综述：关于材料簇等厚度筛选研究的综述

《Powder Technology》：A review of the research on equal thickness screening of material clusters

煤制清洁能源的关键技术，等厚度筛分技术通过多轴变幅激振和变转速滚筒筛实现精准物料分层，结合刚柔耦合筛面和分段变倾角结构优化筛分效率达94%以上。研究采用多自由度动态模型和离散元法（DEM）揭示物料运动规律，提出动态稳定性优化、智能监控适应性和能耗调控策略，为绿色煤工业发展提供技术支撑。

　　在当前的煤炭工业中，煤炭洗选技术作为实现清洁煤利用的关键环节，对于提升煤炭洗选效率、解决传统直线振动筛存在的材料堆积和性能不足等问题具有重要意义。随着煤炭资源的不断开发和利用，对煤炭洗选技术的要求也日益提高，尤其是在节能减排和可持续发展的背景下，如何实现高效、低能耗、适应性强的洗选工艺成为研究的重点。近年来，针对煤炭洗选过程中存在的各种挑战，科研人员在振动筛的结构设计、筛面特性优化以及材料运动控制等方面进行了大量探索，取得了显著进展。

煤炭作为中国的主要能源来源，其储量巨大，达到了5.9万亿吨。中国能源结构的特点是煤炭资源丰富，但油气资源相对匮乏，因此在未来相当长的一段时间内，煤炭仍将是国家能源供应的重要支柱。为了确保煤炭的高效、清洁和安全利用，政府在2022年发布的政策文件中明确提出，要有序释放煤炭的高质量生产能力，以增强煤炭储备能力和水平。煤炭洗选技术作为清洁煤生产的基石，能够有效分离煤炭开采过程中混合的矸石，不仅降低了煤炭运输成本，还减少了煤尘和二氧化硫等污染物的排放，是实现清洁煤利用、节能减排和可持续发展的重要手段。

在煤炭洗选过程中，筛分操作是关键环节之一。据统计，各种筛分设备在煤炭洗选厂中占总设备的25%-33%。其中，振动筛因其结构简单、筛分效率高、处理能力大，已成为主流的筛分设备。振动筛广泛应用于原煤分级、预脱水、产品脱水、脱泥等工艺中。高效的煤炭分级是实现有效洗选的前提条件，而高效率的筛分操作则对产品脱水和干燥、介质回收和净化等关键环节产生重要影响。

目前，煤炭洗选企业主要采用传统的直线振动筛，如图1(a)和(c)所示。这些筛分设备在进料端和出料端均具有均匀的振动强度和振幅。在筛分过程中，材料会在进料端堆积，形成较厚的层，这在一定程度上影响了筛分效率。尽管细颗粒能够提高筛面的透气性，但由于材料层形成速度较慢，导致筛分效率降低。而在出料端，材料层迅速变薄，提高了筛分效率，但同时也限制了处理能力，因为细颗粒较少。为了克服这些传统筛分设备的问题，Burstlein J首次提出了基于群体运动理论的等厚筛分方法，如图1(b)和(d)所示。该方法通过调整不同筛面区域的抛射强度，使材料在进料端获得更大的加速度，从而加快分层过程。一旦材料分层完成，它们将受到与普通振动筛相同的加速度，使得细颗粒能够顺利通过筛面。这种方法能够维持材料层的均匀厚度，减少堆积，提高筛面的利用率，进而提升筛分性能。

然而，尽管等厚筛分技术具有诸多优势，但它也引入了一些新的挑战，这些问题成为后续研究的核心驱动力。首先，大型设备的动态稳定性问题较为突出。传统直线振动筛由于其单振幅振动特性，在放大规模时面临的问题相对较少。相比之下，等厚筛分设备（如双轴变幅设计）在宽度超过5米时，对不均匀材料负载的刚度不足，导致设备运行不稳定。多轴系统（三轴、四轴）需要精确的同步控制，即使是轻微的速度偏差（如三轴筛速度偏差±2弧度/秒）也会引起轨迹的扭曲。此外，四轴筛在宽度超过6米时，由于齿轮磨损，会导致轨迹不一致的问题，影响筛分效果。其次，等厚筛分设备在处理复杂材料时适应性较差。虽然传统筛分设备在处理干燥、低粘度的煤炭时相对稳定，但等厚筛分设备在处理高水分（>12%）或粘性煤炭时，容易出现筛孔堵塞，影响筛分效率。这些问题只能通过专门设计，如刚柔耦合筛面或高强度香蕉翻流筛等手段加以解决。第三，等厚筛分设备的能耗和成本较高。传统筛分设备依靠简单的激励系统，而等厚筛分设备的多轴或变幅结构增加了能量输入（如大型四轴筛的能量输入比传统设备高出10%-15%），并需要先进的控制系统，从而提高了制造和维护成本。

现有的煤炭筛分技术综述为理解振动筛的设计和应用奠定了基础。例如，Peng LP等人总结了用于煤炭准备的振动筛先进设计技术，重点探讨了传统振动筛的结构优化和性能提升。然而，他们的综述主要集中在直线和圆环形振动筛上，对等厚筛分技术的具体机制和最新创新覆盖有限。其他相关研究，如Dong KJ等人和Liu CS等人，通过离散元方法（DEM）模拟探讨了香蕉筛上颗粒的流动行为，但这些研究局限于特定的筛分类型或模拟方法，缺乏对激励结构优化、筛面特性改进以及材料群体运动规律的系统整合。此外，以往的综述很少涉及多参数（如正交设计、响应面法）的协同优化，以及等厚筛分技术中智能调节的新趋势。

鉴于上述不足，亟需进行一项系统性的综述，全面整合等厚筛分技术在激励结构创新、筛面适应性优化、动态机制研究、颗粒运动特性分析以及智能优化方面的进展。本文旨在填补这一空白，提供对等厚筛分技术的全面理解，并为未来的研究方向提供指导。

在等厚筛分技术中，抛射强度沿材料流动方向在筛面上逐渐减小，进料端的抛射强度较高，而出料端的抛射强度较低。根据抛射强度公式，抛射强度（Kv）与筛面振幅（A）、激励源频率（ω）以及筛面倾角（αs）密切相关。为了实现抛射强度的变化，需要对这些参数进行精确控制，以确保材料在筛面上的合理分布和高效分离。

在振动筛的动态建模方面，振动筛的动态特性和空间运动轨迹对材料群体的运动行为和颗粒通过筛面的分布具有重要影响。因此，深入研究和分析这些动态特性是至关重要的。国内外学者通过动力学建模、虚拟仿真和实验分析等方法对振动筛系统进行了广泛研究。在研究系统动态特性（如材料群体在筛面上的运动行为）时，需要考虑多种因素，包括激励参数、筛面几何形状、材料特性等。

材料群体在筛面上的筛分过程通常包括松散、分层、筛分和运输。在振动筛的周期性作用下，材料群体被反复抛掷，保持松散状态，从而促进粗细颗粒的分离和分层。分层是高效筛分的前提条件，细颗粒由于重力和振动引起的对流作用下沉到底部，形成稳定的分层结构。在此基础上，细颗粒能够顺利通过筛面，而粗颗粒则留在筛面上，最终实现有效的筛分。

为了研究和分析上述因素及其相互作用对筛分效率的影响，需要引入正交实验设计。正交实验设计是一种有效降低物理实验成本和减少离散元模拟重复次数的方法。例如，Zhao LL等人通过离散元模拟和田口正交设计优化了圆形振动筛。他们分析了振幅、频率和倾角等振动参数对筛分效率的影响，以及这些参数之间的相互作用。通过正交实验设计，能够更系统地研究不同参数对筛分效率的影响，为优化筛分设备提供科学依据。

在筛分设备设计的优化策略方面，需要充分考虑材料装载情况，根据不同的矿物特性（矿物类型、粒度组成、给料量、水分等）和工艺条件，对筛分设备的设计参数（如振幅、频率、倾角等）进行优化。对于处理能力超过2000吨/小时的大型设备，动态稳定性问题尤为突出。例如，6.5米宽的四轴振动筛（2500吨/小时）在运行过程中容易出现不稳定现象，影响筛分效率。因此，针对大型设备的动态稳定性问题，需要引入材料特性驱动的设计优化策略，如通过调整筛面结构、激励系统和材料运动控制，提高设备的稳定性和适应性。

综上所述，等厚筛分技术通过激励结构的创新、筛面特性的优化以及材料运动的控制，取得了显著进展，使煤炭洗选效率提升至94%以上。具体进展包括：激励结构的创新，如多轴变幅振动筛、多级组合筛和变速滚筒筛等设计，有效解决了传统筛分设备在处理能力、材料分布和筛分效率方面的问题；筛面特性的优化，如刚柔耦合筛面和香蕉翻流筛等设计，提高了筛分设备对高水分或粘性材料的适应能力；材料运动的控制，如通过精确调整抛射强度和加速度，确保材料在筛面上的合理分布和高效分离。

在实际应用中，等厚筛分技术不仅提高了煤炭洗选的效率，还对实现绿色工业转型具有重要意义。通过优化激励结构和筛面特性，能够有效降低筛分过程中的能耗，提高能源利用效率。此外，通过引入智能调节策略，能够实现对筛分过程的实时监控和动态调整，进一步提升筛分设备的适应性和稳定性。这些优化措施的综合应用，为构建一个闭环的可持续筛分技术体系提供了基础，有助于实现煤炭洗选的高效、清洁和低能耗目标。

未来的研究方向应着重于以下几个方面：一是进一步优化多轴振动筛的激励结构，提高其在大型设备中的动态稳定性；二是探索更加高效的筛面特性设计，如刚柔耦合筛面和高强度香蕉翻流筛，以适应不同类型的煤炭材料；三是开发智能调节系统，实现对筛分过程的实时监控和动态调整，提高筛分效率和适应性；四是加强多参数协同优化研究，如正交设计和响应面法，以更全面地分析和优化筛分设备的性能。这些研究将有助于推动煤炭洗选技术的进一步发展，为实现绿色工业转型提供更加坚实的支撑。