基于 DEM 的振動(dòng)篩篩孔形狀對(duì)潮濕原煤篩分效果影響的研究

汪美桃，劉利民，沈靜靜

1九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 江蘇徐州 221116

2機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計(jì)研究院有限公司上海分公司 上海 200080

3安徽新華學(xué)院 安徽合肥 230000

篩分作業(yè)是煤炭生產(chǎn)中必不可少的環(huán)節(jié)，對(duì)提高振動(dòng)篩的篩分率有著重要的意義[1]。但隨著采煤機(jī)械化程度提高，因防塵噴霧、煤層滲水等原因，造成開(kāi)采出的原煤含水量偏高，原煤中的潮濕細(xì)顆粒容易相互粘聚成團(tuán)或粘附于篩面上，嚴(yán)重影響篩分效率[2]。因此，需要優(yōu)化振動(dòng)篩的參數(shù)以提高潮濕煤的篩分效率。而篩孔形狀對(duì)篩分效率有一定的影響，需要研究篩孔形狀對(duì)篩分效率的影響程度，為設(shè)計(jì)適用于潮濕原煤的振動(dòng)篩提供參考。筆者基于離散元法(Discrete Element Method，DEM)，運(yùn)用 EDEM軟件對(duì)振動(dòng)篩篩孔形狀影響潮濕煤篩分效果進(jìn)行了研究。

1 潮濕煤篩分效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)

衡量振動(dòng)篩篩分效率的參數(shù)有很多，筆者主要研究潮濕原煤的篩分效果，因而不僅要考慮原煤透篩的效率，還要考慮篩面上顆粒堆積情況，即篩面上的阻礙原煤顆粒能否及時(shí)排出。因此，采用動(dòng)態(tài)篩分效率(公式 1)和阻礙粒排出率(公式 2)[3-4]作為振動(dòng)篩的實(shí)際篩分效果的考察指標(biāo)，其公式為

式中：ηt為t時(shí)刻的動(dòng)態(tài)篩分效率；m為t時(shí)刻篩下物總質(zhì)量，kg；n為t時(shí)刻物料中所含可篩物料總質(zhì)量，kg；nt為t時(shí)刻的阻礙粒排出率；p為t時(shí)刻排料物總質(zhì)量，kg；q為t時(shí)刻物料中所含阻礙粒的總質(zhì)量，kg。

2 顆粒接觸模型

若顆粒間沒(méi)有黏性力的作用，顆粒接觸模型可以采用 Oda 改進(jìn)離散元法[5](Modified Distinct Element Method，MDEM)的軟球干接觸模型模擬振動(dòng)篩面上顆粒之間的碰撞作用，而對(duì)于潮濕原煤顆粒，由于顆粒碰撞時(shí)有黏性力的存在，因此，采用線性粘聚接觸模型對(duì)潮濕原煤顆粒進(jìn)行模擬[6]。

3 模擬前處理

3.1 建立三維實(shí)體模型

為簡(jiǎn)化試驗(yàn)過(guò)程，提高模擬試驗(yàn)效率，筆者用EDEM 模擬試驗(yàn)，通過(guò) CREO 建立振動(dòng)篩的簡(jiǎn)化模型，僅保留振動(dòng)篩的基本結(jié)構(gòu)，分為篩框、篩面、落料區(qū)、出料區(qū)。篩面尺寸設(shè)為 350 mm×160 mm，篩面傾角為 5°，篩孔的形狀分別為圓形、方形和矩形，篩孔的名義尺寸均為a=10 mm，開(kāi)孔率為均為35%，然后將模型另存為 IGS 格式導(dǎo)入 EDEM 中，如圖 1 所示。

3.2 設(shè)置模型參數(shù)和顆粒屬性

模擬試驗(yàn)中所采用的篩面材料為鋼，根據(jù)文獻(xiàn)[3]查得原煤顆粒和篩面材料特性及接觸特性參數(shù)如表 1 所列。

3.3 定義篩面運(yùn)動(dòng)學(xué)特性

設(shè)置篩面沿z方向，運(yùn)動(dòng)類型為z向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，振幅為 3 mm，頻率為 8 Hz。

3.4 定義顆粒工廠

圖1 EDEM 仿真模型Fig.1 EDEM simulation model

表1 原煤顆粒、篩面材料特性及接觸特性參數(shù)Tab.1 Parameters of raw coal particle,sieving surface material features and contact features

在篩框上方建立顆粒工廠，落料時(shí)間從仿真開(kāi)始到 4 s 結(jié)束，入料顆粒由 10 000 個(gè)球顆粒組成，顆粒組成成分如表 2 所列。

表2 原煤顆粒組成成分Tab.2 Constitution of raw coal particles

3.5 仿真參數(shù)設(shè)置

將仿真時(shí)間設(shè)為 8 s，仿真時(shí)間步長(zhǎng)為瑞麗時(shí)間步長(zhǎng)(Rayleigh Time Step)的 40%，網(wǎng)格尺寸為 2rmin，即網(wǎng)格尺寸是最小顆粒半徑尺寸的 2 倍。

4 仿真結(jié)果及分析

為提高模擬試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，通過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)求平均值的方式，對(duì)篩下物顆粒及排料物中的阻礙粒進(jìn)行動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)，得到篩分效率、阻礙粒排出率和阻礙粒運(yùn)移速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖 2～4 所示。

如圖 2、3 所示：試驗(yàn)的前 1 s 左右，3 種篩孔形狀的篩面篩分效率基本一致，表明篩孔形狀對(duì)篩分效率基本沒(méi)有影響，篩面上阻礙顆粒也基本沒(méi)有排出；在 1～4 s，方形篩孔和矩形篩孔的篩分效率比圓形篩孔的篩分效率大，而阻礙粒排出率基本一致；在 4 s以后，矩形篩孔的篩分效率略好于方形篩孔，方形篩孔的篩分效率比圓形篩孔的篩分效率也略高，同時(shí)，阻礙粒排出率也呈現(xiàn)類似的情況。最終，矩形篩孔、方形篩孔和圓形篩孔的篩分效率分別為 77%、74% 和62%；阻礙粒排出率均超過(guò) 99%，但矩形篩孔的阻礙粒排出的時(shí)間更早。

圖2 不同篩孔形狀下的篩分效率Fig.2 Sieving efficiency at various-shape sieving hole

圖3 不同篩孔形狀下的阻礙粒排出率Fig.3 Discharge ratio of obstructing particles at various-shape sieving hole

圖4 不同篩孔形狀下的阻礙粒運(yùn)移速度Fig.4 Moving velocity of obstructing particles at various-shape sieving hole

如圖 4 所示，阻礙粒運(yùn)移速度在 1 s 左右達(dá)到穩(wěn)定值，表明 3 種情況下篩分均已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在穩(wěn)態(tài)篩分階段，阻礙粒運(yùn)移速度由大到小依次是矩形篩孔、方形篩孔和圓形篩孔，表明篩分效率高，阻礙粒運(yùn)移速度也相對(duì)越大，物料顆粒堆積的也越少。通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，在篩孔名義尺寸相同的情況下，潮濕煤在矩形篩孔篩面上的篩分效果最好，方形篩孔次之，圓形篩孔最差。

5 結(jié)論

(1)基于離散元分析軟件 EDEM，根據(jù)潮濕原煤顆粒存在黏性力的特點(diǎn)，采用線性粘聚接觸模型對(duì)潮濕煤顆粒在直線振動(dòng)篩上的篩分過(guò)程進(jìn)行了模擬。

(2)以動(dòng)態(tài)篩分效率、阻礙粒排出率和阻礙粒運(yùn)移速度作為振動(dòng)篩實(shí)際篩分效果的考察指標(biāo)，研究了圓形篩孔、方形篩孔和矩形篩孔的篩分效率。在仿真結(jié)束時(shí)，矩形篩孔、方形篩孔和圓形篩孔的篩分效率分別為 77%、74% 和 62%；阻礙粒排出率均超過(guò)99%，但矩形篩孔的阻礙粒排出的時(shí)間更早；阻礙粒運(yùn)移速度由大到小依次是矩形篩孔、方形篩孔和圓形篩孔。結(jié)果表明，在篩孔名義尺寸相同的情況下，矩形篩孔的篩分效果要優(yōu)于方形篩孔和圓形篩孔。