D5FG1216共振式復合振動篩技術研究與工業(yè)應用

趙環(huán)帥 黃 勇

(1.唐山陸凱科技有限公司，河北 唐山063020；2.中國冶金礦山細粒篩分機械工程技術研究中心，河北 唐山 063020；3.唐山工業(yè)職業(yè)技術學院，河北 唐山 063299)

0 引言

細粒物料篩分分級在現代礦業(yè)礦物加工作業(yè)中具有重要作用。在黑色金屬選礦工業(yè)中，隨著近些年工業(yè)的快速發(fā)展，對礦產資源的市場需求日益增長，在對礦產資源進行大規(guī)模持續(xù)開發(fā)的過程中，原有的易磨易選、粗粒嵌布的鐵礦石資源已不能滿足目前的需求，而難磨難選、細粒嵌布的選礦石資源的開發(fā)所占比重日益增大，因此今后對選礦技術與設備也將提出更高的要求[1,2]。同時在未來的煤炭洗選、化工化肥、玻璃陶瓷等相關行業(yè)細粒物料的篩分分級作業(yè)中，對相關篩分設備的分級精度、篩分效率和處理量等方面也都提出了更高的要求。國內現有概率篩、琴弦篩、尼龍篩、電磁篩等各種細粒物料篩分設備各有優(yōu)缺點，且在處理量與篩分效率上各顯不足。國外疊層高頻細篩采用振動電機驅動，其屬于傳統振動模式，有直線和圓運動振動方式，近些年國內相關行業(yè)已有開始應用，但存在的問題是價格昂貴(約為國內重疊式高頻細篩的3～4倍)，且效果褒貶不一[3,4]。同時細粒物料篩分分級和脫水作業(yè)中，篩網易堵現象直接造成篩分效率低、能耗高等問題，間接導致篩上球磨機物料量加大，增加磨選系統負擔，增大能耗?；诖?，研發(fā)一種新型高效的細粒物料篩分設備，提高碎礦、分級作業(yè)效率，為礦山企業(yè)節(jié)能減排提供一種可供選擇的有效途徑，豐富和發(fā)展現代選礦理論和技術裝備，具有十分重要的現實意義。在多年對細粒物料篩分分級技術和設備研究基礎上，吸取各類篩分設備的優(yōu)點，把傳統的振動理論與新穎的結構特征進行結合，研發(fā)了一種用于細粒物料濕法篩分、分級的D5FG1216共振式復合振動篩，其兼具良好的向前拋擲輸送能力與較高的透篩率，也可有效提高設備單位面積處理能力與篩分效率。

1 工作原理與結構特點

1.1 工作原理

1)D5FG1216共振式復合振動篩振動方式為單自由度受迫振動，結構見圖1。參振質體是篩箱組合，其通過兩次減振裝置安裝于基礎上，兩臺振動電機構成的振動電機組的簡諧激振力合力驅動篩箱組合振動，激振力依據現場工作振幅、振動頻率及參振質量等參數進行設計。振動方向角等于簡諧激振力合力方向與篩箱組合中的篩面之間的夾角，振動頻率取決于振動電機轉速，設定單振源共振式復合振動篩工作點為遠超共振狀態(tài)，整機振動頻率與篩機本身固有頻率之比為5。直線振動為物料篩分和輸送提供主要動力，直線振動的最大振幅、頻率、振動方向角、篩箱組合安裝傾角等參數均可根據工藝要求作為篩機設計的輸入參數。

1-機架；2-篩箱組合；3-收料斗；4-彈性裝置；5-底座；6-地基；7-檢修臺；8-給料箱；9-電控柜；10-振動電機組。

2)篩箱內部振動系統的共振同樣以振動電機組為唯一振動源，篩箱組合在振動電機組的作用下形成直線振動，同時由于振動系統自身慣性使振動系統產生一個滯后于篩箱的相對運動，且此運動的振動系統固有頻率與篩機振動頻率處于近共振工作狀態(tài)，二者合成而產生共振式復合振動。篩機的篩箱結構見圖2。

圖2 篩箱結構

1.2 結構特點

1.2.1 篩箱組合

篩箱組合主要由篩箱(單層或多層)、振動電機組、連接梁等部件組成。其具有剛度高、工藝性好、結構簡單、連接緊湊、重量輕等特點。振動電機組安裝在上層篩箱上，多個篩箱與連接梁采用緊固件進行剛性連接，篩面與水平面成一定傾角，以便于物料的向下流動。篩箱之間的間距既便于更換篩網等操作，也要便于觀察篩面物料情況，同時減小占地面積和空間高度。

篩箱主要包括篩框、篩網、托網、篩網張緊裝置、托網張緊裝置、振動系統(共振彈簧座、共振彈簧硫化件、振動排)等部件。根據現場篩選物料對設備耐磨、防腐能力的要求，可以在篩箱表面選擇噴涂油漆或聚氨酯，其中聚氨酯具有更高的耐磨、防腐能力。

篩網主要由工作網和托網組成。其中，工作網主要包括聚氨酯條縫式柔性篩網與不銹鋼細絲編織復合網兩種，且兩種篩網具有良好的互換性。聚氨酯條縫式柔性篩網耐磨性強，使用壽命可達六個月左右，但價格相對較高；不銹鋼絲編織復合網由兩層不同孔徑的篩網經硫化而成，開孔率高達33%，質量較輕，篩分效率可達70%～75%，價格相對較低。托網為鋼絲繩芯聚氨酯網，其與振動帽直接接觸，主要作用是傳遞和均布激振力，在保護工作網的同時，也提高工作網的剛度。托網與工作網的張緊機構采用快速裝卸張緊機構，以方便更換篩網。

1.2.2 彈性系統

彈性系統由若干個橡膠減震彈簧組成，把篩箱組合支撐在機架上，緩沖篩箱組合在工作過程中對地基的動載荷，尤其是在啟動和停車過程時，在篩機通過共振區(qū)時形成的共振動載荷，減振系數達90%以上；同時充分利用橡膠彈簧各方向剛度不同的特性，使彈性系統在有效減輕對地基動載荷時，也能有效減少篩箱組合的偏擺。

1.2.3 機架

機架是篩機各部件的安裝骨架，采用型鋼框架結構，其通過二次減振彈簧直接放置于地面上。

1.2.4 集料槽

集料槽為鋼板制造的箱形結構，用于收集每層篩箱篩分后的篩上和篩下物料。在集料槽內礦漿直接沖刷的內表面，噴涂聚氨酯襯或粘貼耐磨橡膠板，以提高其耐磨性和耐腐蝕性。

2 動力學分析

2.1 工作點確定

D5FG1216共振式復合振動篩正常工作時，同時存在篩箱的直線振動和慣性共振敲擊篩網振動兩種振動。因兩者參振質量相差較大(約10∶1)，彈性系統的剛度不同，故慣性共振敲擊篩網對整機振動影響較小，可忽略不計。直線振動工作點在遠超共振區(qū)，整機振動頻率與篩機固有頻率的比值約為5；慣性共振在低于共振點的近共振區(qū)，慣性振動系統固有頻率與篩機直線振動頻率的比值為0.9，能以最小的消耗產生較大的振幅及振動強度，從而可以提高篩分效率，避免篩網堵孔。

2.2 模型簡化及分析

D5FG1216共振式復合振動篩的直線振動振體是獨立篩箱或篩箱組合，振動電機緊固在篩箱組合的上層篩箱上而提供激振力，篩箱在兩臺振動電機產生的簡諧激振力合力作用下，產生單自由度受迫振動。篩箱通過橡膠彈簧與機架連接，機架通過二次減振置于地面上，其振動力學模型見圖3(參振體質量為m，激振力為F(t)，彈簧剛度K為各彈簧剛度之和，橡膠彈簧阻尼系數為C)。振動方向角與激振力的合力方向相同。工作點為遠超共振區(qū)域，振動頻率等于激振力頻率，是振動系統固有頻率的5倍。

圖3 直線振動力學模型

慣性共振式振動機及主振系統力學模型見圖4，其是一個雙質體雙自由度受迫振動。由于參振質量m2遠大于參振質量m1，m1振動對篩箱組合單元的直線振動影響很微弱，可以忽略不計。其中振動電機組激振力公式：

F(t)=∑m0rω2sinωt

(1)

式中:F(t) 為激振力，N；m0為偏心塊的質量，kg；r為偏心塊質心至回轉軸的距離，m；ω為篩機振動頻率，rad/s；t為時間，s。

圖4 慣性共振式振動機及主振系統力學模型

根據D5FG1216共振式復合振動篩的情況，適當的選擇m1、m2之間主振彈簧的剛度K，可以使系統的振動處于近共振狀態(tài)，可以較小的激振力來獲得較大的振幅，減少功率消耗。

3 技術優(yōu)勢對比

D5FG1216共振式復合振動篩在直線振動基礎上附加了清網振動，有效的減少了篩網堵孔現象，提高了物料脫水透篩率，提高了單位面積產能，同時并未增加能耗，且具有價格相對低廉、結構簡單、占地面積小等優(yōu)點?？商娲绻潭猃埣毢Y、GPS高頻振動細篩、高頻電磁振網篩等同類型技術設備，與上述可替代設備相比較優(yōu)勢顯著見表1。

表1 技術優(yōu)勢對比

4 工業(yè)應用效果

4.1 在陜西某礦業(yè)公司鐵礦廠的應用

陜西某礦業(yè)公司鐵礦廠為提高磨礦效率，降低選礦成本，進一步提高產品質量，采用了四臺D5FG1216共振式復合振動篩，安裝后現場測試數據見表2。

表2 測試數據(質量分數) /%

通過表2可知，D5FG1216共振式復合振動篩篩分效率可以達到80%以上。經過長時間的連續(xù)使用表明，該設備篩分效率高，處理量大，運行穩(wěn)定，其中D5FG1216單振源共振式復合振動篩的柔性聚氨酯篩網使用壽命可以達到十個月。

4.2 在遼寧某硼鐵公司選礦廠的應用

遼寧某硼鐵公司選礦廠為了適應礦山發(fā)展形勢，對其重選車間進行技術改造，選用D5FG1216單振源共振式復合振動篩，經過一段時間的應用，現場反應效果很好，設備運行穩(wěn)定，篩分效率較高，其現場測試數據見表3。

表3 測試數據(質量分數) /%

由表3可見，D5FG1216共振式復合振動篩的篩分效率較高，可以達到80%以上，從而更好地降低球磨機的循環(huán)負荷，提高磨礦處理量，提高精礦產量，同時減少了占地面積，便于用戶的布置安裝。

5 結語

D5FG1216共振式復合振動篩自2013年5月開始試制樣機，并在現場進行了工業(yè)試驗，取得良好效果，隨后開始轉入生產，并在國內多處選礦廠進行推廣應用。截至2019年5月，累計制造和推廣應用該系列產品數百臺，創(chuàng)造了較大的新增銷售額、新增利潤及新增納稅額；同時也受到國外選礦企業(yè)的青睞，大量銷售到俄羅斯、南非、澳大利亞等國外。通過現場多年來的工業(yè)應用表明，D5FG1216共振式復合振動篩有效提高了篩機篩面的物料輸送能力和透篩能力，單位篩面面積處理量提升40%～50%，并節(jié)省占地面積。隨著選礦設備智能化的發(fā)展，今后D5FG1216共振式復合振動篩還可以增加智能在線控制裝置，實現在線監(jiān)控，提高自動化水平。