王成軍, 章天雨, 李　龍, 陳金燕, 孟祥瑞

(1. 安徽理工大學 礦業(yè)工程博士后流動站, 安徽 淮南 232001; 2. 安徽理工大學 機械工程學院, 安徽 淮南 232001)

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潮濕原煤顆粒在三自由度混聯(lián)振動篩中篩分效率研究

王成軍1,2, 章天雨2, 李龍2, 陳金燕2, 孟祥瑞1

(1. 安徽理工大學 礦業(yè)工程博士后流動站, 安徽 淮南 232001; 2. 安徽理工大學 機械工程學院, 安徽 淮南 232001)

為研究潮濕難篩分原煤顆粒在兩平移一轉動三自由度混聯(lián)振動篩中的篩分效率變化規(guī)律,基于三維離散元法,運用EDEM軟件模擬潮濕原煤顆粒的篩分過程.自主設計了兩平移一轉動三自由度混聯(lián)振動篩,以研究各振動參數對原煤顆粒篩分效率的影響;綜合采用動態(tài)篩分效率和阻礙粒排出率作為模擬篩分效率的評定指標,得出各自由度振動組合中的最佳激振模式及振動方向對潮濕原煤顆粒在篩面運動的作用;以動態(tài)篩分效率為參考值,采用正交實驗方法,分析各因素對篩分效率的影響,得出影響因素分別為:外在水分、振動自由度、頻率、振幅;用優(yōu)選的篩分方案進行離散元模擬實驗,驗證了多維振動有利于潮濕難篩分原煤顆粒的分散、透篩及防堵.

潮濕原煤顆粒; 三自由度混聯(lián)振動篩; 振動模式; 篩分效率; 離散元法; 正交實驗

隨著采煤機械化程度提高,因防塵噴霧、煤層滲水等原因,造成開采出的原煤水分偏高,特別是細粒級含量達70%以上的原煤,其外在水分往往高達7%～14%[1].在傳統(tǒng)振動篩篩分作業(yè)時,原煤中的潮濕細顆粒在外在水分作用下相互粘聚成團或粘附于篩面上,嚴重影響篩分效率,惡化篩分過程.因此,實現3～6 mm粒級潮濕原煤顆粒篩分對提高企業(yè)的經濟效益和國際競爭力至關重要.新型高效的潮濕細粒物料篩分機成為研究熱點.篩分過程粘附理論方面:Rumpf,Pietch等人提出了理想的球形顆粒在表面水的作用下粘附力的計算方法,Hollinderbaumber和Hoberg教授計算了靜止壁面上細粒物料的粘附量和壁面傾角的關系,陳惜民、趙躍民等用Rumpf，Pietch模型解釋了細粒物料在篩分機上難以透篩的原因[2-3];篩分機方面:波蘭、德國分別研制了適用于潮濕細粒煤篩分用的等厚篩、馳張篩,中國先后成功研制煤用概率分級篩、等厚篩、馳張篩、節(jié)肢振動篩[4],沈惠平等提出了并聯(lián)振動篩的設計與研究[5-6].

現有顆粒物料篩分的數值模擬大都基于軟干球模型發(fā)展而來,研究內容側重于難篩分顆粒分層、運動狀態(tài)等特點[7-8],以及振幅、振動強度、篩面傾角等對篩分效率的影響[9];對復雜形狀顆粒的篩分,只有少數學者進行了模擬研究[10-12];但對于潮濕難篩分原煤顆粒數值模擬，國內外學者還少有研究,且目前其篩分效率的模擬研究大都針對直線振動篩的一維運動狀態(tài),多維振動對潮濕難篩分原煤顆粒篩分效率影響方面的研究未見報道.

論文在自主設計兩平移一轉動三自由度振動篩的基礎上,利用三維離散元法對復雜形狀的潮濕難篩分原煤顆粒的多維振動篩分過程進行模擬研究,討論振動自由度、頻率、振幅、外在水分對篩分效率的影響規(guī)律,為深入理解和進一步揭示潮濕難篩分顆粒在多維振動篩中的運動規(guī)律和篩分機理提供參考依據.

1　三自由度混聯(lián)振動篩的結構設計

1—篩架;2—篩框;3—X向激振裝置向激振裝置;5—Z向激振裝置;6—Y向輔助裝置.圖1　三自由度混聯(lián)振動篩機械結構示意圖Fig.1　The mechanical structure diagram of 3-DOF hybrid vibrating screen

2　模擬實驗條件

2.1原煤顆粒模型

為使顆粒模型更具有代表性,經過對大量原煤顆粒尺寸測量分析后,提出一種棱形五觸點顆粒,作為原煤顆粒的基本形狀.該顆粒是主軸型顆粒,即軸向尺寸大于徑向尺寸,其模型如圖2所示.

圖2　原煤顆粒模型Fig.2　The model of a raw coal particle

由圖2(a)可以看出,該原煤顆粒由5個大小不一的球體疊加合成橢球體,并在該橢球體中部均布3個大小相同的球體.因此該復合幾何體能夠利用傳統(tǒng)分析方法進行碰撞檢測和模型接觸力計算.其幾何參數如圖2(b)所示，其中：d為原煤顆粒直徑,l為原煤顆粒長度,顆粒細長程度可由長徑比d/l表示.

2.2顆粒接觸模型

對于干燥顆粒間碰撞模擬,常用Oda改進離散元法(modified distinct element method,MDEM)的軟干球接觸模型模擬振動篩顆粒之間的碰撞作用[13],數學模型如圖3所示[14]，其中：kn和dn分別為法向剛度和阻尼,kt和dt為切向剛度和阻尼,kr和dr為滾動剛度和阻尼.

圖3　顆粒接觸模型Fig.3　Contact model of particles

排除范德華力和靜電力作用,顆粒運動方程表示為[15]

(1)

(2)

式中:mi,Ii分別為小球的質量和轉動慣量;ni為與小球i接觸的顆粒總數;vi為位移速度；法向作用力Fn,ij和切向作用力Ft,ij以及切向力矩Tt,ij和滾動摩擦力矩Tr,ij均可根據離散元法求得[16].

對于濕顆粒間的碰撞,接觸顆粒間在外在水分的作用下會形成一個液橋力.因此,采用線性粘聚接觸模型對濕顆粒進行模擬,該模型是在MDEM的軟干球模型基礎上添加一個法向粘聚力[17].液橋力的計算公式如下[18]：

Fcoh=kA，

(3)

式中：A為軟球模型中顆粒的接觸面積；k為粘聚能量密度，J/m3.

2.3振動篩模型

為突出不同激振模式下篩面運動形式對潮濕原煤顆粒篩分的影響,在用EDEM模擬實驗中,對自主設計的混聯(lián)振動篩進行了簡化,僅保留篩框部分的基本特征,通過直接在EDEM中調節(jié)篩面運動參數,實現篩面各運動形式,并且忽略了氣流等因素的影響.簡化的振動篩三維模型如圖4所示.振動篩篩面尺寸為280 mm×140 mm,篩孔尺寸a=5 mm,開孔率為35%.

圖4　三自由度混聯(lián)振動篩仿真模型Fig.4　Simulation model of 3-DOF hybrid vibrating screen

2.4模擬參數

原煤顆粒和篩面的材料特性及接觸參數如表1[14]所列.入料顆粒由20 000個棱形五觸點顆粒組成,d/l=0.7，粒徑d=1～7.5 mm，其中：粒級比(d/a)為0.2～0.7的易篩原煤顆粒含量為80%，質量含量為45%；粒徑比為0.7～1.0的難篩原煤顆粒含量為15%，質量含量為30%；粒徑比為1.0～1.5的阻礙粒[14]含量為5%,質量含量為25%.篩面傾角為5°,仿真時間為10 s,入料時間為2 s,k=20 000 J/m3.

表1原煤顆粒和篩面的材料特性及接觸特性參數

Table 1Material properties and contact characteristic parameters of the raw coal particles and screening surface

參數密度/(kg·m-3)彈性恢復系數靜摩擦系數滾動摩擦系數泊松比剪切模量/GPa原煤顆粒13000.50.60.050.301.00篩面78610.50.40.050.2979.92

3　不同激振模式下的振動篩分模擬

3.1激振參數

為探究不同激振模式下的篩分效率,振動篩模擬實驗的各項參數如表2所示.

表2　模擬實驗激振參數

3.2激振模式對篩分效率的影響

篩分效率是反映篩分效果的重要指標,它受物料的外在水分、激振模式、振幅、頻率等諸多因素的影響.原煤顆粒的實際篩分過程分為入料、透篩、運送和排料四個連續(xù)動態(tài)過程,篩分效率隨時間的變化而變化,不能用現有的靜態(tài)篩分效率公式來表征.故需采用動態(tài)篩分效率[14]作為振動篩的實際篩分效果的考察指標,其公式為

(4)

式中：ηt為t時刻的動態(tài)篩分效率;At為t時刻篩下物總質量,kg;St為t時刻物料中所含可篩物料總質量,kg.

因實際篩分是一個連續(xù)入料的過程,篩分過程中堆積在篩面上的阻礙粒若不能及時排出,則必然影響篩分效率.特別是潮濕原煤顆粒,因其具有易粘聚和易堆積特性,阻礙粒持續(xù)滯留,更易造成篩網堵塞.為研究不同激振模式下物料中阻礙粒的排出規(guī)律,論文提出用阻礙粒排出率來考察該篩分過程,該值是一個動態(tài)指標,其公式可表示為

(5)

式中：nt為t時刻的阻礙粒排出率;Bt為t時刻排料物總質量,kg;Zt為t時刻物料中所含阻礙粒的總質量,kg.

在模擬實驗過程中,通過對篩下物顆粒及排料物中的阻礙粒進行動態(tài)統(tǒng)計,得到篩分效率和阻礙粒排出率隨時間變化規(guī)律,如圖5所示.

圖5　動態(tài)篩分效率、阻礙粒排出率變化規(guī)律Fig.5　The variation law of dynamic screening efficiency and hindering particles excretion rate

由圖5(a)可以看出,在振動頻率、振幅及振動傾角相同的條件下:初始時,篩分效率與入料量基本呈線性遞增,隨著篩分過程的進行,篩上物料量逐漸增多,篩分效率逐漸趨于穩(wěn)態(tài).2 s時停止入料,篩分效率又恢復線性增加,并在4.04 s左右工況5，6，7均趨于穩(wěn)定，工況1在2 s即入料結束后趨于穩(wěn)定,工況3在3.65 s后即進入穩(wěn)定階段,工況2，4在4.04—10 s篩分效率仍緩慢增長.另外,工況2至7的篩分效率差距較小：在一自由度工況中,工況2的終篩分效率最好,為77.50%；在兩自由度工況中,工況5的終篩分效率最好,為72.550%；三自由度中，工況7的終篩分效率為58.78%.工況1的終篩分效率最差:初始時,篩分效率上升較快,在1.19 s之后由于入料量增加、激振不足,導致篩面上物料堆積嚴重,篩分效率明顯下降,2 s入料停止后,篩分效率呈小幅上升并趨于穩(wěn)定,僅為27.52%,如圖5(a)及圖6(a)所示.

由圖5(b)可以看出,在其它振動參數不變的條件下,各振動模式下振動篩的阻礙粒排出率差距顯著.工況1的阻礙粒排出率基本為零,工況2的阻礙粒排出率較小,至仿真結束,只有26.65%,工況1和工況2的阻礙粒排出效果如圖6(a)，6(b)所示,篩面存在大量原煤顆粒堆積現象,且工況1比工況2的篩面原煤顆粒運動狀態(tài)更差.工況3、工況4的篩出效率在仿真的時間內基本呈線性增加,其在10 s時的終篩出效率分別為72.55%，47.45%,其終篩出效果如圖6(c)、6(d)所示,篩面原煤顆粒運動均較為緩慢.工況5、工況6、工況7的篩出效率隨著時間呈明顯線性增加,并在7.95 s左右趨于穩(wěn)定,其終篩出效率分別為77.65%，88.25%，95.25%,篩出效果如圖6(e)、6(f)、6(g)所示,篩面物料基本篩出.

圖6　各工況終篩分、排出示意圖Fig.6　Final screening and excretion diagrams under various working conditions

4　篩分效率影響因素分析

4.1因子水平的確定及實驗方案

潮濕難篩分原煤顆粒的篩分效率除了受激振模式的影響外,還與篩面的振幅、頻率和原煤顆粒的外在水分等因素有關.為驗證各影響因素的敏感性,減少模擬實驗次數,采用正交實驗的方法確定各因素的顯著水平.結合三自由度混聯(lián)振動篩的工作能力,選取不同自由度中最優(yōu)激振模式,確定正交實驗的因子水平,如表3所示.實驗方案采用正交表L9(34),如表4所示.

表3　因子水平表

表4　實驗設計方案(L9(34))及結果

4.2正交實驗結果及分析

表4列出了潮濕難篩分原煤顆粒的多維振動篩分效率正交實驗的結果,分析可知:影響篩分效率的因子依次為外在水分、自由度、頻率、振幅,各因子對篩分效率影響的水平程度如表5所示.

表5　方差分析表

就單因素而言,因素A(DOF)對篩分效率影響順序為A2,A1,A3;因素B(頻率)對篩分效率影響順序為B1,B2,B3;因素C(振幅)對篩分效率影響順序為C2,C1,C3;因素D(粘聚能量密度)對篩分效率的影響順序為D3,D2,D1.綜合以上分析,得到篩分效率最佳組合為A2B1C2D3,即：DOF為X/Z,頻率為5 Hz,振幅為8 mm,粘聚能量密度為6×104J·m-3.

4.3優(yōu)選方案的數值模擬

為了分析最終優(yōu)選方案的篩分、篩出效果，按照優(yōu)選的最佳方案對多維振動篩的三維模型各項參數進行設置,得到如圖7所示的實驗結果.

圖7　優(yōu)選方案篩分效率、阻礙粒排出率變化規(guī)律Fig.7　The variation law of screening efficiency and hindering particles excretion rate in the optimum scheme

從圖7中可以看出,最佳優(yōu)選方案的動態(tài)篩分、篩出效率隨著入料量的增加上升平穩(wěn),2 s后篩分、篩出效率增加迅速，并分別在4.37 s，6.35 s篩分、篩出效率趨于穩(wěn)定.終篩分效率為70.28%,阻礙粒排出率為79.52%.篩分和篩出效率均衡,有利于原煤顆粒透篩及物料排出,有效防堵.

5　結　論

2)對各自由度的最佳激振模式、頻率、振幅、外在水分進行正交實驗.得到篩分效率對外在水分因素最敏感,自由度次之,振幅最弱.并對優(yōu)選的最佳組合方案進行模擬實驗,得出其篩分效率、阻礙粒排出率均衡,有利于實際生產中潮濕原煤顆粒的透篩及物料排出,有效防堵.

3)運用三維離散法能夠比較精確地模擬并預測篩分過程中瞬時篩分效率、阻礙粒排出率.研究結果為多維振動篩分理論研究以及新型多維振動篩分設備的研制提供了參考.

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Study on screening efficiency of moist raw coal particles on3-DOF hybrid vibrating screen

WANG Cheng-jun1,2, ZHANG Tian-yu2, LI Long2, CHEN Jin-yan2, MENG Xiang-rui1

(1. Post-doctoral Mobile Station of Mining Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China;2. School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

To study the variation law of screening efficiency of difficult screened moist raw coal particles on the 3-DOF hybrid vibrating screen with two translational and one rotational degree of freedom which was designed independently to research the influence of various vibration parameters, EDEM software was used to simulate the screening process of particles based on DEM. Dynamic screening efficiency and hindering particles excretion rate were used as evaluation indices in simulation screening effect. Then the optimal excitation mode in each combination with all freedom was obtained as well as the effect of vibration direction on moist raw coal particle motion on screen surface. Orthogonal experiment was used in analyzing the effect of various factors on screening efficiency with dynamic screening efficiency as reference value. It was found that the Influence factors were external moisture, vibrational freedom, frequency and amplitude. The optimal screening scheme was used for the simulation experiment and the results verified that multi-dimensional vibration was beneficial to the screening process of difficult screened particles and could prevent jamming the screen holes.

moist raw coal particle; 3-DOF hybrid vibrating screen; vibration mode; screening efficiency; discrete element method (DEM); orthogonal experiment

2015-10-30.

中國博士后科學基金資助項目(2013M540507).

王成軍(1978—)，男，江蘇漣水人，博士，副教授，碩士生導師，從事并聯(lián)機構、多維振動篩分理論與技術等方面的研究，E-mail:cumt1279@163.com.http://orcid.org//0000-0003-1258-574X

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.03.011

TH 123.1； TD 452

A

1006-754X(2016)03-0264-05

本刊網址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb