潮湿原煤颗粒在三自由度混联振动筛中筛分效率研究

王成军, 章天雨, 李　龙, 陈金燕, 孟祥瑞

(1. 安徽理工大学 矿业工程博士后流动站, 安徽 淮南 232001; 2. 安徽理工大学 机械工程学院, 安徽 淮南 232001)



潮湿原煤颗粒在三自由度混联振动筛中筛分效率研究

王成军1,2, 章天雨2, 李龙2, 陈金燕2, 孟祥瑞1

(1. 安徽理工大学 矿业工程博士后流动站, 安徽 淮南 232001; 2. 安徽理工大学 机械工程学院, 安徽 淮南 232001)

为研究潮湿难筛分原煤颗粒在两平移一转动三自由度混联振动筛中的筛分效率变化规律,基于三维离散元法,运用EDEM软件模拟潮湿原煤颗粒的筛分过程.自主设计了两平移一转动三自由度混联振动筛,以研究各振动参数对原煤颗粒筛分效率的影响;综合采用动态筛分效率和阻碍粒排出率作为模拟筛分效率的评定指标,得出各自由度振动组合中的最佳激振模式及振动方向对潮湿原煤颗粒在筛面运动的作用;以动态筛分效率为参考值,采用正交实验方法,分析各因素对筛分效率的影响,得出影响因素分别为:外在水分、振动自由度、频率、振幅;用优选的筛分方案进行离散元模拟实验,验证了多维振动有利于潮湿难筛分原煤颗粒的分散、透筛及防堵.

潮湿原煤颗粒; 三自由度混联振动筛; 振动模式; 筛分效率; 离散元法; 正交实验

随着采煤机械化程度提高,因防尘喷雾、煤层渗水等原因,造成开采出的原煤水分偏高,特别是细粒级含量达70%以上的原煤,其外在水分往往高达7%～14%[1].在传统振动筛筛分作业时,原煤中的潮湿细颗粒在外在水分作用下相互粘聚成团或粘附于筛面上,严重影响筛分效率,恶化筛分过程.因此,实现3～6 mm粒级潮湿原煤颗粒筛分对提高企业的经济效益和国际竞争力至关重要.新型高效的潮湿细粒物料筛分机成为研究热点.筛分过程粘附理论方面:Rumpf,Pietch等人提出了理想的球形颗粒在表面水的作用下粘附力的计算方法,Hollinderbaumber和Hoberg教授计算了静止壁面上细粒物料的粘附量和壁面倾角的关系,陈惜民、赵跃民等用Rumpf，Pietch模型解释了细粒物料在筛分机上难以透筛的原因[2-3];筛分机方面:波兰、德国分别研制了适用于潮湿细粒煤筛分用的等厚筛、驰张筛,中国先后成功研制煤用概率分级筛、等厚筛、驰张筛、节肢振动筛[4],沈惠平等提出了并联振动筛的设计与研究[5-6].

现有颗粒物料筛分的数值模拟大都基于软干球模型发展而来,研究内容侧重于难筛分颗粒分层、运动状态等特点[7-8],以及振幅、振动强度、筛面倾角等对筛分效率的影响[9];对复杂形状颗粒的筛分,只有少数学者进行了模拟研究[10-12];但对于潮湿难筛分原煤颗粒数值模拟，国内外学者还少有研究,且目前其筛分效率的模拟研究大都针对直线振动筛的一维运动状态,多维振动对潮湿难筛分原煤颗粒筛分效率影响方面的研究未见报道.

论文在自主设计两平移一转动三自由度振动筛的基础上,利用三维离散元法对复杂形状的潮湿难筛分原煤颗粒的多维振动筛分过程进行模拟研究,讨论振动自由度、频率、振幅、外在水分对筛分效率的影响规律,为深入理解和进一步揭示潮湿难筛分颗粒在多维振动筛中的运动规律和筛分机理提供参考依据.

1　三自由度混联振动筛的结构设计

1—筛架;2—筛框;3—X向激振装置向激振装置;5—Z向激振装置;6—Y向辅助装置.图1　三自由度混联振动筛机械结构示意图Fig.1　The mechanical structure diagram of 3-DOF hybrid vibrating screen

2　模拟实验条件

2.1原煤颗粒模型

为使颗粒模型更具有代表性,经过对大量原煤颗粒尺寸测量分析后,提出一种棱形五触点颗粒,作为原煤颗粒的基本形状.该颗粒是主轴型颗粒,即轴向尺寸大于径向尺寸,其模型如图2所示.

图2　原煤颗粒模型Fig.2　The model of a raw coal particle

由图2(a)可以看出,该原煤颗粒由5个大小不一的球体叠加合成椭球体,并在该椭球体中部均布3个大小相同的球体.因此该复合几何体能够利用传统分析方法进行碰撞检测和模型接触力计算.其几何参数如图2(b)所示，其中：d为原煤颗粒直径,l为原煤颗粒长度,颗粒细长程度可由长径比d/l表示.

2.2颗粒接触模型

对于干燥颗粒间碰撞模拟,常用Oda改进离散元法(modified distinct element method,MDEM)的软干球接触模型模拟振动筛颗粒之间的碰撞作用[13],数学模型如图3所示[14]，其中：kn和dn分别为法向刚度和阻尼,kt和dt为切向刚度和阻尼,kr和dr为滚动刚度和阻尼.

图3　颗粒接触模型Fig.3　Contact model of particles

排除范德华力和静电力作用,颗粒运动方程表示为[15]

(1)

(2)

式中:mi,Ii分别为小球的质量和转动惯量;ni为与小球i接触的颗粒总数;vi为位移速度；法向作用力Fn,ij和切向作用力Ft,ij以及切向力矩Tt,ij和滚动摩擦力矩Tr,ij均可根据离散元法求得[16].

对于湿颗粒间的碰撞,接触颗粒间在外在水分的作用下会形成一个液桥力.因此,采用线性粘聚接触模型对湿颗粒进行模拟,该模型是在MDEM的软干球模型基础上添加一个法向粘聚力[17].液桥力的计算公式如下[18]：

Fcoh=kA，

(3)

式中：A为软球模型中颗粒的接触面积；k为粘聚能量密度，J/m3.

2.3振动筛模型

为突出不同激振模式下筛面运动形式对潮湿原煤颗粒筛分的影响,在用EDEM模拟实验中,对自主设计的混联振动筛进行了简化,仅保留筛框部分的基本特征,通过直接在EDEM中调节筛面运动参数,实现筛面各运动形式,并且忽略了气流等因素的影响.简化的振动筛三维模型如图4所示.振动筛筛面尺寸为280 mm×140 mm,筛孔尺寸a=5 mm,开孔率为35%.

图4　三自由度混联振动筛仿真模型Fig.4　Simulation model of 3-DOF hybrid vibrating screen

2.4模拟参数

原煤颗粒和筛面的材料特性及接触参数如表1[14]所列.入料颗粒由20 000个棱形五触点颗粒组成,d/l=0.7，粒径d=1～7.5 mm，其中：粒级比(d/a)为0.2～0.7的易筛原煤颗粒含量为80%，质量含量为45%；粒径比为0.7～1.0的难筛原煤颗粒含量为15%，质量含量为30%；粒径比为1.0～1.5的阻碍粒[14]含量为5%,质量含量为25%.筛面倾角为5°,仿真时间为10 s,入料时间为2 s,k=20 000 J/m3.

表1原煤颗粒和筛面的材料特性及接触特性参数

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

参数密度/(kg·m-3)弹性恢复系数静摩擦系数滚动摩擦系数泊松比剪切模量/GPa原煤颗粒13000.50.60.050.301.00筛面78610.50.40.050.2979.92

3　不同激振模式下的振动筛分模拟

3.1激振参数

为探究不同激振模式下的筛分效率,振动筛模拟实验的各项参数如表2所示.

表2　模拟实验激振参数

3.2激振模式对筛分效率的影响

筛分效率是反映筛分效果的重要指标,它受物料的外在水分、激振模式、振幅、频率等诸多因素的影响.原煤颗粒的实际筛分过程分为入料、透筛、运送和排料四个连续动态过程,筛分效率随时间的变化而变化,不能用现有的静态筛分效率公式来表征.故需采用动态筛分效率[14]作为振动筛的实际筛分效果的考察指标,其公式为

(4)

式中：ηt为t时刻的动态筛分效率;At为t时刻筛下物总质量,kg;St为t时刻物料中所含可筛物料总质量,kg.

因实际筛分是一个连续入料的过程,筛分过程中堆积在筛面上的阻碍粒若不能及时排出,则必然影响筛分效率.特别是潮湿原煤颗粒,因其具有易粘聚和易堆积特性,阻碍粒持续滞留,更易造成筛网堵塞.为研究不同激振模式下物料中阻碍粒的排出规律,论文提出用阻碍粒排出率来考察该筛分过程,该值是一个动态指标,其公式可表示为

(5)

式中：nt为t时刻的阻碍粒排出率;Bt为t时刻排料物总质量,kg;Zt为t时刻物料中所含阻碍粒的总质量,kg.

在模拟实验过程中,通过对筛下物颗粒及排料物中的阻碍粒进行动态统计,得到筛分效率和阻碍粒排出率随时间变化规律,如图5所示.

图5　动态筛分效率、阻碍粒排出率变化规律Fig.5　The variation law of dynamic screening efficiency and hindering particles excretion rate

由图5(a)可以看出,在振动频率、振幅及振动倾角相同的条件下:初始时,筛分效率与入料量基本呈线性递增,随着筛分过程的进行,筛上物料量逐渐增多,筛分效率逐渐趋于稳态.2 s时停止入料,筛分效率又恢复线性增加,并在4.04 s左右工况5，6，7均趋于稳定，工况1在2 s即入料结束后趋于稳定,工况3在3.65 s后即进入稳定阶段,工况2，4在4.04—10 s筛分效率仍缓慢增长.另外,工况2至7的筛分效率差距较小：在一自由度工况中,工况2的终筛分效率最好,为77.50%；在两自由度工况中,工况5的终筛分效率最好,为72.550%；三自由度中，工况7的终筛分效率为58.78%.工况1的终筛分效率最差:初始时,筛分效率上升较快,在1.19 s之后由于入料量增加、激振不足,导致筛面上物料堆积严重,筛分效率明显下降,2 s入料停止后,筛分效率呈小幅上升并趋于稳定,仅为27.52%,如图5(a)及图6(a)所示.

由图5(b)可以看出,在其它振动参数不变的条件下,各振动模式下振动筛的阻碍粒排出率差距显著.工况1的阻碍粒排出率基本为零,工况2的阻碍粒排出率较小,至仿真结束,只有26.65%,工况1和工况2的阻碍粒排出效果如图6(a)，6(b)所示,筛面存在大量原煤颗粒堆积现象,且工况1比工况2的筛面原煤颗粒运动状态更差.工况3、工况4的筛出效率在仿真的时间内基本呈线性增加,其在10 s时的终筛出效率分别为72.55%，47.45%,其终筛出效果如图6(c)、6(d)所示,筛面原煤颗粒运动均较为缓慢.工况5、工况6、工况7的筛出效率随着时间呈明显线性增加,并在7.95 s左右趋于稳定,其终筛出效率分别为77.65%，88.25%，95.25%,筛出效果如图6(e)、6(f)、6(g)所示,筛面物料基本筛出.

图6　各工况终筛分、排出示意图Fig.6　Final screening and excretion diagrams under various working conditions

4　筛分效率影响因素分析

4.1因子水平的确定及实验方案

潮湿难筛分原煤颗粒的筛分效率除了受激振模式的影响外,还与筛面的振幅、频率和原煤颗粒的外在水分等因素有关.为验证各影响因素的敏感性,减少模拟实验次数,采用正交实验的方法确定各因素的显著水平.结合三自由度混联振动筛的工作能力,选取不同自由度中最优激振模式,确定正交实验的因子水平,如表3所示.实验方案采用正交表L9(34),如表4所示.

表3　因子水平表

表4　实验设计方案(L9(34))及结果

4.2正交实验结果及分析

表4列出了潮湿难筛分原煤颗粒的多维振动筛分效率正交实验的结果,分析可知:影响筛分效率的因子依次为外在水分、自由度、频率、振幅,各因子对筛分效率影响的水平程度如表5所示.

表5　方差分析表

就单因素而言,因素A(DOF)对筛分效率影响顺序为A2,A1,A3;因素B(频率)对筛分效率影响顺序为B1,B2,B3;因素C(振幅)对筛分效率影响顺序为C2,C1,C3;因素D(粘聚能量密度)对筛分效率的影响顺序为D3,D2,D1.综合以上分析,得到筛分效率最佳组合为A2B1C2D3,即：DOF为X/Z,频率为5 Hz,振幅为8 mm,粘聚能量密度为6×104J·m-3.

4.3优选方案的数值模拟

为了分析最终优选方案的筛分、筛出效果，按照优选的最佳方案对多维振动筛的三维模型各项参数进行设置,得到如图7所示的实验结果.

图7　优选方案筛分效率、阻碍粒排出率变化规律Fig.7　The variation law of screening efficiency and hindering particles excretion rate in the optimum scheme

从图7中可以看出,最佳优选方案的动态筛分、筛出效率随着入料量的增加上升平稳,2 s后筛分、筛出效率增加迅速，并分别在4.37 s，6.35 s筛分、筛出效率趋于稳定.终筛分效率为70.28%,阻碍粒排出率为79.52%.筛分和筛出效率均衡,有利于原煤颗粒透筛及物料排出,有效防堵.

5　结　论

2)对各自由度的最佳激振模式、频率、振幅、外在水分进行正交实验.得到筛分效率对外在水分因素最敏感,自由度次之,振幅最弱.并对优选的最佳组合方案进行模拟实验,得出其筛分效率、阻碍粒排出率均衡,有利于实际生产中潮湿原煤颗粒的透筛及物料排出,有效防堵.

3)运用三维离散法能够比较精确地模拟并预测筛分过程中瞬时筛分效率、阻碍粒排出率.研究结果为多维振动筛分理论研究以及新型多维振动筛分设备的研制提供了参考.

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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.

中国博士后科学基金资助项目(2013M540507).

王成军(1978—)，男，江苏涟水人，博士，副教授，硕士生导师，从事并联机构、多维振动筛分理论与技术等方面的研究，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

本刊网址·在线期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb