关于弹性屏幕表面在复合激励下的振动响应特性及潮湿材料分布的研究

《Powder Technology》：Research on vibration response characteristics of elastic screen surface and distribution of moist materials under composite excitation

复合激励弹性筛网表面（CEESS）通过振动测试与多体动力学模拟分析，发现其振动强度与筛体振幅呈线性关系，与激励频率呈二次多项式关系。实验表明CEESS在S1-S2区域细颗粒渗透率达峰值，粗颗粒渗透率随筛网长度增加而升高，筛分效率较传统弹性筛网（SHEESS）提升4.22%，较刚性筛网（RSS）提升12.79%。

　　在当前的矿物加工领域，筛分技术作为关键环节，广泛应用于矿物分类和脱水等过程。然而，传统筛分方法中单次激励方式存在一定的局限性，特别是在处理高水分材料时，其振动能量传递不足，导致筛分效率低下。为了克服这一问题，本文提出了一种复合激励弹性筛面（Composite Excitation Elastic Screen Surface, CEESS），该结构通过结合振动测试与多体动力学仿真，深入研究了其振动特性和运动行为，并对不同区域的筛分性能进行了对比分析。研究结果表明，弹性筛面在各个测量点的振动强度与筛体振幅呈线性关系，与激励频率则呈二次多项式关系。同时，仿真结果显示，筛面中心的位移振幅显著高于对称侧的测量点。在实际应用中，CEESS在S1-S2区域表现出更高的细颗粒穿透率（在S3区域达到峰值），而在S5区域，粗颗粒的穿透率呈逐步上升趋势（在S5区域达到峰值），其筛分效率比普通谐波激励弹性筛面（Simple Harmonic Excitation Elastic Screen Surface, SHEESS）和刚性筛面（Rigid Screen Surface, RSS）分别提高了4.22%和12.79%。这表明，CEESS在提高高水分材料筛分效率方面具有显著优势。

传统刚性筛面在筛分过程中只能产生较低的振动强度，且自清洁能力较弱，难以解决高水分材料的聚集问题。而聚氨酯弹性筛面由于具有良好的自清洁性能和高弹性，能够减少材料在筛面上的附着，并产生比刚性筛面更高的振动强度，有助于松散聚集材料，从而促进材料的输送和通过筛面。然而，普通弹性筛面虽然在一定程度上解决了高水分材料的筛分问题，但在外部水分含量和细颗粒数量增加的情况下，其产生的振动强度不足以有效松散材料。为此，学者们进行了大量研究，例如Li等人[10]提出了一种翻流筛（Flip-Flow Screen, FFS），其结构为曲柄连杆式，能够产生更高的振动强度，从而改善筛分效果。Yu等人[11]研究了不同长度翻流筛在筛下材料分布模式上的差异，发现筛面长度对材料分布具有显著影响。 Zhao等人[12]则设计了一种钢琴线筛（Piano-Wire Screen），通过将筛网由多个柔性筛线组成，解决了高水分细颗粒材料堵塞筛孔的问题。这些方法虽然在一定程度上提高了筛分效率，但在实际应用中也暴露出一些问题，例如翻流筛在材料持续冲击下，筛面容易出现中间撕裂；而钢琴线筛的筛线则容易断裂，导致整个筛分系统失效。

为了解决上述问题，Song等人[13]提出了一种多自由度弹性筛面，通过研究筛面的动态特性，提高了筛分系统的稳定性和耐用性。 Zhou等人[14]则设计了一种新型弹性筛面（Elastic Vibrating Screen, EVS），并对其筛下材料分布模式进行了研究。 Yu等人[15]进一步提出了一种刚柔耦合超高弹性筛面，其最大加速度可达27g，能够有效延长筛面使用寿命。 Jiang等人[16]则设计了一种高弹性刚柔耦合筛面，并发现筛下细颗粒主要分布在筛面的前半部分。尽管刚柔耦合弹性筛面在提高筛面寿命方面表现出色，但在筛分3mm高水分材料时，细颗粒材料难以松散，且由于振动强度不足，筛分效果仍然欠佳。为此， Wang等人[22]提出了一种在筛面接触区域引入附加子结构的方法，该方法能够有效改变筛面的振动行为，从而提升筛分性能，为解决高水分材料筛分效率问题提供了新的思路。

为了进一步验证这一思路， Huang等人[18]提出了一种刚柔耦合弹性杆振动筛，并研究了筛面在不同激励参数下的位移变化和材料分布模式。 Yuan等人[23]则通过振动测试与分析系统，研究了击打轴和筛面在不同激励参数下的运动特性，揭示了筛分过程中材料的渗透规律。 Wang等人[17]也提出了一种在弹性筛面中引入多个附加结构的方法，以提高筛面的振动强度，从而促进高水分材料的松散和分散。 Yu等人[8]设计了一种附加击打球的刚柔耦合弹性筛面，通过击打球对筛面的冲击，提高了筛面的位移振幅，促进了材料的松散层化，从而解决了材料聚集问题。然而，尽管引入附加结构能够提高筛面的振动强度，但同时也带来了新的问题，如附加结构容易脱落，增加了筛面的磨损，导致筛面寿命缩短，同时使筛面结构更加复杂，提高了生产成本和能耗。

基于上述研究，本文提出了一种新的复合激励弹性筛面（CEESS），该结构在设计上不同于传统的附加结构方式，而是通过筛体的谐波激励与底部梁的阻挡作用相互作用，实现对筛面振动强度的增强，从而提高筛分效率。这一方法避免了引入额外结构的必要，同时能够有效克服高水分材料在筛分过程中因振动强度不足而导致的材料聚集问题。此外，CEESS在振动强度的控制上更加精准，能够在低振幅激励条件下产生更高的振动强度，从而满足高水分材料筛分的需要，同时避免了附加结构带来的高能耗和短寿命问题。

在研究方法上，本文采用了多种手段，包括振动测试、多体动力学仿真和筛分实验。首先，通过振动传感器对CEESS在不同激励参数下的振动响应特性进行了测量，确定了其振动强度与筛体振幅及激励频率之间的关系。随后，利用多体动力学仿真方法，对弹性筛面上不同测量点的运动差异进行了分析，比较了CEESS与SHEESS在相同测量点的位移变化。此外，还通过筛分实验对弹性筛面和刚性筛面的筛分效果进行了研究，分析了不同筛面结构下粗细颗粒的分布模式，并比较了不同筛面长度对材料渗透过程的影响，从而揭示了高水分材料在筛分过程中的渗透规律。

在实验材料的选择上，本文采用了高水分含量的高炉原料石灰石作为研究对象，其外部水分含量为3%。通过筛分实验，确定了该材料的粒径分布情况，使用标准方孔筛（孔径分别为1、3、6、9、13、25mm）进行筛分分析，得到了不同粒径范围内的颗粒含量，如0–1mm、1–3mm、3–6mm、6–9mm、9–13mm和13–25mm的颗粒含量分别为21.27%、19.16%、14.22%、13.97%、18.68%等。这些数据为后续的振动测试和筛分实验提供了基础支持，同时也反映了高水分材料在筛分过程中所面临的挑战。

在振动响应特性的研究中，本文在特定的振幅（3.21mm）和频率（15.67Hz）条件下，使用振动传感器测量了筛体、SHEESS和CEESS的振动强度，测量点位于两根梁之间的弹性筛面中心。在1秒的稳定运行过程中，选取了筛体和弹性筛面在Z方向的振动信号进行分析。通过绘制振动强度随时间的变化曲线，可以直观地观察到CEESS在不同测量点的振动行为。实验结果显示，CEESS在各个测量点的振动强度与筛体振幅呈线性关系，与激励频率则呈二次多项式关系。同时，由于底部梁的阻挡作用，CEESS在不同测量点产生了不对称的振动模式，使得筛分过程更加高效。

此外，本文还对不同区域的筛分性能进行了比较分析。研究发现，CEESS在S1-S2区域表现出更高的细颗粒穿透率，而在S5区域，粗颗粒的穿透率呈逐步上升趋势。这种分布模式表明，CEESS在筛分高水分材料时能够实现更均匀的材料分离，从而提高整体筛分效率。相比之下，SHEESS和RSS在筛分过程中表现出较低的细颗粒穿透率和粗颗粒穿透率，且在S5区域的穿透率提升不明显。这表明，CEESS在提高筛分效率方面具有显著优势。

在实验过程中，还对不同筛面长度对材料渗透过程的影响进行了分析。通过比较不同长度的筛面在筛分过程中的材料渗透情况，发现材料在筛面流动方向上的渗透率与筛面长度密切相关。这种渗透率的变化规律为优化筛面设计提供了理论依据，同时也揭示了材料在筛分过程中的流动特性。此外，通过筛分实验，还发现不同筛面结构对材料的分离效果具有显著影响，这表明在实际应用中，筛面结构的设计需要综合考虑材料的粒径分布、水分含量以及筛分效率等因素。

为了进一步验证CEESS的筛分性能，本文还对不同测量点的位移变化进行了比较分析。通过多体动力学仿真，对CEESS和SHEESS在相同测量点的位移变化进行了比较，发现CEESS在不同测量点的位移变化更加显著，且其不对称振动特性有助于提高材料的分离效果。此外，通过振动测试，还发现CEESS在不同激励参数下的振动响应更加稳定，能够有效适应高水分材料的筛分需求。这些结果表明，CEESS在提高筛分效率方面具有显著优势，同时能够避免附加结构带来的问题。

在研究过程中，还对不同筛面结构的振动强度进行了对比分析。实验结果显示，CEESS在相同激励条件下能够产生比SHEESS更高的振动强度，其最大振幅达到11.47g，平均振幅增加幅度为46.05%。这表明，CEESS在提高振动强度方面具有显著优势，能够有效克服高水分材料在筛分过程中因振动强度不足而导致的材料聚集问题。此外，CEESS在不同测量点的振动强度表现出不同的分布模式，这种不对称性有助于提高材料的分离效果，从而提升整体筛分效率。

在实验设计中，还对不同筛面结构的材料分布模式进行了分析。通过筛分实验，发现CEESS在不同区域的材料分布更加均匀，而SHEESS和RSS则表现出明显的不均匀性。这种分布模式的差异表明，CEESS在提高材料分离效果方面具有显著优势，能够有效避免材料在筛面中的聚集问题。此外，通过振动测试和多体动力学仿真，还发现CEESS在不同激励参数下的振动响应更加稳定，能够适应高水分材料的筛分需求，从而提高整体筛分效率。

在研究过程中，还对不同筛面结构的振动强度与材料分离效果之间的关系进行了探讨。实验结果显示，CEESS在相同激励条件下能够产生比SHEESS更高的振动强度，从而促进材料的松散和分散，提高筛分效率。此外，CEESS在不同测量点的振动强度表现出不同的分布模式，这种不对称性有助于提高材料的分离效果。相比之下，SHEESS和RSS在相同激励条件下产生的振动强度较低，导致材料难以松散，筛分效率也相应降低。

在实验分析中，还对不同筛面结构的振动强度与材料分离效果之间的关系进行了深入探讨。通过振动测试和多体动力学仿真，发现CEESS在不同测量点的振动强度与筛体振幅呈线性关系，与激励频率则呈二次多项式关系。同时，由于底部梁的阻挡作用，CEESS在不同测量点产生了不对称的振动模式，使得材料在筛分过程中更容易被分离。相比之下，SHEESS和RSS在相同测量点的振动强度较低，导致材料难以松散，筛分效率也相应降低。

此外，本文还对不同筛面结构的材料分布模式进行了比较分析。通过筛分实验，发现CEESS在不同区域的材料分布更加均匀，而SHEESS和RSS则表现出明显的不均匀性。这种分布模式的差异表明，CEESS在提高材料分离效果方面具有显著优势，能够有效避免材料在筛面中的聚集问题。同时，CEESS在不同测量点的振动强度表现出不同的分布模式，这种不对称性有助于提高材料的分离效果。

在研究过程中，还对不同筛面结构的振动强度与材料分离效果之间的关系进行了深入探讨。通过振动测试和多体动力学仿真，发现CEESS在不同测量点的振动强度与筛体振幅呈线性关系，与激励频率则呈二次多项式关系。同时，由于底部梁的阻挡作用，CEESS在不同测量点产生了不对称的振动模式，使得材料在筛分过程中更容易被分离。相比之下，SHEESS和RSS在相同测量点的振动强度较低，导致材料难以松散，筛分效率也相应降低。

本文的研究结果表明，CEESS在提高高水分材料筛分效率方面具有显著优势。其不对称振动特性有助于提高材料的分离效果，同时能够有效避免附加结构带来的问题。此外，CEESS在不同测量点的振动强度表现出不同的分布模式，这种不对称性有助于提高材料的分离效果。通过实验分析，还发现CEESS在不同激励参数下的振动响应更加稳定，能够适应高水分材料的筛分需求，从而提高整体筛分效率。

综上所述，本文通过提出一种新型的复合激励弹性筛面（CEESS），在解决高水分材料筛分效率问题方面取得了重要进展。CEESS通过结合筛体的谐波激励与底部梁的阻挡作用，实现了对筛面振动强度的增强，从而提高了材料的分离效果。同时，CEESS在不同测量点的振动强度表现出不同的分布模式，这种不对称性有助于提高材料的分离效果。此外，CEESS在不同激励参数下的振动响应更加稳定，能够适应高水分材料的筛分需求，从而提高整体筛分效率。这些研究结果为优化筛分技术提供了理论依据，同时也为实际应用中的筛分设备设计提供了新的思路。