煤炭是我国主要的一次能源，储量丰富，是保障国家能源安全的压舱石和稳定器。选煤是煤炭清洁高效利用的基础性技术，筛分是选煤工艺的主体环节，各类筛分设备占选煤厂设备总量的25%～33%，我国每年筛分煤炭超30亿t，居世界**。《深度智能筛分理论与数字孪生》针对我国煤炭筛分基础理论与技术装备的开发现状与发展趋势，结合作者团队近十年以来筛分的研究工作，从煤炭筛分过程中粒群振动离析与高效透筛动力学研究入手，分析了颗粒离析速率模型和透筛概率学及概率学理论，开发了变振幅等厚筛分技术和变轨迹组合等厚筛分技术，提出了细粒煤强化透筛的动力学调控方法，研发了筛分过程分级效果在线评价和筛机运行状态智能检测程序及系统，在国家能源集团中国神华能源股份有限公司哈尔乌素露天煤矿开展工业应用。

目录
前言
**篇 基础篇
第1章 绪论 3
1.1 煤炭干法筛分 3
1.2 筛分装备体系 5
1.3 智能筛分技术 7
1.3.1 筛机运行状态智能监测 7
1.3.2 筛分效果智能评价 8
第2章 粒群振动筛分理论 9
2.1 粒群离析分层理论 9
2.1.1 离析模式转换边界及相图 10
2.1.2 离析动理学理论与模型 12
2.2 粒群振动透筛理论 15
2.2.1 概率模型 15
2.2.2 动力学模型 18
2.2.3 动力学与概率模型的区别与联系 19
第3章 等厚筛分理论体系 20
3.1 等厚筛分理论 20
3.2 多段变倾角等厚筛分 21
3.3 多轴激励变振幅等厚筛分 23
第二篇 技术篇
第4章 变振幅等厚深度筛分技术 27
4.1 变振幅等厚深度筛分技术动力学及空间运动轨迹 27
4.1.1 不平衡激振变振幅等厚深度筛分技术动力学模型及振动微分方程 28
4.1.2 变振幅等厚筛运动学参数时频响应特性分析 30
4.1.3 料流方向筛体不同区域空间运动轨迹 35
4.1.4 激振系统参数对变振幅等厚筛运动学特性的影响 41
4.2 变振幅等厚筛分料群运动特性及分级机理 44
4.2.1 变振幅等厚筛分料群运动特性分析 44
4.2.2 多段采样分析及筛分效果评价方法 49
4.2.3 变振幅等厚筛分料群透筛分布及效果分析 54
4.3 激振系统参数对料群变振幅筛分效果的影响 61
4.3.1 激振力系数对料群变振幅筛分效果的影响 61
4.3.2 激振梁相对跨距对料群变振幅筛分效果的影响 64
第5章 变轨迹组合等厚深度筛分技术 69
5.1 变轨迹组合等厚筛自同步动力学与筛体运动轨迹 69
5.1.1 单元筛双轴反向转动自同步动力学 69
5.1.2 不同激振条件下筛体运动学特性分析 71
5.1.3 变轨迹组合等厚筛运动轨迹随时间变化规律 78
5.2 变轨迹组合等厚深度筛分过程料群透筛分布规律 81
5.2.1 筛分效果评价指标及评价方法 81
5.2.2 探索激振力与频率对筛分效果的影响 84
5.2.3 探究给料速率对筛分效果的影响 87
5.2.4 变轨迹组合等厚筛激振参数优化试验 90
5.3 变轨迹组合等厚深度筛分过程颗粒运动学特性及料群分布调控 98
5.3.1 高速动态拍摄试验分析 98
5.3.2 变轨迹组合等厚筛分颗粒运动学特性分析 100
5.3.3 变轨迹组合等厚筛分料层变化及料群分布调控 104
第三篇 实践篇
第6章 筛分效果智能监测与在线评价技术 111
6.1 矿物粒度图像分析识别 111
6.1.1 矿物粒度图像识别与分析 111
6.1.2 颗粒图像采集及处理 113
6.1.3 颗粒尺寸获取 118
6.2 矿物颗粒空间图像重构与粒度测量 121
6.2.1 机器视觉测量误差分析 121
6.2.2 不规则矿物颗粒尺寸测量特性 127
6.2.3 等效粒径表征方法对粒度测量的影响规律 133
6.3 基于测量法的筛分效果自评价方法及应用 137
6.3.1 筛分效果自评价系统研究 137
6.3.2 筛分试验应用研究 141
第7章 筛分装备状态智能监测与故障预警及工程应用 147
7.1 国家能源集团中国神华能源股份有限公司哈尔乌素露天煤矿选煤厂智能筛分工程背景 147
7.2 筛体运动状态智能监测模块开发 148
7.2.1 运动状态监测模块设计 148
7.2.2 运行状态异常预警 150
7.2.3 运动状态监测模块测试应用效果 151
7.3 关键部件应变智能监测模块 158
7.3.1 脱泥筛易损区域的应变测量布置 158
7.3.2 分级筛易损区域的应变测量布置 159
7.3.3 分级筛/脱泥筛关键部件应变智能检测软件模块 160
7.4 关键部件温度智能监测模块 163
7.4.1 弛张筛、脱泥筛温度智能监测应用效果测试 163
7.4.2 油位智能监测研究 166
7.5 筛面损坏智能判识与预警模块 167
7.5.1 弛张筛筛分过程筛下超限物料粒度智能识别检测技术 167
7.5.2 脱泥筛筛板脱落智能判识与预警分析 174
7.5.3 筛板损坏智能判识与预警分析软件模块 177
7.6 筛分运行状态实时检测及故障智能预警系统 179
7.6.1 系统概述 179
7.6.2 系统运行效果 181
参考文献 186

**篇基础篇
　　第1章绪论
　　1.1煤炭干法筛分
　　煤炭是我国的主要一次能源，储量丰富，长期以来，我国煤炭消费量占能源消费总量的50%以上。富煤、贫油、少气的能源结构，决定了煤炭作为我国主要能源的格局在长时间内不会改变。我国原煤和商品煤质量差、灰分和硫分含量高，灰分含量小于10%的低灰煤仅占保有储量的15%～20%，硫分含量大于1%的中高硫煤占总量的33%。美国供应电厂的商品煤灰分含量小于8%，我国则在28%左右。煤炭对我国国民经济发展做出了重大贡献，但由于煤炭洁净加工利用程度低，带来了严重的环境污染。煤炭利用造成SO2和烟尘排放量分别占排放总量的85%和70%，是造成雾霾天气的主要因素之一，因此煤炭的清洁高效利用迫在眉睫。
　　选煤是煤炭清洁高效利用的基础性技术，可以排出煤炭开采过程中所混入的大量矸石，从而降低煤炭的运输成本，并减少烟尘和SO2排放量，是实现煤炭清洁利用、节能减排和可持续健康发展的基础，是洁净煤技术*经济有效的方法。目前，我国原煤入选率约为69%，而世界发达国家的原煤入选率为80%～100%。党的十八大以来，习近平总书记多次强调立足以煤为主的基本国情，抓好煤炭清洁高效利用。党的二十大报告明确提出，深入推进能源革命，加强煤炭清洁高效利用。2022年，国家发展改革委、国家能源局等部门联合发布《煤炭清洁高效利用重点领域标杆水平和基准水平（2022年版）》，要求对标实现碳达峰、碳中和目标任务，推动煤炭清洁高效利用。
　　筛分是选煤的关键环节之一，是将松散物料通过筛面筛孔，根据物料颗粒的尺寸将其分成多个不同粒度级产品的过程，可以分为湿法筛分和干法筛分，目前仍是*有效的物料粒度分类方法之一，广泛应用于煤炭、冶金、石油、化工、建材、食品及环保等领域，在许多行业生产过程中担负着重要职能。筛分作业是选煤-洁净煤技术的关键环节，据相关统计，各类筛分设备占选煤厂设备总量的25%～33%，筛分机械种类数目繁多，振动筛因结构简单、筛分效率高、处理量大，成为主要的筛分设备，常用于原煤分级、预先脱泥、产品脱水和脱介等，如图1-1所示。煤炭高效分级是其有效分选的前提，同时高效筛分对产品脱水干燥、介质回收净化环节均具有重要的影响。因此，就煤炭加工而言，筛分技术和分选技术处于同等重要的地位。我国大部分矿区生产的动力煤具有粒度越小、灰分越低的特点，采用筛分和分选的联合加工工艺，即筛出的粗粒煤再进一步分选，粉煤则直接供应电厂发电，这对优化产品结构、简化工艺系统、降低生产成本、提高经济效益和保护环境等具有十分重要的意义。
　　图1-1动力煤选煤厂工艺流程图
　　振动筛的大型化有利于简化选煤工艺、降低基础投资，随着煤炭产业结构调整和煤炭企业重组，大型煤矿数量增多，建设大型选煤厂对处理能力强的高效振动筛的需求与日俱增。现代化的采煤方法使得入筛原煤中的细颗粒物料含量增大（粒径<6mm，含量大于60%），井下防尘喷水、煤层渗水以及管理等方面原因，使得入筛原煤外在水分含量升高。振动筛进行潮湿细粒煤干法深度筛分时，筛面堵孔严重、筛面利用率及分级效率低，从而使得大量细粒煤进入主选设备中，不仅会直接影响分选设备的分选精度和稳定性，而且细粒煤经过洗选后的水分含量较高，还会降低整个产品的发热量并影响产品的价格。采用湿法筛分虽能提高分级效率，但需要增加细粒煤脱水作业，提高选煤生产成本，同时会导致次生煤泥量增加，进而增加煤泥水系统的负荷，并带来一系列问题，难以满足现代大型选煤厂高效集约化的生产要求。
　　综上所述，创新筛分效果好、处理量大、可靠性高、节能环保的煤炭高效干法深度筛分理论与技术，研发高效干法深度筛分设备，为全国大型选煤厂的建设提供技术保障与装备支撑，对推进能源革命，实现煤炭的高效清洁利用具有重要意义。
　　1.2筛分装备体系
　　筛分机械的种类繁多，按振动与否分类，分为固定筛、振动筛、旋转筛等；按筛面的结构分类，分为弹性杆筛、弛张筛、振网筛、滚轴筛、单元组合筛（节肢筛）等；按振动筛参数变化分类，分为高频筛、概率筛、等厚筛等。
　　固定筛的主要类型是格筛，其由平行排列的钢棒或钢条组成，钢棒或钢条称为格条或筛条，钢棒或钢条可采用圆钢、方钢、钢轨或梯形断面的型钢，格条借横杆（螺杆）连在一起构成面，格条间由一定大小的垫圈隔开，以获得一定大小的筛孔，如图1-2所示。格筛主要用于原矿仓粒度检查及粗碎、中碎前的预先筛分，其筛孔尺寸一般大于50mm，下限可至25mm，筛体的结构简单、机械强度高、无须动力输入、没有运动部件、运行费用低、维修方便，允许车厢直接将物料卸到筛面上，但其筛分效率不高，一般为50%～60%，筛孔易被堵塞。
　　图1-2格筛
　　振动筛根据筛体运动轨迹可以分为直线振动筛、圆振动筛及椭圆振动筛，如图1-3所示。直线振动筛主要功能部件有：激振器、筛面及其紧固装置、筛框、传动装置，主要通过同步异向旋转的双不平衡重激振器来实现筛箱的振动。其筛箱运动轨迹为直线，振动方向与筛面的夹角通常为30°～65°，筛箱可以水平安装或倾斜安装。直线振动筛具有结构简单、可靠性强、筛分效果好的优点。我国常用的直线振动筛主要有DS系列、ZS系列、ZKS系列、ZKB系列和双电机拖动的振动筛。圆振动筛是利用带偏心块的激振器使筛箱实现振动的筛机，其运动轨迹一般为圆形或近似圆形，筛面倾角较大，为15°～20°，筛机具有结构简单、制造成本低廉和维修工作量少等特点，我国常用的圆振动筛主要型号为DD型、ZD型、YA型、YK型和SZZ型。椭圆振动筛可通过对双轴振动筛激振器的偏心质量或偏心距加以调整，使筛体做椭圆形轨迹的运动。椭圆轨迹运动的双轴振动筛筛分效果更好，能够避免细颗粒物料黏结堵塞筛网，可提高筛分效果。我国常用的椭圆振动筛主要有DYK（B）、TAB、TKB型振幅递减椭圆运动筛。
　　旋转筛以筒形筛为主，也称滚筒筛、转筒筛，如图1-4所示。滚筒筛广泛应用于建筑、粮食加工、环保等行业。例如，在建筑行业使用滚筒筛进行清砂作业以及混凝土的
　　图1-3振动筛
　　（a）直线振动筛；（b）圆振动筛；（c）椭圆振动筛
　　清洗回收；在粮食加工行业用于粮食的清选；在环保行业用于对固体垃圾进行筛分处理。滚筒筛主要由电机、减速器、传动装置、支撑装置、筛筒、机架和进料装置等组成。电机通过减速传动装置驱动筛筒回转，被筛分物料从给料装置送入筛筒内，由于筛筒的回转，物料沿筛筒内壁滑动，细物料通过工作表面透过筛孔落入下方收料斗中，而粗物料则从筛筒的另一端排出，实现物料的分级。
　　图1-4滚筒筛设备部件图
　　一般滚筒筛按其工作表面形状分为圆柱形滚筒筛、截圆锥形滚筒筛、角柱形滚筒筛和角锥形滚筒筛。圆柱形滚筒筛的回转轴线通常装成不大的倾角，一般为4°～7°，而截圆锥形滚筒筛被水平放置；按其筛面层数分为单层滚筒筛、双层滚筒筛及多层滚筒筛，一般层数越多结构越复杂；按串联的筛筒数量分为单段滚筒筛和多段滚筒筛，多段滚筒筛可以串联不同直径或者不同筛缝尺寸的筛筒。滚筒筛可处理粒径为6～55mm的物料，在湿筛条件下甚至可以处理更细粒度级的物料。尽管滚筒筛在运行过程中无振动，但在每一时刻仅能利用筛面的一部分，因此其处理量低于振动筛，且极易堵塞，筛分效率低，工作表面的面积仅为整个筛面面积的1/8～1/6。
　　特殊结构筛分装备包括滚轴筛、交叉筛以及摇摆筛等，如图1-5所示。滚轴筛的筛面由许多根带有盘子的滚轴横向平行排列而成，相邻滚轴和相邻盘子间的空隙构成筛孔。滚轴筛的安装倾角不大，一般为12°～15°。滚轴筛驱动方式主要分为单轴单电机*立传动、多轴链条传动、多轴联动齿轮箱传动3种。交叉筛是在传统滚轴筛基础上研制出的一种筛分设备。交叉筛的筛面由多组同向旋转的筛轴组成，每根筛轴上安装若干等距筛片，相邻筛轴上的筛片相互交叉排列组成筛孔，