D5FG1216共振式复合振动筛技术研究与工业应用

赵环帅 黄 勇

(1.唐山陆凯科技有限公司，河北 唐山063020；2.中国冶金矿山细粒筛分机械工程技术研究中心，河北 唐山 063020；3.唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299)

0 引言

细粒物料筛分分级在现代矿业矿物加工作业中具有重要作用。在黑色金属选矿工业中，随着近些年工业的快速发展，对矿产资源的市场需求日益增长，在对矿产资源进行大规模持续开发的过程中，原有的易磨易选、粗粒嵌布的铁矿石资源已不能满足目前的需求，而难磨难选、细粒嵌布的选矿石资源的开发所占比重日益增大，因此今后对选矿技术与设备也将提出更高的要求[1,2]。同时在未来的煤炭洗选、化工化肥、玻璃陶瓷等相关行业细粒物料的筛分分级作业中，对相关筛分设备的分级精度、筛分效率和处理量等方面也都提出了更高的要求。国内现有概率筛、琴弦筛、尼龙筛、电磁筛等各种细粒物料筛分设备各有优缺点，且在处理量与筛分效率上各显不足。国外叠层高频细筛采用振动电机驱动，其属于传统振动模式，有直线和圆运动振动方式，近些年国内相关行业已有开始应用，但存在的问题是价格昂贵(约为国内重叠式高频细筛的3～4倍)，且效果褒贬不一[3,4]。同时细粒物料筛分分级和脱水作业中，筛网易堵现象直接造成筛分效率低、能耗高等问题，间接导致筛上球磨机物料量加大，增加磨选系统负担，增大能耗。基于此，研发一种新型高效的细粒物料筛分设备，提高碎矿、分级作业效率，为矿山企业节能减排提供一种可供选择的有效途径，丰富和发展现代选矿理论和技术装备，具有十分重要的现实意义。在多年对细粒物料筛分分级技术和设备研究基础上，吸取各类筛分设备的优点，把传统的振动理论与新颖的结构特征进行结合，研发了一种用于细粒物料湿法筛分、分级的D5FG1216共振式复合振动筛，其兼具良好的向前抛掷输送能力与较高的透筛率，也可有效提高设备单位面积处理能力与筛分效率。

1 工作原理与结构特点

1.1 工作原理

1)D5FG1216共振式复合振动筛振动方式为单自由度受迫振动，结构见图1。参振质体是筛箱组合，其通过两次减振装置安装于基础上，两台振动电机构成的振动电机组的简谐激振力合力驱动筛箱组合振动，激振力依据现场工作振幅、振动频率及参振质量等参数进行设计。振动方向角等于简谐激振力合力方向与筛箱组合中的筛面之间的夹角，振动频率取决于振动电机转速，设定单振源共振式复合振动筛工作点为远超共振状态，整机振动频率与筛机本身固有频率之比为5。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、筛箱组合安装倾角等参数均可根据工艺要求作为筛机设计的输入参数。

1-机架；2-筛箱组合；3-收料斗；4-弹性装置；5-底座；6-地基；7-检修台；8-给料箱；9-电控柜；10-振动电机组。

2)筛箱内部振动系统的共振同样以振动电机组为唯一振动源，筛箱组合在振动电机组的作用下形成直线振动，同时由于振动系统自身惯性使振动系统产生一个滞后于筛箱的相对运动，且此运动的振动系统固有频率与筛机振动频率处于近共振工作状态，二者合成而产生共振式复合振动。筛机的筛箱结构见图2。

图2 筛箱结构

1.2 结构特点

1.2.1 筛箱组合

筛箱组合主要由筛箱(单层或多层)、振动电机组、连接梁等部件组成。其具有刚度高、工艺性好、结构简单、连接紧凑、重量轻等特点。振动电机组安装在上层筛箱上，多个筛箱与连接梁采用紧固件进行刚性连接，筛面与水平面成一定倾角，以便于物料的向下流动。筛箱之间的间距既便于更换筛网等操作，也要便于观察筛面物料情况，同时减小占地面积和空间高度。

筛箱主要包括筛框、筛网、托网、筛网张紧装置、托网张紧装置、振动系统(共振弹簧座、共振弹簧硫化件、振动排)等部件。根据现场筛选物料对设备耐磨、防腐能力的要求，可以在筛箱表面选择喷涂油漆或聚氨酯，其中聚氨酯具有更高的耐磨、防腐能力。

筛网主要由工作网和托网组成。其中，工作网主要包括聚氨酯条缝式柔性筛网与不锈钢细丝编织复合网两种，且两种筛网具有良好的互换性。聚氨酯条缝式柔性筛网耐磨性强，使用寿命可达六个月左右，但价格相对较高；不锈钢丝编织复合网由两层不同孔径的筛网经硫化而成，开孔率高达33%，质量较轻，筛分效率可达70%～75%，价格相对较低。托网为钢丝绳芯聚氨酯网，其与振动帽直接接触，主要作用是传递和均布激振力，在保护工作网的同时，也提高工作网的刚度。托网与工作网的张紧机构采用快速装卸张紧机构，以方便更换筛网。

1.2.2 弹性系统

弹性系统由若干个橡胶减震弹簧组成，把筛箱组合支撑在机架上，缓冲筛箱组合在工作过程中对地基的动载荷，尤其是在启动和停车过程时，在筛机通过共振区时形成的共振动载荷，减振系数达90%以上；同时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时，也能有效减少筛箱组合的偏摆。

1.2.3 机架

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

1.2.4 集料槽

集料槽为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。在集料槽内矿浆直接冲刷的内表面，喷涂聚氨酯衬或粘贴耐磨橡胶板，以提高其耐磨性和耐腐蚀性。

2 动力学分析

2.1 工作点确定

D5FG1216共振式复合振动筛正常工作时，同时存在筛箱的直线振动和惯性共振敲击筛网振动两种振动。因两者参振质量相差较大(约10∶1)，弹性系统的刚度不同，故惯性共振敲击筛网对整机振动影响较小，可忽略不计。直线振动工作点在远超共振区，整机振动频率与筛机固有频率的比值约为5；惯性共振在低于共振点的近共振区，惯性振动系统固有频率与筛机直线振动频率的比值为0.9，能以最小的消耗产生较大的振幅及振动强度，从而可以提高筛分效率，避免筛网堵孔。

2.2 模型简化及分析

D5FG1216共振式复合振动筛的直线振动振体是独立筛箱或筛箱组合，振动电机紧固在筛箱组合的上层筛箱上而提供激振力，筛箱在两台振动电机产生的简谐激振力合力作用下，产生单自由度受迫振动。筛箱通过橡胶弹簧与机架连接，机架通过二次减振置于地面上，其振动力学模型见图3(参振体质量为m，激振力为F(t)，弹簧刚度K为各弹簧刚度之和，橡胶弹簧阻尼系数为C)。振动方向角与激振力的合力方向相同。工作点为远超共振区域，振动频率等于激振力频率，是振动系统固有频率的5倍。

图3 直线振动力学模型

惯性共振式振动机及主振系统力学模型见图4，其是一个双质体双自由度受迫振动。由于参振质量m2远大于参振质量m1，m1振动对筛箱组合单元的直线振动影响很微弱，可以忽略不计。其中振动电机组激振力公式：

F(t)=∑m0rω2sinωt

(1)

式中:F(t) 为激振力，N；m0为偏心块的质量，kg；r为偏心块质心至回转轴的距离，m；ω为筛机振动频率，rad/s；t为时间，s。

图4 惯性共振式振动机及主振系统力学模型

根据D5FG1216共振式复合振动筛的情况，适当的选择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，可以较小的激振力来获得较大的振幅，减少功率消耗。

3 技术优势对比

D5FG1216共振式复合振动筛在直线振动基础上附加了清网振动，有效的减少了筛网堵孔现象，提高了物料脱水透筛率，提高了单位面积产能，同时并未增加能耗，且具有价格相对低廉、结构简单、占地面积小等优点。可替代如固定尼龙细筛、GPS高频振动细筛、高频电磁振网筛等同类型技术设备，与上述可替代设备相比较优势显著见表1。

表1 技术优势对比

4 工业应用效果

4.1 在陕西某矿业公司铁矿厂的应用

陕西某矿业公司铁矿厂为提高磨矿效率，降低选矿成本，进一步提高产品质量，采用了四台D5FG1216共振式复合振动筛，安装后现场测试数据见表2。

表2 测试数据(质量分数) /%

通过表2可知，D5FG1216共振式复合振动筛筛分效率可以达到80%以上。经过长时间的连续使用表明，该设备筛分效率高，处理量大，运行稳定，其中D5FG1216单振源共振式复合振动筛的柔性聚氨酯筛网使用寿命可以达到十个月。

4.2 在辽宁某硼铁公司选矿厂的应用

辽宁某硼铁公司选矿厂为了适应矿山发展形势，对其重选车间进行技术改造，选用D5FG1216单振源共振式复合振动筛，经过一段时间的应用，现场反应效果很好，设备运行稳定，筛分效率较高，其现场测试数据见表3。

表3 测试数据(质量分数) /%

由表3可见，D5FG1216共振式复合振动筛的筛分效率较高，可以达到80%以上，从而更好地降低球磨机的循环负荷，提高磨矿处理量，提高精矿产量，同时减少了占地面积，便于用户的布置安装。

5 结语

D5FG1216共振式复合振动筛自2013年5月开始试制样机，并在现场进行了工业试验，取得良好效果，随后开始转入生产，并在国内多处选矿厂进行推广应用。截至2019年5月，累计制造和推广应用该系列产品数百台，创造了较大的新增销售额、新增利润及新增纳税额；同时也受到国外选矿企业的青睐，大量销售到俄罗斯、南非、澳大利亚等国外。通过现场多年来的工业应用表明，D5FG1216共振式复合振动筛有效提高了筛机筛面的物料输送能力和透筛能力，单位筛面面积处理量提升40%～50%，并节省占地面积。随着选矿设备智能化的发展，今后D5FG1216共振式复合振动筛还可以增加智能在线控制装置，实现在线监控，提高自动化水平。