在當(dāng)前推動(dòng)礦產(chǎn)資源清潔高效利用的國(guó)家政策背景下，振動(dòng)篩分作為煤炭等關(guān)鍵能源資源加工的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其效能直接關(guān)系到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的效率與環(huán)保水平。政策導(dǎo)向要求設(shè)備不僅處理能力大，更要能應(yīng)對(duì)濕粘細(xì)粒物料等難篩分物料的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)高精度、低能耗的分離。然而，該領(lǐng)域面臨的核心技術(shù)瓶頸在于，傳統(tǒng)篩分設(shè)備（如圓振篩、直線篩）為解決物料粘堵問(wèn)題而盲目增大振動(dòng)強(qiáng)度，這不僅導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)易損、壽命縮短，更未能從根本上優(yōu)化顆粒在篩面上的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性與分離機(jī)制，造成能耗高、效率低、適應(yīng)性差。

因此戰(zhàn)略需求聚焦于開(kāi)發(fā)新一代智能、柔性、篩分技術(shù)與裝備。這要求深入研究不同振動(dòng)模式（特別是柔性篩如振動(dòng)翻轉(zhuǎn)篩VFFS）與顆粒群耦合作用下的分離動(dòng)力學(xué)機(jī)制，從微觀層面揭示能量傳遞、顆粒遷移（滲透與對(duì)流）規(guī)律，從而為設(shè)備選型和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供精準(zhǔn)的理論依據(jù)。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“按料選機(jī)”，根據(jù)不同礦物特性智能匹配篩分模式，在保障設(shè)備可靠性的前提下，篩分效率與處理能力，突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，支撐礦業(yè)的綠色、智能、高質(zhì)量發(fā)展。

針對(duì)上述問(wèn)題，由澤攸科技聯(lián)合河南理工大學(xué)組成的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用FEM-DEM耦合仿真方法，從微觀動(dòng)力學(xué)層面系統(tǒng)揭示了不同振動(dòng)模式（特別是柔性翻轉(zhuǎn)篩VFFS）下顆粒的分離機(jī)制與運(yùn)動(dòng)特性，為“按料選機(jī)”提供了精準(zhǔn)理論支撐。

標(biāo)題：Separation mechanism and kinematic characteristics of particles on screen panel with different vibration modes

期刊：Physicochemical Problems of Mineral Processing

網(wǎng)址：https://doi.org/10.37190/ppmp/205443

1.揭示不同振動(dòng)模式下的顆粒分離機(jī)制

本研究核心在于從物理本質(zhì)上闡明圓振篩（CVS）、直線篩（LVS）與柔性翻轉(zhuǎn)篩（VFFS）三種振動(dòng)模式下顆粒群的分離機(jī)理。通過(guò)FEM-DEM耦合仿真，研究發(fā)現(xiàn)顆粒分離主要依賴“滲透”與“對(duì)流”兩大機(jī)制。VFFS憑借其柔性面板的大變形，能更高效地打破顆粒間的粘附力鏈，使顆粒群呈現(xiàn)高流動(dòng)性、大間隙的混沌運(yùn)動(dòng)，從而讓細(xì)顆粒快速通過(guò)間隙滲透至篩面，顯著提升初期篩分效率。相比之下，CVS和LVS則主要通過(guò)有序的全局對(duì)流環(huán)，使大顆粒上浮、細(xì)顆粒下沉，實(shí)現(xiàn)分層，但過(guò)程較慢且易因顆粒間隙小而阻礙細(xì)粒滲透。

圖 FEM-DEM聯(lián)合仿真原理

圖 不同振動(dòng)模式下篩板與顆粒群聯(lián)動(dòng)的仿真流程

2.量化振動(dòng)模式對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的影響

研究深入分析了不同振動(dòng)模式下顆粒的微觀動(dòng)力學(xué)行為，通過(guò)繪制位移-時(shí)間曲線和頻譜圖，量化了顆粒的運(yùn)動(dòng)范圍與能量狀態(tài)。結(jié)果表明，VFFS上的顆粒位移波動(dòng)范圍（如26.85–91.02 mm）遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)篩機(jī)，且不同粒徑顆粒的軌跡在時(shí)域上相互交疊，表明其運(yùn)動(dòng)劇烈且無(wú)序。而CVS和LVS上的顆粒則按粒徑分層運(yùn)動(dòng)，軌跡分離清晰。頻域分析進(jìn)一步顯示，CVS和LVS的顆粒主頻與篩機(jī)激振頻率一致，能量來(lái)源單一；而VFFS的頻譜復(fù)雜，能量分布廣，易引發(fā)共振，從而增強(qiáng)物料流動(dòng)性，但也導(dǎo)致系統(tǒng)更不穩(wěn)定。

圖 不同振動(dòng)模式下顆粒運(yùn)動(dòng)的示意圖。Z軸為俯視圖。1#為沿篩板長(zhǎng)度方向20 mm處的剖面位置，2#為沿篩板長(zhǎng)度方向150 mm處的剖面位置，3#為沿篩板長(zhǎng)度方向280 mm處的剖面位置

圖 不同振動(dòng)模式下顆粒群的散點(diǎn)密度分布：(c) 3.15秒時(shí)篩面上顆粒群在不同振動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

3.探明篩面能量傳遞與顆粒碰撞能耗規(guī)律

研究首次系統(tǒng)關(guān)聯(lián)了篩機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度（Γ值）與顆粒系統(tǒng)能量耗散的關(guān)系。計(jì)算得出，VFFS的無(wú)載Γ值（30.7g）遠(yuǎn)高于CVS和LVS（約3.29g），意味著其向顆粒傳遞的能量更大，導(dǎo)致顆粒碰撞更劇烈、系統(tǒng)動(dòng)能更高。通過(guò)Hertz接觸理論建模，研究直觀揭示了碰撞力與顆粒半徑正相關(guān)，大顆粒碰撞能耗更高。同時(shí)，小顆粒在碰撞后的速度變化率更大，這從動(dòng)力學(xué)角度解釋了為何細(xì)顆粒更容易向下遷移，從而在微觀層面支撐了“滲透”分離機(jī)制的合理性。

圖 不同振動(dòng)模式下顆粒群的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性：(a) 不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線；(b) 半徑為3 mm顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖 不同顆粒群質(zhì)量下的龐加萊截面與運(yùn)動(dòng)相圖：(c) 篩板上單位面積顆粒群質(zhì)量為71.81 kg·m?2

4.解析處理量增加對(duì)篩分動(dòng)力學(xué)的非線性影響

針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中處理量變化的工況，研究系統(tǒng)考察了單位面積物料質(zhì)量（23.94–71.81 kg/m2）增加對(duì)篩分性能的影響。發(fā)現(xiàn)處理量增大時(shí)，所有篩機(jī)的顆粒體積填充率（Dv）均趨近其靜態(tài)值，標(biāo)志著篩分能力逼近極限。其中，VFFS的Dv變化幅度最大（增幅63%-87%），表明其顆粒活性受負(fù)載影響顯著。細(xì)顆粒達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需時(shí)間與處理量呈線性正比，且VFFS始終快于CVS和LVS。但高負(fù)載下，VFFS篩面變形幅度衰減超55%，系統(tǒng)由混沌運(yùn)動(dòng)退化為準(zhǔn)周期運(yùn)動(dòng)，易形成物料堆積，揭示了其在高處理量工況下的性能瓶頸與結(jié)構(gòu)疲勞風(fēng)險(xiǎn)。