收稿日期:2008-01-23
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50574091050774084)
作者简介：赵跃民(1961-)，男，河南漯河人，博士，教授，博士生导师，从事选矿工程的研究。 赵跃民，刘初升，张成勇
(中国矿业大学，江苏徐州 221008)
摘 要：以煤炭筛分存在的问题为背景，深入分析了筛分在煤炭洗选加工的作用，对近年来煤炭筛分研究和应用中的热点和难点问题进行了回顾。首先对概率筛分原理，等厚筛分原理，驰张筛分原理，弹性筛分原理，强化筛分原理进行了总结，介绍了颗粒运动学和筛分模型的新进展；其次对潮湿煤炭深度筛分堵孔机理和概率筛、强化筛、弹性杆振动筛、驰张筛、梯流筛、气流筛等深度筛分设备的研制和应用作了系统的阐述，指出了进行潮湿煤炭深度筛分设备研究和应用的必要性；最后对大型振动筛 在国内外的研制现状进行综述，指出国产大型振动筛存在可靠性差的问题，提出研究新的筛分理论、发展物理方法来减轻颗粒粘附难题，使用动态分析技术、创造新的结构解决国产大型振动筛可靠性差的问题。关键词：振动筛；筛选理论；堵孔；大型振动筛；可靠性
中图分类号:TD 91 文献标识码:A 文章编号:1005-2798(2008)02-0015-04
Progressi ng of Coal Screeni ng Theory and Equi pm e nt
Z HAO Yue -m in ,LIU Chu -s heng ,Z HANG Cheng -yong
(Ch i na Universit y of M i ning and T echnology,X uzhou 221008,China )
Abstrac t :In t h is paper ,w e deep l y analyzed the proble m of screeni ng i n coa l i ndustria.l W e l ook back a lot of issues and diffi culties of research and appli cation o f coal screening i n last fe w years .W e show t hat there are t wo key prob le m s wh ich are b li nding o f deep screen i ng and R e liab ility of large v i brati on screen .F irstly ,w e su mp up the screen i ng t heory of probab ilit y screen i ng ,banana v ibra ting screen i ng ,probab ilit y -banana vibra ting screen i ng ,
fli p-flo w screening ,e l asti c ity screening ,strong screen i ng ,and br i efly i ntroduce
the g ra i n ki nema ti cs and t he prog ress o f screen i ng m ode.l Second l y ,we syste m i ca lly expatiate t he block i ng of deep screeni ng o fm o i st coa l and t he deve l op m ent and app licati on o f the equip m ent of probab ilit y screen ,strong screen ,elasti c bar screen ,fli p-flo w screen ,hy -dra screen and gas stream -screen c l assifi e r e tc).W e po int out t he necessity o f research and appli cation of deep screen i ng equip m ent o f mo ist coa.l A t lastw e po i nt out tha t developi ng new screen theory ,a llev i a ting cong l uti nating of m ater i a,l m aki ng use o f dynam ics a -nalysis ,creati ng new structure are ma i n w ay s to so l ve t he t w o key prob l em s .K eywords :v i brati ng screen ;screen i ng theory ;block i ng ;large -scale v i brati on ;re li ability
筛分科学和技术是矿物加工工程的重要组成部分，在煤炭、冶金、化工、建材等部门的应用十分广
泛。筛分作为选煤技术的重要环节，在煤炭洗选中起到准备筛分、检查筛分、最终筛分、脱水脱泥脱介筛分等重要作用。近年来由于煤炭开采机械化发展，大部分矿区，细粒煤炭含量增加并且粒度越小灰分越低，适合采用筛选和重选联合工艺，即细粒煤炭直接供用给用户，粗粒煤炭进行洗选加工。由于筛分作业的重要性，近年来物料干法筛分理论与技术上都取得了长足的进步。下面对干法筛分理论和筛分设备进行简要地回顾。
1 筛分理论
目前较为成熟的筛分原理有概率筛分原理、等厚筛分原理、概率等厚筛分原理、驰张筛分原理、弹性筛分原理、强化筛分原理等。其中概率筛分原理是以颗粒透筛原理和颗粒为运动相结合研究的办法得出的；等厚筛分原理是将物料沿筛长厚度和物料分层相合得出的一种筛分方法；概率等厚筛分方法是将概率筛分方法和等厚筛分法得出的一种筛分原理。驰张筛分原理、弹性原理、强化筛分原理都是针对难筛分物料堵孔提出的。驰张筛分原理则是利用
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特约专稿
总第100期
筛面驰张运动提高筛面的振动加速度来克服堵孔，在上述筛分原理的研究基础上发展了一批筛分机并取得了良好的效果。如驰张筛、概率筛、琴弦筛、弹性筛、强化筛、梯流筛、棒条筛等就是在此原理上发展起来的。近年来随着开采原煤水分增高，尤其是选煤厂厂型大型化和高产高效的需要，筛分机处理能力增大，筛分过程堵孔严重，筛分过程难以进行，所以针对堵孔问题，国内外专家进行了大量的研究。赵跃民等人探讨了细粒煤的粒附机理，通过试验证实了外在水分是造成筛分过程中细粒煤粒附的首要因素，对粘附力和粘附厚度的影响因素进行了研究，提出了潮湿细粒物料粘附模型及解决堵孔的方案，为筛分机的设计和应用提供理论基础[1]。施忠凯等人通过颗粒间水份作用的分析建立了颗
粒间液桥力与其亲水性、颗粒大小、水分含量之间的关系，得出小颗粒间的液桥力大于大颗粒间的液桥力，亲水性颗粒间的液桥力大于疏水性颗粒间的液桥力，钳入角(水分)适中，颗粒间液桥力量大，当水份超过临界值时，颗粒间的吸引力变为排斥力[2,3]。德国H o lli n der和H ober g从物料表面物理、化学特性的角度详细研究了潮湿细粒物料在表面水分作用下互相粘附的粘附模型，并提出了减小潮湿细粒物料在表面水份作用下互相粘附的几种方法[4]。上述研究对颗粒粘附机理的揭示起到了很好的作用。
在颗粒运动学的研究上，赵跃民、刘初升发现单颗粒物料在筛面上的非线性复杂运动。发现单颗粒在理想状态下，在运动着筛面上呈现分叉、混沌运动，突破了原来单颗粒物料在筛面上线性是常运动学说，为颗粒在筛面上运动的理论研究提供了新视野[5]。
在颗粒透筛概率理论研究上，日本学者宫山岛俊明、山本健市提出了粒子形状对颗粒筛分特性的影响，他们研究了各种形状的椭圆形粒子的筛分模型，通过研究筛孔尺寸的各种不规则形状的三轴直径，验证了筛分粒子近似于椭圆粒子，发现粒子形状与筛分粒子大小的关系，提出了椭圆粒的筛分模型，它较球形颗粒假设更为接近于筛分实践[6]。
2筛分设备
在筛分设备的研究方面主要进行了干法深度筛分设备的研究和筛分设备大型化的研究。
2.1干法深度筛分设备
概率筛由于其筛分原理先进，采用大筛孔、大倾角能有效地防止堵孔，所以仍是选煤厂干法筛分中的重要设备之一，在山东、贵州等矿区获得应用，但概率筛分是一种近似筛分方法，其限上率、限下率指标较高[7]。强化筛是我国独创的一种干法筛分设备，具有振动频率低(300r/m in左右)，抗堵孔，透筛效果好，筛分效率高，在山西晋城矿区等获得应用，但存在筛邦易磨损，筛条易损坏的缺点[8]。弹性杆振动筛是中国矿业大学研制的一种新型筛分机，是利用筛杆在圆孔中自由颤振起到克服堵孔的作用来减轻堵孔，其中2STKB1755型弹性杆振动筛在义乌矿务局观音堂选煤厂进行原煤深度筛分，达到了降灰、脱硫的效果，取得了良好的效果和经济效益。驰张筛是难筛分煤炭深度筛分的一种有效筛分设备，义马造气厂从德国引了两台驰张筛在造气前进行深度分级，取得了很好的效果。中国矿业大学吸收国内外驰张筛设计的成功经验，研制了一种新型XCS 悬挂式驰张筛。该筛筛分效率高、噪声低、功耗小、具有广阔的应用前景[9]。由中国矿业大学研制的另一种气力分级技术也可进行煤炭细粒分级应用，该机型在分选方法上与普通筛分机不同，没有筛网，细粒产物通过振动流化床中上升气流的夹带分离出来，不存在筛孔堵塞问题，可进行6~0mm内任一粒度分级。当原煤外水[9.5%时,3mm分级效率可过80%~90%，该设备为实现潮湿煤炭-6mm分级开辟了一条新路[10]。棒条筛和梯流筛是利用悬臂梁振动振幅大于两端固支的梁振幅的原理设计的一种新型筛分设备，振动棒条能有效地防止筛孔堵塞，在我国宁夏石嘴山太西选煤厂等获得了应用[11,12]。中国矿业大学对上述筛分机的设计原理进行
了深入研究，提出了系统的弹性筛分理论，成功地指导了潮湿细粒煤炭干法深度筛分机的设计和生产[13,14]。2.2筛分机大型化
筛分设备大型化是近年筛分机设计和应用的焦点和热点工作。筛分机大型化是现代选煤厂高产高效的必然结果，筛分机的大型化导致其可靠性大大降低，如何提高可靠性是十分关键问题。我国最早从日本神户制钢公司引进了6台27m2的大型振动筛，用于淮北临涣选煤厂。近几年随着我国大型选煤厂的建设，已从国外引进筛宽在3m以上的大型振动筛近百台，大型振动筛市场几乎被国外制造公司所垄断，主要有澳大利亚约翰芬蕾公司，美国康威德公司，朗艾道公司，塞吉满公司，德国申克,KHD 等公司的大型振动筛。这些大型振动筛结构合理，参振质量小，材质优良、制造工艺成熟，使用效果好。这些筛型由于筛面宽度大，对单个承重梁的强度和刚度要求都很高，所以筛体结构复杂，所需的激振力大，这样对轴承承载能力和回转精度的要求都很高，对板材和型材的综合机械性能要求高，制造成本高。
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国内在大型筛分机研制方面，平顶山煤选设计研究院在承担国家/九五0科技攻关课题5高效先进选煤关键技术研究6中，开展了大型振动现代动态设计方法的研究，将动态分析技术应用于产品设计中，进行了振动筛选材的材料控制，制造精度的控制、焊接变形、内应力控制，防病处理取得了一定的进展，
设计制造的样机2ZK3660大型直线振动筛在平顶山田庄选煤厂进行了工业性试验[15,16]。辽宁工程技术大学王永岩等人对27m2大型直线振动筛进行动态仿真研究，通过SAP程序计算结果与CAD接口，得到了可视化的系统仿真图形[17]。煤炭科学总院唐山分院梁全刚等人提出了筛分机及其提高可靠性的措施[18]。郭勤涛等人针对选煤厂使用的ZK系列大型直线振动筛存在的强度问题，使用疲劳强度的可靠性设计方法对2ZK直线振动筛进行了改进，提高了振动筛的可靠性，为开发高性能的大型振动筛提供了依据[19]。中国矿业大学赵跃民、刘初升等人提出了大型振动筛弹性振动中存在超次谐波，并研究了利用柔性保护环进行振动筛轴承反共振的控制方法，取得了初步的成果[20]。中国矿业大学采用超静定动态设计技术研制的C W S大型直线振动筛通过了技术鉴定。上述研究对22~27m2振动筛的设计起到了促进作用，但要求无故障运行3000h及大于27m2振动筛的研究有待于进一步深入[21]。周广林、王正浩等人提出了利混沌振动分配系统的振动能量，以促进筛分效果，但这一设想有待于进一步研究[22,23]。
发展大型振动筛，提高处理能力的关键问题之一就是振动筛结构强度问题，大型振动筛出现的主要问题是：筛框易损坏，横梁和侧板断裂。影响振动筛寿命的因素有很多，如振动筛振动强度、结构尺寸和形状，零部件材料和制造工艺、物料特性及作业环境等[24,25]。由于振动筛在较高振动频率下工作，筛箱不仅承受筛分机重量和被筛分物料重量，而且还要承受很大的激振力，因此筛箱的结构要有足够的强度和整体刚度，使筛箱不致发生变形而损坏。侧板和横梁是筛箱的主要受力构件，所以振动 筛筛箱的强度问题主要是侧板和横梁的强度[26,27]，对此，专家们已经进行了深入的研究[28]，关于大型振动筛横梁断裂和侧板产生裂纹疲劳破坏及扭曲，韩二中教授首先用结构力学的方法对共振筛的横梁进行了强度分析，给出了横梁工作时的内力分布，确定出横梁受力最大的位置[29]。郭勤涛等人使用板单元和梁单元混合建模对2ZK3675直线振动筛进行了有限元应力分析。计算结果显示振动筛应力危险点依次是：支承筛板用的小梁、横梁的中部、振动器正下方侧板边缘，其中最大一根横梁中部空载时计算主应力为最大，而现场测试应力也为最大[19]。王正浩等人认为无缝钢管在各方向的惯性矩相同，受力状态比用槽钢横梁好，所以采用无缝钢管横梁代替槽钢横梁可以有效地避免横梁断裂[28]。
日本学者对宽4m、长12m筛分面积为48m2的大型惯性振动筛进行了强度分析，利用Kastan软件得出结论：振动筛达到预定转速时，构件无共振点，构件应力值也未发现较大跳动并与实测结果基本吻合[30]。从国外引进的大型冷矿筛框架横梁均采用工字型断面结构，易出现横梁裂纹及断裂现象，对工字型截面及矩形截面横梁力学性能的对比及实例计算，证实了工字型截面梁是不合理截面梁，而矩形截面梁较为合理，但该型材价格高且需进口[31]。Schenck公司筛分机采用矩形横梁、侧板上开长方形口、较薄侧板、侧板上布满角钢和折弯钢板、另有撑激振器矩形大梁与侧板组成筛框，采用整箱体激器激振等新结构，所有零件经过动态分析和动平衡测试，性能优良，已在我国煤矿获得广泛应用[31]。
北京科技大学孙刚研制的博后筛在在大型化方面取得了重要进展，博后筛采用分段驱动、软连接，实现了振动筛的大型化，其筛面面积达到1000m2，在工业应用中取得了较好的效果[32]。
超静定结构在工业，民用建筑和大跨度桥梁等方面已有很多成熟的结构。由于超静定结构有多余约束和多余未知力，因此超静定结构的内力状态单由平衡条件不能唯一确定，必须同时考虑变形条件。我们从以下两个方面来分析考虑超静定结构中多余约束的存在及其影响。
静定结构有一个约束破坏时就成为几何可变体系，因而丧失承载能力。但是超静定结构却与其不同。当多余约束被破坏时，结构仍为几何不变体，因而还有一定的承载能力。因此，超静定结构具有较强的防护能力，在大型振动筛上应用具有结构特征优势。
超静定网梁体结构本身作为一个整体单元，在振动筛结构体系中是一个振动元体。是由激振器组、静定板、超静定连接板、网梁(由多根管梁构成的一个梁系)组成。振动载荷对网梁体的作用，我们可以从振动筛动应力云图上看到其载荷作用的范围基本上是作用在网梁体周围。由于其分布力基本上是处于均布力的状态，所以超静定网梁激振体构成了一个大刚度包容体。集中载荷在这个包容体的抗衡下梁系的优势就体现出来了。由此单根管梁刚度和承载能力都得到了很大的提高，这正是设计大型振动筛从工艺结构、材料特性、可靠性几方面所期望得
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到的结果。目前，中国矿业大学与阳泉煤业集团公司正在合作研制超静定网梁激振结构大型振动筛。
3结论
1)对筛分理论如煤泥堵孔机理、颗粒运动规律、粒透筛概率等作了简要回顾，指出需要进一步研究新的筛分理论和新的筛分方法。
2)分析了煤炭干法深度筛分设备研究的新进展，提出了煤炭筛分技术研究的新方向。
3)深入开展可靠性研究，实现大型振动筛的国产化是当前一项十分迫切的任务。
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