計算上下篩體強(qiáng)度的有限元特殊建模技術(shù)，并對30 m2雙層非線性共振篩模態(tài)進(jìn)行了計算及動態(tài)性能評價；李春友[13]通過建立有限元計算模型，在設(shè)計階段對一種新型32 m2異線性雙層振動篩進(jìn)行了模態(tài)計算，并對測試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了傳遞函數(shù)分析，得到了合適的振動篩工作頻率范圍。

從總體上看，目前研究的共振篩主要為篩機(jī)整體共振，雖然已有共振篩在生產(chǎn)現(xiàn)場使用的相關(guān)報道，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計和制造精度要求高、操作與調(diào)試難度大、容易受物料量變化的影響等，因此尚未在國內(nèi)得到較大范圍的推廣與使用。為了克服整體共振的缺點(diǎn)，近年國內(nèi)學(xué)者針對局部共振、疊層共振、篩網(wǎng)共振、雙質(zhì)體共振等進(jìn)行了研究，但成果較少，有待進(jìn)一步探索。然而由于共振篩具有突出的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，符合未來節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢，因此具有廣闊的應(yīng)用前景[14]。綜上所述，根據(jù)現(xiàn)代共振理論的最新研究成果，開展共振篩理論與技術(shù)研究，對開發(fā)新型共振結(jié)構(gòu)，提高其可靠性、性能穩(wěn)定性及工藝效果具有重要意義。

1.4 反共振理論

反共振是在一定的條件下使篩機(jī)的某些部件振幅最小或者處于靜止?fàn)顟B(tài)。由于振動篩的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在進(jìn)行頻響函數(shù)測試時，往往出現(xiàn)虛假模態(tài)和模態(tài)遺漏現(xiàn)象，反共振理論可以通過峰值和相位圖有效解決這些問題。近年國內(nèi)學(xué)者對反共振的理論及其應(yīng)用開展了相關(guān)研究，例如：劉杰等[15]在振動利用工程領(lǐng)域引入反共振理論，提出了3種新型的反共振振動機(jī)械，并用機(jī)械阻抗法進(jìn)行了動態(tài)分析；黃志超等[16]將反共振理論應(yīng)用于振動給料機(jī)的設(shè)計，取得了較好的給料效果；韓運(yùn)俠[17]分析了兩自由度受迫振動，研究了反共振現(xiàn)象；龔善初[18]研究了兩自由度系統(tǒng)的模態(tài)響應(yīng)，分析了振幅比與頻率比、彈簧剛度比的關(guān)系；劉杰等[19]基于振幅穩(wěn)定的原點(diǎn)反共振振動機(jī)的動力學(xué)分析，建立了原點(diǎn)反共振振動機(jī)的動力學(xué)模型，研究了反共振點(diǎn)的漂移情況；楊晨等[20]以反共振理論為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種新型反共振振動篩；焦春旺等[21]以忽略參數(shù)波動為前提，研究了雙質(zhì)體反共振系統(tǒng)；李盟等[22]對慣性往復(fù)振動篩進(jìn)行了反共振設(shè)計，根據(jù)兩自由度振動系統(tǒng)反共振的條件，確定了隔振彈簧的剛度。

由于反共振點(diǎn)處振幅不穩(wěn)定，且存在物料量變化、電機(jī)不同步、激振力偏離質(zhì)心等影響因素，所以反共振篩在運(yùn)行過程中往往不穩(wěn)定，限制了其發(fā)展，但是由于反共振篩相比傳統(tǒng)振動篩可以減輕整機(jī)質(zhì)量、降低成本、提高使用壽命和可靠性，且不需要額外的減振裝置，因此發(fā)展前景可期。將反共振理論研究成果應(yīng)用于現(xiàn)有共振篩的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與新型反共振篩的設(shè)計，以及應(yīng)用于其他類型振動篩的故障診斷、噪聲消除及隔振等，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

2 篩分機(jī)理及方法研究

2.1 篩分機(jī)理

從直觀角度看，篩分作業(yè)是一個簡單的物料分離過程，但在實(shí)際的工業(yè)性應(yīng)用中，物料在振動篩上的運(yùn)動規(guī)律極為復(fù)雜。傳統(tǒng)方法對篩分機(jī)理的研究往往將篩分物料在篩面上的運(yùn)動簡化為一個顆粒在篩面上的運(yùn)動，以此計算物料的各種理論運(yùn)動學(xué)參數(shù)，主要包括定常運(yùn)動理論、混沌運(yùn)動理論與料層振動理論等運(yùn)動學(xué)參數(shù)。定常運(yùn)動理論運(yùn)動學(xué)參數(shù)應(yīng)用較多，但是由于其忽略了顆粒與篩面間的碰撞效應(yīng)，理論計算結(jié)果往往與實(shí)際不符；混沌運(yùn)動理論運(yùn)動學(xué)參數(shù)雖然考慮了顆粒與篩面間的碰撞效應(yīng)，但研究僅局限于顆粒與篩面間的正碰撞，對生產(chǎn)實(shí)際的指導(dǎo)作用仍需要進(jìn)一步探索；料層振動理論運(yùn)動學(xué)參數(shù)由于力學(xué)模型建立和數(shù)學(xué)計算極其復(fù)雜，在工程實(shí)際中難以應(yīng)用，目前尚未得到重視[23]。

近年國內(nèi)學(xué)者開展了物料在各種振動篩篩面上的運(yùn)動規(guī)律研究，其中針對物料在直線振動篩上的運(yùn)動用顆粒跳動理論分析得出，篩分物料運(yùn)動分為顆粒跳動與粒群碰撞；針對物料在橢圓振動篩面上的運(yùn)動分析得出，長軸強(qiáng)化了物料的輸送，短軸促進(jìn)了物料的松散；針對物料在旋轉(zhuǎn)篩面上的運(yùn)動通過對單顆粒物料的運(yùn)動分析，提出了空間螺旋運(yùn)動及臨界滑移與臨界拋擲半徑等概念，在考慮粒群的影響下，研究了物料的拋擲指數(shù)、振幅與篩面的拋擲指數(shù)、振幅的關(guān)系，以及粒群的理論平均速度的運(yùn)動學(xué)參數(shù)。同時研究了同一粒級在不同傾角篩面上的透篩概率[24]，通過混沌運(yùn)動理論，對單顆粒在篩面上的運(yùn)動進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)顆粒在篩面上的運(yùn)動是非線性的[25]；研究了單顆粒透篩概率理論中實(shí)際與理論透篩概率的關(guān)系，并深入研究了篩分物料的分層透篩過程，提出了粒群沿篩長方向的透篩概率分布模型，同時以篩分過程的概率理論為基礎(chǔ)建立了實(shí)用概率篩分模型[26-29]；此外還研究了潮濕細(xì)粒物料在普通振動篩篩面上積聚的原因和黏附機(jī)理以及黏附力、黏附厚度的影響因素，進(jìn)行了潮濕細(xì)粒物料和干燥細(xì)粒物料篩分對比試驗(yàn)，提出了計算潮濕細(xì)粒物料黏附力的數(shù)學(xué)模型及解決篩孔堵塞的方法[29-30]。

從總體上看，目前許多篩分理論研究主要注重篩分結(jié)果，而非將篩分過程作為重點(diǎn)。雖然已有學(xué)者提出了有關(guān)物料群顆粒碰撞運(yùn)動、物料分層、物料透篩概率、物料顆粒堵孔等方面的篩分理論，但是篩分基礎(chǔ)理論的研究仍滯后于生產(chǎn)實(shí)踐，許多篩分理論還處于假說與實(shí)驗(yàn)階段，現(xiàn)有理論很少涉及定量的數(shù)學(xué)計算及論證，大多為定性表述及敘述性推論，尚未對篩分過程給出較為合理的解釋。因此，加強(qiáng)篩分機(jī)理的研究，深入了解篩分過程，也是未來的重要研究方向。

2.2 篩分方法

目前，較為成熟的篩分方法有概率篩分、等厚篩分、弛張篩分、強(qiáng)化篩分等[23]。其中弛張篩分、強(qiáng)化篩分都是針對難篩物料的堵孔問題提出的。等厚篩分主要分為自然分層等厚篩分和概率分層等厚篩分，在我國煤炭分級中主要采用前者。自然分層等厚篩分一般入料端傾角較大，物料運(yùn)動速度較大，可以快速分層；出料端傾角較小，物料有充分的機(jī)會透篩；整個篩面物料厚度均勻或漸增。概率分層等厚篩分主要分為自同步概率篩分與慣性共振式概率篩分，目前煤炭領(lǐng)域主要采用前者，該方法突出的特點(diǎn)是大篩孔、短篩面、多層篩面、大傾角，篩面互相重疊，篩面傾角自上而下逐漸增大，篩孔逐漸減小。強(qiáng)化篩分主要是在篩分過程中通過逐漸加大篩機(jī)的振動參數(shù)，使物料獲得較大的速度與加速度，從而提高篩分效率和生產(chǎn)能力。弛張篩分主要分為往復(fù)式弛張篩分與振動式弛張篩分，兩者原理相似，采用固定框與浮動框，通過激振器或曲軸運(yùn)動產(chǎn)生的激振力使浮動框與固定框做相對運(yùn)動，在運(yùn)動過程中篩面不斷張緊與松弛，彈性篩面使物料產(chǎn)生一個類似蹦床的運(yùn)動[31]。近些年出現(xiàn)了概率等厚篩分、彈性篩分、低頻大振幅篩分、高頻小振幅篩分、拋射篩分、復(fù)合振動篩分、雙質(zhì)體振動篩分等方法，但每種篩分方法都有一定的適用范圍，也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，今后應(yīng)根據(jù)不同用途，研究新型篩分方法，同時考慮將各種篩分方法相互結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)。

3 篩分技術(shù)研究

3.1 篩分設(shè)備

近年來在市場導(dǎo)向和需求下，我國篩分技術(shù)迅猛發(fā)展，在傳統(tǒng)振動篩的基礎(chǔ)上，吸收國外先進(jìn)技術(shù)，借鑒其他行業(yè)相關(guān)理念，并不斷自主創(chuàng)新，已研制出了多種結(jié)構(gòu)新穎、適應(yīng)多種用途的振動篩。從收集到的資料來看，目前我國振動篩產(chǎn)品有1 000余種規(guī)格、50余個系列，產(chǎn)品除了市場上常見的圓運(yùn)動振動篩、直線振動篩、高頻振動篩、弧形篩、固定篩、琴弦篩、博后篩、香蕉篩、弛張篩等以外，近些年還出現(xiàn)了高幅節(jié)肢振動篩、橢圓振動篩、反共振振動篩、柔面振動篩、滾筒振動篩、二次減振振動篩、條形振動篩、自潔振動篩等新型振動篩產(chǎn)品，且有些技術(shù)性能已達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平[32]。尤其近年隨著振動篩大型化的發(fā)展，寬4.9 m的香蕉篩、寬2.4 m的高頻振動篩、寬5.1 m的箱式直線振動篩、寬3.6 m的圓運(yùn)動振動篩、寬4.3 m的弛張篩及寬5.05 m的振幅遞減橢圓振動篩等大型或超大型振動篩已在各大科研院所與制造企業(yè)的共同努力下研制成功，并逐漸在生產(chǎn)現(xiàn)場得到了大范圍的應(yīng)用，且可靠性有了顯著提高，不僅打破了進(jìn)口大型振動篩壟斷的局面，市場份額也逐漸擴(kuò)大。

今后，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及對篩分理論研究的不斷深入，我國振動篩的發(fā)展將會更加多樣化與大型化。

3.2 細(xì)粒物料篩分技術(shù)

隨著對各種細(xì)粒物料分選要求的提高，篩分過程中出現(xiàn)的問題越來越多，例如，在煤炭化工領(lǐng)域，我國大部分礦區(qū)的動力煤篩分出的低灰分細(xì)粒煤可以直接供給電廠等用戶，但在原煤開采過程中，由于諸多原因，采出的原煤外在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)7%以上，潮濕的細(xì)粒原煤互相黏結(jié)成團(tuán)或附著在篩面上，尤其是外在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 7%～14%時，常規(guī)振動篩很難進(jìn)行6 mm、3 mm粒級物料的篩分，且對3 mm粒級物料的直接篩分更是世界性難題。因此，細(xì)粒物料深度分級是當(dāng)今國內(nèi)外篩分領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[33-34]。

經(jīng)過多年的不斷探索，我國細(xì)粒物料篩分理論與技術(shù)的研究獲得了較大發(fā)展。目前，細(xì)粒物料深度篩分主要分為干法分級與濕法分級。濕法分級相對容易，通過增加篩面噴水裝置，采用電磁篩、復(fù)合振動篩、疊層高頻篩等對各種細(xì)粒物料進(jìn)行分級，分級粒度可以達(dá)到0.074 mm，甚至0.063 mm，但是存在的問題是濕法分級需要占用大量水資源，我國水資源匱乏及分布不均的現(xiàn)狀決定了濕法分級不可能在我國大范圍推廣與應(yīng)用。干法深度分級比較符合我國國情，特別是能滿足干旱地區(qū)的煤炭篩分需求。因此，研發(fā)高效的干法深度篩分技術(shù)與設(shè)備具有重要意義。

目前，細(xì)粒物料干法深度篩分技術(shù)主要采用概率篩、等厚篩、弛張篩、博后篩、琴弦篩、螺旋分級篩等，但存在的問題是沒有一種振動篩能夠篩分全部粒級的物料，這些振動篩往往存在機(jī)械強(qiáng)度和工藝效果之間的矛盾。等厚篩、概率篩、博后篩等機(jī)械強(qiáng)度較高，但對難篩物料存在篩分精度低、篩分效率低的問題；琴弦篩、弛張篩、螺旋分級篩等機(jī)械強(qiáng)度較低，篩分效果較差，但工藝效果較好，尤其弛張篩對處理水分含量高或黏度高的物料有著不可替代的優(yōu)勢，基本解決了細(xì)粒物料篩分效率低及黏濕細(xì)粒物料堵孔等問題，是目前解決細(xì)粒物料篩分的最優(yōu)方案。

因此，結(jié)合某些類型振動篩的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行篩機(jī)的組合設(shè)計，同時開展弛張篩篩分理論的研究，強(qiáng)化弛張篩關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和升級，逐步實(shí)現(xiàn)弛張篩國產(chǎn)化、大型化，是我國細(xì)粒物料深度篩分行業(yè)當(dāng)前及今后一段時間的工作重點(diǎn)。

3.3 振動篩關(guān)鍵技術(shù)

激振器是振動篩激振力的來源，是振動篩最為關(guān)鍵的部件，其類型主要有電磁激振器、振動電機(jī)、自同步型激振器、強(qiáng)迫同步型激振器等，后3種激振器屬于慣性式激振器[35]。隨著振動篩的大型化，激振器的大型化與可靠性是未來的研究方向。

篩板是振動篩的關(guān)鍵部件，主要分為焊接篩板、復(fù)合篩板、聚氨酯篩板等，在彈性、開孔率、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。焊接篩板強(qiáng)度較高，開孔率較低；復(fù)合篩板強(qiáng)度不高，開孔率較高；聚氨酯篩板的耐磨性、抗撕裂性、抗沖擊性、抗老化性、使用壽命、可拆卸性等均優(yōu)于金屬篩網(wǎng)，且質(zhì)量輕、噪聲低，不易產(chǎn)生粉塵，在篩分過程中能夠產(chǎn)生二次高頻振動，可以減小堵孔現(xiàn)象的發(fā)生，提高振動篩的篩分效果。今后應(yīng)加強(qiáng)篩板相關(guān)技術(shù)的研究，研制抗腐蝕、耐磨損、柔度適中的新型篩面材料，增加篩面的彈性、提高開孔率、增加物料顆粒的彈跳力和透篩概率等。

支撐彈簧是影響振動篩篩分效果的重要部件。國內(nèi)振動篩用彈簧主要有橡膠彈簧、金屬螺旋彈簧、復(fù)合彈簧、空氣彈簧等。橡膠彈簧具有結(jié)構(gòu)緊湊、安拆方便、吸振限幅性能好及可同時承受壓縮與剪切變形的特點(diǎn)，但彈簧剛度較難調(diào)整、壽命低；金屬螺旋彈簧具有壽命長、變形大、剛度易調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)，但不能吸收高頻顫振、噪聲較大、安全性不好；復(fù)合彈簧兼具金屬螺旋彈簧和橡膠彈簧的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在振動篩上；空氣彈簧在國內(nèi)振動篩上應(yīng)用較少，一般僅用于精密儀器及精密機(jī)械的隔振，但在國外應(yīng)用十分廣泛?？諝鈴椈筛粽衿髦圃旃に噺?fù)雜、成本高、安全性差，需要一套空氣氣動裝置，這是其應(yīng)用較少的一個重要原因。近幾年出現(xiàn)了一種新型的ROSTA 減振支撐彈簧，這種彈簧具有高效隔振、使用壽命長、免維護(hù)、能夠避免共振的優(yōu)點(diǎn)，且可以在-40～80 ℃溫度范圍內(nèi)使用，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，型號較多，可應(yīng)用于各種類型的振動篩，缺點(diǎn)是價格較一般的彈簧高幾倍甚至十幾倍。在國外，ROSTA 減振支撐彈簧已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于振動篩行業(yè)，但在國內(nèi)振動篩上的應(yīng)用極少，因此ROSTA 減振支撐彈簧在國內(nèi)具有廣闊的發(fā)展前景[36]。

3.4 振動篩加工技術(shù)

振動篩加工工藝及制造技術(shù)水平的高低決定了振動篩的質(zhì)量、性能及可靠性。過去國內(nèi)的許多振動篩制造企業(yè)在焊接、機(jī)械加工與裝配作業(yè)中一般采用手工操作或常規(guī)機(jī)械設(shè)備，加工精度與效率較低，在振動篩制造水平上與國外先進(jìn)水平相比存在較大差距。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)逐漸認(rèn)識到關(guān)鍵零部件的形位公差、粗糙度及焊接變形控制等在振動篩制造中的重要性，因此紛紛采用合理的加工工藝研制相應(yīng)的配套工裝，同時通過引進(jìn)、改造或更新生產(chǎn)設(shè)備，采用自動焊接機(jī)器人、數(shù)控平面鉆床、數(shù)控龍門鏜銑床、數(shù)控加工中心、數(shù)控激光切割機(jī)等先進(jìn)加工設(shè)備來提高振動篩加工制造精度、質(zhì)量及生產(chǎn)效率。所以，今后制造企業(yè)應(yīng)加大對加工設(shè)備的更新，引進(jìn)國外先進(jìn)的加工設(shè)備，同時利用現(xiàn)有資源建立關(guān)鍵共性基礎(chǔ)工藝研究機(jī)構(gòu)，開展先進(jìn)成型、加工等關(guān)鍵制造技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)。

3.5 振動篩標(biāo)準(zhǔn)化

振動篩標(biāo)準(zhǔn)化對于振動篩行業(yè)健康發(fā)展和國家標(biāo)準(zhǔn)體系完善具有非常重要的作用。國家相關(guān)部門組織制定了許多國家推薦標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械行業(yè)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，同時許多社會團(tuán)體也積極參與了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，對于填補(bǔ)我國振動篩標(biāo)準(zhǔn)化體系的空白、推動篩分技術(shù)的進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從總體上看，目前我國振動篩相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)框架主要為定義術(shù)語、型號編制、設(shè)備技術(shù)、設(shè)計規(guī)范、試驗(yàn)方法等，隨著振動篩行業(yè)的快速發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)的制定已滯后于行業(yè)的發(fā)展。因此，今后應(yīng)進(jìn)一步完善振動篩標(biāo)準(zhǔn)體系，及時進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)審與修訂，加強(qiáng)振動篩標(biāo)準(zhǔn)的貫徹與宣傳工作，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的國際交流與合作，同時在振動篩標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中，應(yīng)充分考慮目前的市場需求與設(shè)備及技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，積極采取措施，加強(qiáng)管理與引導(dǎo)。

4 現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

4.1 運(yùn)動仿真分析

運(yùn)動仿真分析是指在振動篩開發(fā)設(shè)計過程中，在計算機(jī)上建立振動篩整體模型，對振動篩在實(shí)際使用過程中的各種真實(shí)工況進(jìn)行仿真分析，以圖形方式顯示振動篩的各種特性。近年相關(guān)研究人員根據(jù)實(shí)際工程問題，在振動篩研究過程中采用了MATLAB、EDEM、ADAMS等軟件。ADAMS多體動力學(xué)仿真軟件可以用于建立振動篩模型，仿真運(yùn)動軌跡，繪制振幅、速度和加速度曲線，求出各個參數(shù)的幅值，驗(yàn)證振動篩能否按照設(shè)計的參數(shù)工作，且可以通過其動畫功能觀察振動篩運(yùn)動軌跡[37-38]。EDEM 軟件可以用于建立振動篩模型，模擬篩分物料堵孔情況，研究堵孔物料顆粒的粒徑范圍，同時也可以用于研究各種形狀的篩分物料在不同的篩孔條件下對篩分效率的影響[39]。MATLAB軟件可以用于分析物料運(yùn)動軌跡和研究振動篩參數(shù)；通過編制振動篩上物料滑行和拋擲的計算程序，推導(dǎo)振動篩上物料的運(yùn)動軌跡，分析非線性作用力對振動篩主要技術(shù)參數(shù)的影響[40-41]。由于運(yùn)動仿真分析可以模擬振動篩運(yùn)行過程中的各種真實(shí)工況，觀察運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種問題，并不斷修改與完善，從而得到最優(yōu)化設(shè)計方案，因此在今后振動篩開發(fā)設(shè)計過程中，運(yùn)動仿真分析是一個非常重要的方法。

4.2 結(jié)構(gòu)仿真分析

振動篩在工作過程中會一直受簡諧激振力作用，因此結(jié)構(gòu)動態(tài)特性是判斷設(shè)計是否合理的重要依據(jù)。傳統(tǒng)振動篩結(jié)構(gòu)設(shè)計大多采用計算、類比設(shè)計、現(xiàn)場試驗(yàn)、安全系數(shù)設(shè)計等方法，缺點(diǎn)是無法看到振動篩結(jié)構(gòu)內(nèi)部動態(tài)應(yīng)力分布情況。即使振動篩靜強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，依然會出現(xiàn)篩框損壞、橫梁斷裂、篩機(jī)共振等現(xiàn)象。近年隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，采用動態(tài)設(shè)計代替靜態(tài)設(shè)計已成為現(xiàn)代振動篩設(shè)計的重要手段。

有限元分析利用與數(shù)學(xué)近似的方法對振動篩幾何和載荷工況等進(jìn)行模擬。國內(nèi)振動篩設(shè)計中常用的有限元分析軟件有ANSYS、ANSYS Workbench、ALGOR、SolidWorks、Pro/E、ABA-QUS等，雖然每個軟件有其優(yōu)缺點(diǎn)，但每一種軟件都可以對振動篩進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)、諧響應(yīng)和疲勞等各種結(jié)構(gòu)分析，通過分析振動篩整體及其關(guān)鍵零部件的應(yīng)力、應(yīng)變、位移分布或變化規(guī)律，對振動篩強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性等性能進(jìn)行總體評估，可以為振動篩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供相應(yīng)的參考。同時理論模型簡化應(yīng)該盡量與實(shí)際情況相符，使結(jié)構(gòu)分析與實(shí)際工況吻合。

4.3 振動測試技術(shù)

振動測試技術(shù)是振動理論應(yīng)用于工程實(shí)際的一個橋梁，應(yīng)用范圍越來越廣。振動測試技術(shù)在振動篩上應(yīng)用發(fā)展較快，其中應(yīng)用最廣泛、最有效的試驗(yàn)手段是模態(tài)參數(shù)測試與動應(yīng)力測試[42]。模態(tài)參數(shù)測試是通過多通道動態(tài)測試分析系統(tǒng)和模態(tài)分析軟件對振動篩進(jìn)行以模態(tài)參數(shù)識別為核心的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。模態(tài)參數(shù)主要包括頻域和時域模態(tài)參數(shù)。頻域法已非常成熟，時域法設(shè)備簡單，尤其在參數(shù)識別過程中，無需激勵，只根據(jù)自由響應(yīng)就可進(jìn)行[43]。在振動篩測試過程中采用隨機(jī)激勵信號，在合適的激勵方法下，通過加速度傳感器獲得的振動篩固有頻率、阻尼比和陣型等模態(tài)參數(shù)和分布規(guī)律，可以作為有限元模型修正的依據(jù)，使計算模型更趨完善和合理。動應(yīng)力測試采用動態(tài)或靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，結(jié)合應(yīng)變花或應(yīng)變片，可以測試振動篩關(guān)鍵零部件或主要受力部位的應(yīng)力和應(yīng)變，獲得真實(shí)的動應(yīng)力值和分布規(guī)律，并對理論分析進(jìn)行驗(yàn)證，從而為后續(xù)仿真模型計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。但是如何使測試結(jié)果與實(shí)際工況吻合、振動篩測試過程中測試點(diǎn)如何布置、激勵能量如何選擇等都會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此如何根據(jù)振動篩的實(shí)際情況選擇合理的激勵信號與激勵方式是今后需要解決的問題[44]。

4.4 在線故障監(jiān)測及診斷技術(shù)

振動篩在實(shí)際使用中由于長時間的連續(xù)工作和承受復(fù)雜的載荷，其關(guān)鍵部件很容易產(chǎn)生疲勞作用下的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，且其經(jīng)常發(fā)生篩箱扭曲變形、篩網(wǎng)磨損、驅(qū)動梁斷裂、側(cè)板撕裂、激振器軸承損壞、焊縫開裂、下橫梁斷裂、彈簧斷裂、連接螺栓斷裂等故障，此外，因其工作環(huán)境惡劣、工作時間長，往往檢修不便，一旦出現(xiàn)故障，則可能使整個生產(chǎn)線停止運(yùn)行，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以應(yīng)建立振動篩故障監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測振動篩振幅、頻率、振動方向角及溫度等關(guān)鍵參數(shù)，對各監(jiān)測位置得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，以便控制中心根據(jù)振動篩運(yùn)行狀況，對振動篩故障進(jìn)行識別并實(shí)施預(yù)警或報警，提前對振動篩進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，避免故障發(fā)生。

在線故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)可以實(shí)時在線監(jiān)測振動篩運(yùn)行情況，通過設(shè)定各種工況下的數(shù)據(jù)，對振動篩在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行識別、預(yù)警或報警。隨著在線故障監(jiān)測及診斷技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷的專用信號分析儀，這些信號分析儀通常具有FFT分析功能，可測出振動大小，進(jìn)行時域和頻域分析。通過監(jiān)測振動篩在運(yùn)行過程中關(guān)鍵零部件或主要受力部位的應(yīng)力、應(yīng)變以及激振器部位的軸承溫度等的變化情況，可以判斷振動篩的運(yùn)行情況及故障發(fā)生的部位或原因[45]。但目前大多數(shù)在線故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)在采用壓力、溫度以及加速度等傳感器對振動篩運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行信號采集時，多通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行信號的傳輸，在實(shí)際振動過程中采集信號存在諸多不便，制約了在線故障監(jiān)測及診斷技術(shù)的發(fā)展。因此，振動篩無線故障監(jiān)測及診斷技術(shù)創(chuàng)新是其未來的重要研究方向。

4.5 智能化技術(shù)

智能化是未來機(jī)械設(shè)備的發(fā)展趨勢，機(jī)械設(shè)備的智能化不僅能夠節(jié)約人力資源，還能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率。國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》及《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出了加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品及推動人工智能規(guī)?；瘧?yīng)用、全面提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展智能化水平的建議。我國對于振動篩智能技術(shù)的研究尚處于起步階段，現(xiàn)場應(yīng)用較少。智能化振動篩需具備感知外界環(huán)境輸入及自身健康狀態(tài)的能力，通過采用計算機(jī)軟件、傳感器系統(tǒng)及控件化虛擬式信號分析處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)振動篩的智能控制。需要探索的內(nèi)容包括：根據(jù)入料量與入料粒度的變化在線調(diào)節(jié)振幅、頻率、振動強(qiáng)度等振動參數(shù)，將振動篩的運(yùn)轉(zhuǎn)工作情況調(diào)整在最佳狀態(tài)；構(gòu)建專家分析系統(tǒng)，對振動篩現(xiàn)場復(fù)雜的情況進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測和故障診斷，并通過軟件系統(tǒng)中的深度學(xué)習(xí)、控制以及預(yù)警等功能模塊實(shí)現(xiàn)振動篩故障的智能診斷。

4.6 靈敏度分析

靈敏度分析是指在振動篩結(jié)構(gòu)動態(tài)修改技術(shù)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的某些參數(shù)不滿足設(shè)計要求時，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，使該參數(shù)朝著特定方向變化。靈敏度分析可以確定設(shè)計變量與目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系，并反映設(shè)計變量的改變對目標(biāo)函數(shù)的影響程度。在振動篩的動態(tài)設(shè)計過程中，為了滿足振動篩壽命和可靠性的要求，需要不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。一般先進(jìn)行理論計算或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估結(jié)構(gòu)載荷，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)系統(tǒng)阻尼，得到振動篩有限元模型并計算系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，包括位移、速度、加速度、變形和應(yīng)力等，檢驗(yàn)其是否滿足響應(yīng)準(zhǔn)則，然后通過靈敏度分析技術(shù)修改振動篩有限元模型，得到振動篩修正質(zhì)量矩陣和修正剛度矩陣，重新計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，直到滿足要求[46-47]。靈敏度分析存在諸多優(yōu)勢，因此在今后振動篩結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中，靈敏度分析是一個非常重要的內(nèi)容。

5 結(jié)語

近些年，我國振動篩行業(yè)發(fā)展迅速，篩分領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)出多學(xué)科相互滲透和交叉的局面，在理論研究、技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用方面都取得了長足的進(jìn)步。然而由于我國許多篩分技術(shù)是在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過消化吸收得到的，因此在取得階段性成果的同時，也需要認(rèn)清與國外振動篩技術(shù)之間存在的差距，特別是我國大型振動篩的可靠性與國外同類產(chǎn)品相比差距較大。面對振動篩行業(yè)發(fā)展的新形勢，建議進(jìn)一步完善現(xiàn)有的篩分與振動理論，尋求和發(fā)展新的篩分方法和技術(shù)，充分利用5G、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、數(shù)字孿生等前沿技術(shù)，不斷自主創(chuàng)新，著力提高振動篩的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性。同時在引領(lǐng)振動篩設(shè)備朝著大型、高效、可靠、節(jié)能、環(huán)保，以及標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、精細(xì)化、通用化、系列化、自動化與智能化方向發(fā)展的過程中，應(yīng)摒棄低價競爭的觀念，充分利用好國內(nèi)外有利條件，抓住機(jī)遇，轉(zhuǎn)變思路，調(diào)整方向，把重心放在提升核心技術(shù)上，不斷提升研發(fā)能力，提高振動篩產(chǎn)品的可靠性及競爭力，奮力開創(chuàng)我國振動篩行業(yè)發(fā)展的新局面。