[科普中国]-共振筛

简介振动筛是矿山、煤炭、建材、冶金、制药等行业生产中必不可少的设备之一。筛分机械的大型化、节能化以及提高工作性能、延长使用寿命、提高自动化水平是振动筛生产企业和设计者不断追求的目标。但大型振动机械除传给地基的动应力过大之外，侧板和梁容易断裂，筛框很快损坏。如果采用共振技术，由于激发同样的振幅所需要的激振力比非共振运行时减少很多，所以传动连杆与筛框连接处的动应力较小，可以提高侧板、梁和筛框的寿命，同时可以减少传给地基的动应力，同时也达到了高效节能的效果，是目前比较先进的大型筛分设备1。

在振动筛分机械不断发展的今天，各种筛型大量涌现，其中大部分是以线性振动为主。共振筛早在20世纪20年代就已经出现，到20世纪50年代才在工业生产上正式使用。国外从16世纪开始振动筛分机械的研究与生产，在18世纪欧洲工业革命时期，振动筛分机械得到迅速的发展，到本世纪振动筛分机械发展到一个较高水平。德国STK公司可提供260多种筛分设备；国内筛分机械在20世纪50年代得到发展，经历了仿制阶段，自行研制阶段和提高阶段。进入20世纪80年代后，我国成功研制了振动概率筛系列、箱式激振器等厚筛系列、粉料直线振动筛系列等。目前，振动筛分机械的发展方向：向大型化发展，国外筛面可达60.5平方米；向重型、超重型发展；向理想运动轨迹振动筛发展，寻找一种以理想运动方式为基础的新型筛分机成为筛分设备发展的一个新方向；向标准化、系列化、通用化发展；向空间发展；向难筛分物料筛机发展。科学有效的筛分方法，能提高振动筛分效率和生产能力，从近20余年的发展趋势可知，振动机械大型化可以减少振动机械台数，方便管理，减少基建面积，是提高效益的重要措施。

共振筛的特点是振动在接近共振区的条件下进行，即筛子的工作频率接近其本身的自振频率。利用这个特点，就可以用较小的激振力来驱动较大面积的筛箱。所以共振筛的动力消耗较小，可以做成较大的筛面。与其它方式的振动筛相比，该筛的单机处理能力大，且弹性系统大部分为双质量。而工作中运动质量的惯性力是平衡的，所以传给基础和传动机械的动力较小，生产厂房基础设施投资较低。从而实现了共振筛大型化、高效、节能化的目的。

共振筛发展状况共振筛自从1930年公开问世以来，它类型得愈来愈多，得到了普遍的应用因为它的机型特别成功，用比较小的激振力达到好的筛分。在发展开始时期，出现了线性弹性单质量系统。目前，对于分段线性非线性的理论研究已经有了不小的进展，陈予恕等学者进行了大量的研究。对于双质体分段刚度非线性共振筛的动力学研究基本上是通过非线性方法得到近似解，自由度相对较少。随着对该设备研究的发展，运用数值模拟的计算方法越来越被人们所重视，本论文针对目前的需求，运用计算机的高速高效性，有针对性和广泛性的建立仿真模型，达到深度和广度兼顾的动力学研究的目的。在继续发展中，则向多质量系统和非线性弹性系统2过渡。

各种共振筛的不同特点，表现为下列方面:

(1)结构型式

(2)动力学系统的等效力学模型示意图

(3)筛框的点运动轨迹。

共振筛的定义共振筛属于振动筛的一种，与振动筛不同点是：振动筛是在远离共振区的超共振状态下工作；而共振筛是在接近共振区的条件下工作，即筛分机的工作频率接近其筛子本身的固有频率。利用这个特点，就可以用较小的激振力来驱动较大面积的筛箱，所以共振筛的动力消耗小，而生产能力大3。

共振筛是一种筛面的振动频率与筛面(包含装载的物料)的固有振动频率一致的振动筛。在理论上，仅给予足以克服弹性体(弹簧或橡胶)内部阻力的能量即能使振动持续下去，因而这种筛除具有一般振动筛所具有的一系列优点外，还具有动力消耗少的突出优点。广泛应用于筛分各种粒度的物料。

共振筛的筛箱运动轨迹是直线或接近直线，其运动方向与筛面呈一定的抛射角，筛面一般为水平或微倾斜，所以，共振筛的运动特征与直线振动筛相似，筛子的工艺参数，可以沿用直线振动筛的计算方法。到目前共振筛发展的型式众多，按的数目可分为单质量、双质量和多质量三种。共振筛是筛分机械中较为先进的筛分设备，在大型选煤厂中得到广泛的适用，不仅可以作准备筛分和最终筛分，还可以用作无聊的脱水、脱泥及脱介。

共振筛的构造目前，共振筛多采用弹性连杆传动的双质量结构，按照两个质量比值的不同可分为质量比小于1、质量比等于1和质量比大于1三种。在选煤厂多使用前两种2。

图为我国鞍山矿山机械厂制造的15m2共振筛 。

该筛分机的上筛箱1和下筛箱2分别用金属螺旋弹簧3和4安装在基础上。为了保持筛箱之间的相对位置，在两筛箱间装有板弹簧5。由线性橡胶弹簧6和非线性橡胶弹簧7组成的复合主振弹簧平行地装设在两筛箱之间。下筛箱装有偏心轴8，当偏心轴转动时，通过弹性传动连杆9，将激振力传递到筛箱上，使筛箱作方向角为45°的直线运动。

是共振筛的复合主振弹簧。线性主振弹簧（串簧）由4片圆柱形橡胶弹簧元件4和4ˊ叠加而成。在上筛箱上装有固定座1，利用压板螺栓2和座板3将橡胶元件固定在固定座上。与下筛箱连接的圆管5放在弹簧中部，并用打击板6和螺栓7将圆管夹紧，当上筛箱和下筛箱作相对运动时，橡胶元件4和4ˊ分别受到压缩和伸长，起储存能量的作用。

共振筛的分类共振筛的型式众多，按其质量系统的数目，可分为单质量、双质量和多质量三种。但选煤厂采用的多为双质量系统的共振筛。双质量s共振筛具有两个振质量（筛箱和机架或两个筛箱），在工作中 两个振动质量的动力互相平衡，动负荷小，工作可靠。若能正确地选择和调整共振筛的工作参数，还可以得到较高的筛分效率；由于利用共振的原理工作，故动力消耗小，传动机构受力也小。由于共振筛的制造与装配要求高；操作和调试难度大；弹性元件价格昂贵；受给料变化的影响较大，所以，实际使用中受到了限制，故在选煤厂没有得到广泛的推广。应当指出，共振筛是种先进的筛分设备，适用于大型选煤厂，除了可作准备筛分和最终筛分外，还可用作物料的脱水、脱泥和脱介。

共振筛的工作原理共振筛是在接近共振条件下工作的1。而振动筛在共振区工作时，当其工作频率稍有改变时，筛分机的振幅就会有很大和变动，这时筛分机的工作是不稳定的。共振筛所以能在共振区附近工作，是因为采用了非线性弹簧，使弹性系统的振动，从线性振动变为非线性振动。根据机械振动学的理论，在非线性振动系统中，筛分机的自振频率不是一个定值，它随筛分机振幅的变化而改变，同时，非线性振动可使筛分要央共振区附近工作时的振幅变得稳定。

它是把筛子用多个弹簧支撑起来，并在筛子上装上偏心轮，偏心轮在皮带的带动下转动，是筛子受到周期驱动力的作用，做受迫振动。调整偏心轮的转速，可使驱动力的频率接近或等于筛子的固有频率，筛子发生共振，从而获得较大振幅，提高筛子的效率。下面以弹性连杆式共振筛举例说明：弹性连杆式共振筛（直线振动运动双质量系统。）根据弹簧共振原理制成。施予弹簧以外拉力，弹簧将伸长，外力取消后弹簧将发生振动。由于弹簧有内摩擦力（阻尼），故振幅将愈来愈小，最后将停止振动。如果在振动过程中能周期性地施以外力，此外力恰等于弹簧内阻力，则振动将保持下去。

存在问题及发展方向上世纪70年代末，我国自行设计投产了300万吨洗煤厂，双层302非线性共振筛是其关键设备，它是当时国际上最大的同类设备之一。但其设计使用寿命为10~12个月，而实际上只达到了1~2个月。机械部和煤炭部共同提出了其使用寿命的攻关问题。后面经过我国许多专家对其力学构建的不断优化，做了非线性平均法和实验相结合的分析研究，将平均法推广到多自由度非线性系统，提出了大型二体非线性共振筛机械设计理论，实现了共振筛参数的优化设计，延长了其工作寿命8~10倍2。

从上面这个实例可以看出筛分机械大型化对机械结构强度和刚度提出了高要求，尤其是共振筛，由于筛体工作时处于共振状态，机械部件（如支撑弹簧、激振弹簧和箱板等）的运动幅度和工作强度都比较大，所以磨损消耗特别厉害。如果仍采用普通筛分机械结构，则难于满足这一要求，就会限制筛分机械的大型化。而要获得良好的筛分效果和较大的单机处理能力，应采用足够大的振动强度。对振动机械来说，筛宽增加一倍，管梁的应变要增加16倍左右，所以梁的直径会迅速增大，对地基的动负荷也成倍增加，给机械制造业带来极大困难4。筛分机械应在低应力下工作，而筛面和物料之间要在高振动强度下工作，这就产生一对矛盾。因此，如何在提高筛分效率的前提下，设计出满足强度、刚度要求的大型或特大型振动筛，一直是国内、国际工程师和科技工作者研究的重要课题。目前对于振动筛设备，国内外主要的研究方向包括该设备振动噪声问题。要解决这些问题不光要发掘新的高性能机械材料外，最重要的是要不断地优化共振筛的结构，减少不必要的动力消耗和零件磨损，以减少噪音和器材的损耗，从而增大共振筛的性能，提高其处理量和筛分效率。