基于EDEM的回收瀝青混合料滾動篩篩分效率與運動參數的關系

馬成林

（長安大學，陜西 西安 710000）

隨著中國道路建設的日臻成熟，中國的道路建設逐漸走向以養為主，養建并重的階段[1]。而就地廠拌熱再生是一種新型的、能夠兼顧廠拌熱再生與就地熱再生兩種再生方法優點的養護方法。就地廠拌熱再生需要對原瀝青路面進行清掃、銑刨，然后對回收瀝青混合料進行篩分、稱重，并將各檔料稱重配料后與配好的RAP回收料混合[2]。混合料進入移動式加熱設備中進行加熱、攪拌，再進行攤鋪等操作。其中，對銑刨料的篩分從根本上影響了級配的效果，影響了后續攪拌后混合料的質量。而在對回收瀝青混合料的篩分中，滾動篩分作為一種通用的篩分黏性顆粒的篩分方式被提出。但還沒有文章詳細討論滾動篩分中運動參數對篩分效率與篩分速度的影響，本研究致力于探究滾動篩運動參數對回收瀝青混合料篩分效率的影響。

1 圓筒滾篩結構分析

1.1 圓筒滾篩

圓筒滾篩結構圖如圖1所示，主要由外殼1、圓筒滾篩2、驅動輥3、結構骨架4組成。驅動輥的右端接電機驅動圓筒滾篩旋轉，篩分時可改變其安裝傾角調節篩分效率和篩分速度。圖1中，右端為進料口，篩網從內到外的篩孔孔徑越來越小，最內層的篩網篩孔孔徑最大。

圖1 圓筒滾篩結構圖

圓筒滾篩單層篩網結構示意圖如圖2所示，在篩分過程中，由電機帶動的驅動輥驅動圓筒滾篩進行旋轉，滾篩與地面有一定的安裝傾角。待篩分的回收瀝青混合料從滾動篩分裝置（即驅動輥一端）進入滾篩，物料在滾篩內進行翻轉篩分，在離心力和重力的作用下從篩孔掉落，黏附在篩網上的RAP在旋轉到上方時在重力的作用下形成料簾，實現物料的有序連續篩分。

圖2 圓筒滾篩單層篩網結構示意圖

1.2 篩分效率分析

將物料根據公稱粒徑的大小進行分類，以保證后期級配的準確性的操作叫做篩分。故篩分的最終目的是，使大于所需公稱粒徑的物料無法穿過相應的篩網，小于所需公稱粒徑的物料全部穿過相應的篩網。但是在現實中，由于顆粒之間具有一定的黏結力，物料供應的速度可能過快導致物料的堆積，小于篩孔的顆粒并不會全部穿過篩網，尤其是略小于孔徑的顆粒，故實際的篩網的篩孔會略大于所需篩分的粒徑，采用的是近似篩分的方法。篩分效率由式（1）確定[3]。

式中，η為篩網篩分總效率；α為入料小于規定粒度的細粒含量；β為篩下物中小于規定粒度的細粒含量；γ為篩上物中小于規定粒度的細粒含量。

1.3 篩分裝置的運動參數對篩分效率的影響

隨著篩分裝置運動參數的改變，篩分裝置對物料顆粒的篩分效率也會隨之改變。影響圓筒滾篩對回收瀝青混合料的篩分效率的運動參數主要有圓筒滾篩的轉速與圓筒滾篩的傾斜角度。

當滾篩傾斜角度較小時，物料的堆積會加劇。因為物料主要依靠重力的作用，沿著滾篩滑落至物料箱，故過小的傾斜角度會導致物料的大量堆積，影響顆粒的篩分效率。而當滾篩傾斜角度較大時，物料的堆積問題雖然得以解決，但是顆粒與篩分裝置的接觸力過小，下滑速度過快，會導致大量的物料沒有經過完整的篩分就直接滑落至物料倉[4]。

滾篩的轉速會影響到顆粒與篩網的作用力。當滾篩作用力足夠大時，顆粒會產生足夠的離心力從篩孔中穿過。但是由于采用的是近似篩分方式，故當轉速過大時，會有一定不符合需求的大顆粒穿過篩孔。

2 仿真模型與參數設置

2.1 顆粒與圓筒滾篩設備的參數設置

回收瀝青混合料的物料顆粒間有非常復雜的接觸力。為了模擬回收瀝青混合料的黏附性，選擇EDEM軟件匯總具有凝聚力的Hertz-Mindlin with JKR接觸模型[5]，這一模型可以有效地體現回收瀝青混合料顆粒與顆粒之間的黏聚特性[6-7]。回收瀝青混合料顆粒與攪拌裝置的本征參數與接觸參數，分別如表1、表2所示。

表1 顆粒與攪拌裝置的本征參數

表2 顆粒與攪拌裝置的接觸參數設置

2.2 圓筒滾篩的建模

采用EDEM軟件建立滾動篩分設備的篩分模型，為了提高仿真速度，保證仿真效率，增加顯示效果，選擇對圓筒滾篩進行多層協同仿真，其中圓筒滾篩長度為5 050 mm，從內而外三層篩網的半徑分別為750 mm、850 mm和950 mm。通過改變仿真模型中重力的方向來模擬現實中圓筒滾篩的傾斜角度[8-10]。模型中右方懸浮在滾篩中間的平板為模型中的顆粒工廠，設置RAP顆粒從進料口到滾篩的垂直距離為0.2 m，考慮到顆粒與導料口和顆粒間的碰撞，將物料的初始下落速度設置為1 m/s。采用EDEM軟件建立篩分設備仿真模型，實際生產時，RAP一般篩分為3～4種粒徑，采用近似篩網孔徑，因此仿真將物料粒徑設置為19 mm～26 mm、9.5 mm～19 mm、4.75 mm～9.5 mm和3 mm～4.75 mm，分別命名為集料1、集料2、集料3、集料4。篩孔孔徑設置為21 mm、11 mm和5.5 mm。

3 仿真結果分析與結論

3.1 傾斜角度對篩分效率的影響

設置圓筒滾篩的傾斜角度分別為12.5°、15°、17.5°、20°、22.5°，轉速為90 r/min。其中回收瀝青混合料顆粒的產生速度為3 mm～4.75 mm為8 000粒/s、4.75 mm～9.5 mm為2 000粒/s、9.5 mm～19 mm為500粒/s、19 mm～26 mm為250粒/s。每個粒徑范圍內的集料分布為隨機分布，出料為2 s，仿真時間為25 s，保證所產生的物料被圓筒滾篩充分篩分。

結果表明，圓筒滾篩各層篩網的綜合篩分效率與傾斜角度的關系如表3所示，圓筒滾篩各層篩網的綜合篩分效率與轉速的關系如表4所示。綜合篩分效率為各層篩網的篩分效率的平均值。

表3 傾斜角度與綜合篩分效率的關系

表4 轉速與綜合篩分效率的關系

3.2 結論

1）對于回收瀝青混合料（RAP），隨著圓筒篩網傾角的增大，滾篩的篩分效率呈現先升高再降低的趨勢，并且由于車身高度的限制與篩網直徑的要求，滾篩傾斜角度的取值不能過大。所以滾篩的傾斜角度為20°時篩分效率最高。

2）對于回收瀝青混合料（RAP），圓筒滾篩轉速的增加會使篩分效率呈現先降低后升高，隨后又下降的趨勢。