在當前推動礦產(chǎn)資源清潔高效利用的國家政策背景下，振動篩分作為煤炭等關鍵能源資源加工的基礎環(huán)節(jié)，其效能直接關系到整個產(chǎn)業(yè)鏈的效率與環(huán)保水平。政策導向要求設備不僅處理能力大，更要能應對濕粘細粒物料等難篩分物料的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)高精度、低能耗的分離。然而，該領域面臨的核心技術瓶頸在于，傳統(tǒng)篩分設備（如圓振篩、直線篩）為解決物料粘堵問題而盲目增大振動強度，這不僅導致設備結構易損、壽命縮短，更未能從根本上優(yōu)化顆粒在篩面上的運動學特性與分離機制，造成能耗高、效率低、適應性差。

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

針對上述問題，由澤攸科技聯(lián)合河南理工大學組成的團隊進行了系統(tǒng)研究。團隊創(chuàng)新性地采用FEM-DEM耦合仿真方法，從微觀動力學層面系統(tǒng)揭示了不同振動模式（特別是柔性翻轉(zhuǎn)篩VFFS）下顆粒的分離機制與運動特性，為“按料選機”提供了精準理論支撐。

標題：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.揭示不同振動模式下的顆粒分離機制

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）三種振動模式下顆粒群的分離機理。通過FEM-DEM耦合仿真，研究發(fā)現(xiàn)顆粒分離主要依賴“滲透”與“對流”兩大機制。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)高流動性、大間隙的混沌運動，從而讓細顆粒快速通過間隙滲透至篩面，顯著提升初期篩分效率。相比之下，CVS和LVS則主要通過有序的全局對流環(huán)，使大顆粒上浮、細顆粒下沉，實現(xiàn)分層，但過程較慢且易因顆粒間隙小而阻礙細粒滲透。

圖 FEM-DEM聯(lián)合仿真原理

圖 不同振動模式下篩板與顆粒群聯(lián)動的仿真流程

2.量化振動模式對顆粒運動學特性的影響

研究深入分析了不同振動模式下顆粒的微觀動力學行為，通過繪制位移-時間曲線和頻譜圖，量化了顆粒的運動范圍與能量狀態(tài)。結果表明，VFFS上的顆粒位移波動范圍（如26.85–91.02 mm）遠大于傳統(tǒng)篩機，且不同粒徑顆粒的軌跡在時域上相互交疊，表明其運動劇烈且無序。而CVS和LVS上的顆粒則按粒徑分層運動，軌跡分離清晰。頻域分析進一步顯示，CVS和LVS的顆粒主頻與篩機激振頻率一致，能量來源單一；而VFFS的頻譜復雜，能量分布廣，易引發(fā)共振，從而增強物料流動性，但也導致系統(tǒng)更不穩(wěn)定。

圖 不同振動模式下顆粒運動的示意圖。Z軸為俯視圖。1#為沿篩板長度方向20 mm處的剖面位置，2#為沿篩板長度方向150 mm處的剖面位置，3#為沿篩板長度方向280 mm處的剖面位置

圖 不同振動模式下顆粒群的散點密度分布：(c) 3.15秒時篩面上顆粒群在不同振動模式下的運動狀態(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)關聯(lián)了篩機振動強度（Γ值）與顆粒系統(tǒng)能量耗散的關系。計算得出，VFFS的無載Γ值（30.7g）遠高于CVS和LVS（約3.29g），意味著其向顆粒傳遞的能量更大，導致顆粒碰撞更劇烈、系統(tǒng)動能更高。通過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，大顆粒碰撞能耗更高。同時，小顆粒在碰撞后的速度變化率更大，這從動力學角度解釋了為何細顆粒更容易向下遷移，從而在微觀層面支撐了“滲透”分離機制的合理性。

圖 不同振動模式下顆粒群的運動學特性：(a) 不同粒徑顆粒的運動學曲線；(b) 半徑為3 mm顆粒的運動軌跡

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

4.解析處理量增加對篩分動力學的非線性影響

針對實際生產(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）增加對篩分性能的影響。發(fā)現(xiàn)處理量增大時，所有篩機的顆粒體積填充率（Dv）均趨近其靜態(tài)值，標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載影響顯著。細顆粒達到穩(wěn)定運動狀態(tài)所需時間與處理量呈線性正比，且VFFS始終快于CVS和LVS。但高負載下，VFFS篩面變形幅度衰減超55%，系統(tǒng)由混沌運動退化為準周期運動，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構疲勞風險。