基于EDEM圓振動篩篩分過程數值模擬研究

關 文，王一澤,郭 超

(中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100)

0 前言

隨著市場需求不斷增大，河砂資源枯竭且河砂開采嚴重破壞生態環境，過去十年機制骨料市場占比不斷增大。圓振動篩在砂石骨料的生產過程中得到了廣泛的應用，通過單層或多層篩面將顆粒大小不同的混合物料分成若干個不同的粒度級別，具有結構設計簡單，拆換篩面方便，處理能力大和節能降耗的優點[1]。但圓振動篩在研發過程由于受到實驗條件與設備的限制，通過實驗難以獲得顆粒微觀尺度上的全面運動信息。近年來，隨著離散單元法的發展，采用離散單元法(distinct element method，DEM)研究物料篩分逐漸成為熱點，這為圓振動篩的研發和優化提供了新的思路[2-6]。2011年，李洪昌等[7]基于EDEM軟件進行了振動篩分數值模擬，結果表明：其它條件一定時，隨著振幅和頻率增加，透篩效率增高；2016年，鮑春永等[8]基于DEM的方法進行了振動篩分過程的數值模擬和實驗研究，驗證了DEM模擬研究的可靠性，分析了振動頻率、篩面傾角、篩面長度等對篩分過程的影響；2021年，高楊楊等[9]基于DEM的方法進行了谷物清理篩篩分效率仿真實驗研究，分析了清理篩振幅和振動頻率對篩分效率的影響；2021年王秉等[10]基于DEM的方法對玉米直線振動篩進行了仿真分析，結果表明不同的下落高度，不同的顆粒形狀對篩分的效率都有較大的影響。目前對振動篩中顆粒群運動特性的研究尚未完全清楚，且已有的研究針對砂石骨料行業的圓振動篩研究較少。

本文以砂石骨料行業中的4YKR1545圓振動篩為研究對象，通過簡化圓振動篩模型，確定仿真過程中的關鍵參數，對圓振動篩篩分過程中顆粒的運動速度，空間分布等運動特性進行分析，最終得到不同粒級顆粒的篩分效率，為圓振動篩的研發與應用提供理論基礎與參考。

1 模型的建立與簡化

1.1 圓振動篩模型

4YKR1545為塊偏心軟連接式圓振動篩，篩面的寬度為1 500 mm，長度為4 500 mm。篩面的寬度主要影響物料輸送量，為減小仿真計算量，節約計算資源，將寬度設置為150 mm。篩面的長度影響物料顆粒在篩網上的運動時間，對篩分效率有重要影響，因此長度設置為4 500 mm，保持不變。圓振動篩簡化后的幾何模型如圖1a所示，坐標原點位于第四層5 mm篩網的中心，篩面采用鋼絲編織篩網，從上到下四層篩網的正方形網孔邊長分別為20 mm、16 mm、10 mm和5 mm，篩分后，篩網上物料進入尾部料斗中，如圖1b所示。

圖1 圓振動篩幾何模型

物料通過皮帶輸送進入振動篩，物料輸送量為110 t/h，傳送帶的速度為1.6 m/s。振動篩尾部和底部通過料斗對篩分后的顆粒進行收集。給料質量分布如表1所示。

表1 給料質量分布

1.2 運動學參數

根據JBT9022-2012,圓振動篩的主要運動參數有：振動強度K，拋射強度KV，篩面傾角α，篩箱振幅λ，振動頻率f。圓振動篩的運動軌跡近似為圓，在EDEM的仿真計算中，可以通過控制圓振動篩圓周運動的直徑和運動周期來間接保證相關運動參數與真實情況的一致性，其中振動強度計算為

(1)

式中，ω為角速度，rad/s；λ為單振幅，mm；g為重力加速度，m/s2。

拋射強度的計算公式為

(2)

圓振動篩篩面傾角α推薦取20±2.5°，篩箱振幅λ常取3～6 mm，本文中4YKR1545圓振動篩篩面傾角α為20°，篩箱振幅λ為5 mm,電動機轉速為850 r/min。

2 圓振動篩篩分效率離散元仿真

2.1 離散元仿真參數的選擇

本文采用EDEM2020對圓振動篩篩分過程進行仿真模擬。仿真顆粒原材料為玄武巖，圓振動篩篩網材料為不銹鋼。物料顆粒間的接觸模型設定為Hertz-Mindlin無滑移接觸模型。顆粒生成速率為3.06 kg/s，顆粒工廠在前0.5 s累計生成1.53 kg的顆粒物料。仿真總時長為10 s，仿真時間步長為2×10-5s。仿真結束后，通過后處理工具Bin groups等進行篩分效率分析和計算。相關仿真參數的取值如表2所示。

從式(6)、式(7)、式(8)以及圖3、圖4 可知：根據最大主應力準則，當采掘工作距離包裹體一定距離時，不同采動影響下的含應力包裹體煤體會在上覆巖層、包裹體、瓦斯的耦合作用下沿著最大主應力的方向發生破壞，且最大主應力所在角度θmax隨半徑的變化趨勢都相同，都是隨距離的增大逐漸減小，最終形成口大腔小的楔形或唇形結構斷面。當采掘靠近應力包裹體時，楔形或唇形斷面間的破碎煤體會失去有效束縛，拋向采掘空間，從而產生煤與瓦斯壓出或噴出現象。破碎煤體拋出后，孔洞斷面皆呈楔形或唇形，這與現場煤與瓦斯壓出后經常出現的口大腔小的楔形或唇形孔洞相吻合。

表2 仿真參數

2.2 顆粒篩分過程

篩網上顆粒群的運動和透篩是一個極其復雜的過程，包含了顆粒間，顆粒與篩網，顆粒與篩箱之間的相互作用。不同時刻顆粒的空間位置分布如圖2所示，提取不同時刻顆粒的空間位置分布，每2 s提取一次。

圖2 不同時刻顆粒的空間分布

如圖2所示，在篩分物料時，大量不同粒度大小的顆粒輸送到篩網上，由于物料與篩面的相對運動，篩網上的物料層被松散，小顆粒和大顆粒在運動過程中發生析離。較小顆粒穿過較大顆粒層，靠近篩面，透過篩網；隨著篩面的運動，顆粒物料不斷沿著篩面跳躍前進，分層和透篩相互交錯進行，最終不同粒徑的顆粒進入料斗，實現粗細顆粒的分離。

2.3 顆粒的運動軌跡

選取5 mm篩網上不同粒徑的顆粒為研究對象，追蹤其運動坐標可以得到不同粒徑大小的顆粒在篩板上的位置變化，進一步了解顆粒的運動特性。顆粒在Y=-1 000 mm時運動至5 mm篩網上，在Y=2 000 mm時運動至篩網末端，每隔0.1 s提取一次顆粒空間坐標，進而可以得到顆粒距離篩面的縱向距離Lv隨Y向坐標的變化，如圖3所示。

圖3 距離篩面的縱向距離Lv隨Y向坐標的變化

由圖3可知，不同粒徑的Lv大致分布在0～50 mm之間，不同粒徑的顆粒Lv隨著Y向坐標的增加間歇性的增大和減小，反映了顆粒的運動軌跡為連續跳躍，但是每次跳躍的距離具有隨機性，這可能是因為顆粒在運動過程中與其它顆粒或者篩網發生碰撞，碰撞角度不同，受力不同所致。

圖4為不同粒徑的顆粒距離篩面縱向距離的平均值Lva隨顆粒粒徑的變化，以5 mm篩網上10個不同粒徑的顆粒為研究對象，追蹤其運動坐標可以得到不同粒徑大小的顆粒Lv隨Y向坐標的變化，然后求其平均值。由于不同粒徑的顆粒Lv大致分布在0～50 mm之間，只對該范圍內的數據求其平均值Lva。

圖4 距離篩面縱向距離平均值Lva隨顆粒粒徑的變化

由圖4可知，隨著顆粒直徑的增大，Lva整體上隨顆粒粒徑的增加而增大，顆粒粒徑從3.7 mm增加至6.7 mm，Lva的值從18.29 mm增加至23.05 mm。這可能是因為大顆粒在運動過程中空隙增大，小顆粒在運動過程中更容易穿過大顆粒間隙到達篩面，而大顆粒更難穿過小顆粒的間隙，進而物料在篩面運動作用下發生析離，形成小顆粒在下，粗顆粒在上的分層排列，因此小粒徑比大粒徑顆粒的Lva值小。

2.4 顆粒的運動速度

5 mm篩網上的顆粒運動速度Vp在3 s時如圖5所示，不同的顏色不同的顆粒運動速度，由圖5可知顆粒的運動速度分布在0.29～3.05 m/s之間。

圖5 顆粒運動速度圖

圖6 顆粒運動速度Vp隨時間的變化

由圖6可知，顆粒的運動速度基本上分布在0～3 m/s之間，顆粒在篩網上的運動時間約為8 s。顆粒在跳躍前進的過程中與篩網或者其它顆粒發生碰撞，速度曲線出現一次次波峰和低谷，這是由顆粒跳躍前進的運動特性決定的。

對不同粒徑顆粒的運動速度峰谷出現的次數進行統計，可以得到不同粒徑的顆粒在運動過程中發生碰撞的次數，如圖7所示。

圖7 顆粒碰撞次數隨粒徑的變化

由圖7可知，隨著顆粒粒徑的增加，顆粒與篩面或者其它顆粒發生碰撞的次數整體上逐漸減小。這可能是因為顆粒在分層和透篩的過程中，小顆粒在下層，與篩網和其它顆粒的碰撞概率更大，更容易與篩網接觸發生透篩；而大顆粒在上層，與篩網和其它顆粒碰撞的概率更小。

2.5 圓振動篩的篩分效率

圖8a為最終料斗中不同粒級顆粒篩分效果，圖8b為5 mm以下細顆粒在其它料斗中的分布。

圖8 料斗中顆粒篩分效果

由圖8a可知，在振動篩分作用下不同粒徑的顆粒最終進入到不同的料斗之中，從而不同粒徑的顆粒進行了分級；由圖8b可知，部分5 mm以下的細顆粒在運動過程中沒有穿過5 mm篩網孔進入到底部料斗中，而是隨其它粒級顆粒進入尾部料斗中；在收集5～10 mm顆粒的料斗中，有著較多的5 mm以下的細顆粒，這是因為顆粒粒徑越小，顆粒質量越接近，篩網的篩分作用就越差。

篩分效率是評定篩分工作的重要指標，是指篩分時實際得到的篩下產物的重量與入篩物料內所含小于篩孔尺寸的粒級重量之比。因為篩上產品中常含有可以被篩下的細顆粒，因此篩下的細顆粒物料的重量永遠小于原始物料中細粒級的物料重量。最終篩分效率的計算如表3所示。

表3 不同粒徑篩分效率

由表3可知，在當前仿真條件下，振動篩對粒徑在20 mm，16 mm，10 mm以下粒級顆粒的篩分效果較好，對5 mm以下細顆粒的振動篩分效果較差。后續可以通過振動頻率、振幅、篩板傾斜角度等其它參數的調整，進一步提升振動篩的篩分效率。

3 結論

本文基于EDEM軟件對4YKR1545圓振動篩上顆粒群篩分過程進行仿真分析，得到如下結論：

(1)物料顆粒在篩面上跳躍式前進，隨著顆粒直徑的增大，顆粒距離篩面縱向距離平均值增大，原本不同粒徑顆粒在振動作用下傾向于形成小顆粒在下，粗顆粒在上的分層排列；

(2)顆粒的運動速度基本上分布在0～3 m/s之間，顆粒在篩網上的運動時間約為8 s，隨著顆粒直徑的增加，顆粒與篩面碰撞次數減少，較細的顆粒與篩網接觸碰撞概率會更大；

(3)振動篩對粒徑在20 mm、16 mm、10 mm以下粒級顆粒的篩分效果較好，可達80%以上，對5 mm以下細顆粒的振動篩分效果較差，后續可對其他參數調整以進一步提升細顆粒篩分效率。