倒梯形截面篩桿變孔徑篩分特性研究

宋寶成，江海深，田祖織

1江蘇安全技術職業學院 江蘇徐州 221000

2中國礦業大學化工學院 江蘇徐州 221116

3國家煤加工與潔凈化工程技術研究中心 江蘇徐州 221116

4中國礦業大學機電工程學院 江蘇徐州 221116

篩面堵孔是降低篩分設備篩分效率的重要因素[1]。為了提高篩面的防堵孔能力，傳統上普遍采用的方法是通過提高篩體振幅、頻率或利用篩面的二次振動來增加篩面振動強度[2-3]。然而，對于潮濕物料造成的黏附膜糊孔，通過改變篩面孔徑實現黏附膜拉伸破壞是最為有效的方法[4]。

傳統剛性桿篩面，所有篩桿振動響應一致，所以孔徑尺寸恒定，不利于堵孔物料的排出[5]；而相鄰篩桿的振動差異化可以有效提升篩面防堵孔能力[6]。Huang Long 等人[7]提出在剛性篩桿外嵌套柔性管，柔性管在隨剛性篩桿振動的同時可以繞篩桿轉動，實現孔徑的動態變化，通過試驗分析了不同工況條件下柔性管的運動特性。宋寶成等人[8]提出一種剛柔耦合篩面，利用柔性支撐塊獲得浮動桿的二次振動，實現與相鄰固連桿間孔徑的周期變化，建立了篩面動力學模型，采用 DEM 仿真驗證了其克服典型堵孔問題的有效性。張珂等人[9]采用矩形截面靜篩條與動篩條交疊布置的方式設計了一種疊振篩，通過激振力直接驅動動篩條，對堵孔物料可以產生切向拉伸作用以促進物料排出，并采用 DEM 仿真分析了篩面傾角、振幅、頻率等參數對篩分效果的影響。然而，疊振篩由于采用矩形截面篩桿，相鄰篩桿的振動差異不能產生孔徑變化效果，克服堵孔能力有限；采用剛性篩桿外嵌套柔性管方式雖然可以獲得孔徑變化效果，但孔徑變化具有隨機性，不易于實現優化控制；采用圓截面篩桿的剛柔耦合篩面，不僅可以獲得類似疊振篩對物料的切向力作用，還具有規律的孔徑變化效果。但受到篩桿截面幾何形式的影響，孔徑變化幅值提升空間較小，限制了其防堵孔能力的發揮。

為提升剛柔耦合篩面的孔徑變化效果，筆者將倒梯形截面篩桿應用于剛柔耦合篩面，建立了孔徑變化時變函數，采用 DEM 仿真分析了篩分效果與防堵孔特性，通過與圓截面篩桿進行對比，研究其對提升剛柔耦合篩面性能的影響。

1 倒梯形截面篩桿結構特點

采用倒梯形截面篩桿的剛柔耦合篩面由邊框、固連桿、浮動桿及彈性體組成，如圖1 所示。固連桿與邊框直接連接，在振動過程中具有與篩體相同的振動響應。邊框上在固連桿間布置有導向槽，浮動桿與固連桿穿插布置，末端穿過導向槽、嵌入彈性體與邊框柔性連接。導向槽平行于y方向，浮動桿末端采用矩形結構，與導向槽配合保證x方向篩桿間隙的穩定。振動過程中浮動桿y方向可以獲得二次振動效果，從而實現孔徑的實時變化。

圖1 篩面結構Fig.1 Structure of screen surface

2 篩面孔徑時變規律

當相鄰倒梯形截面篩桿y方向具有不同振幅時，孔徑變化情況如圖2 所示。y方向間距為ht=|(Av1-Av0)sinωt|，初始時 (位置 ①)ht=0，孔徑dt=b0-2r；當0 ＜ht≤(b0-2r) tanθ時 (位置 ②)，孔徑dt為梯形頂點A、B間距；當 (b0-2r) tanθ＜ht≤(b0-2r) tanθ+h時(位置 ③)，孔徑dt為梯形頂點A與相鄰梯形側邊距離AP1；當ht＞ (b0-2r) tanθ+h時 (位置 ④)，孔徑dt為梯形頂點A與相鄰梯形頂點C間距。于是可得孔徑dt的時變函數為

圖2 倒梯形截面篩桿孔徑變化Fig.2 Aperture variation of screen rod with inverse trapezoid section

相同條件下，圓截面篩桿孔徑變化情況如圖3 所示。

圖3 圓截面篩桿孔徑變化Fig.3 Aperture variation of screen rod with circular section

其孔徑的時變函數為[8]

所以，當ht≤h1時，倒梯形截面篩桿孔徑變化效果更為顯著。取b0=20 mm，r=5 mm，θ=30°，h=6 mm，對比孔徑變化率隨ht變化情況，結果如圖4 所示。

圖4 孔徑變化率曲線Fig.4 Curves of aperture change rates

此時，h1=5.77mm，h2=11.77 mm，可見在此參數條件下，梯形截面篩桿孔徑變化效果在各區間均優于圓截面篩桿。梯形截面篩桿孔徑變化率約為圓截面篩桿 2 倍，隨著ht的增大，其差值趨于平穩，相對優勢逐漸減弱。

3 篩分過程與效果分析

圖5 所示為采用倒梯形截面篩桿的剛柔耦合篩面離散元模型，仿真參數如表1 所列，分析單位處理量為 20.99 t/(h·m2) 的篩分過程。當篩體整體做直線振動時，所有篩桿在x方向具有相同的振幅。在各參振浮動桿質量、彈性體剛度均一致的條件下，各浮動桿具有相同的二次振動效果[8]，以相同的振幅做周期運動。

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

圖5 剛柔耦合篩面離散元模型Fig.5 DEM model of rigid-flexible coupling screen surface

為分析篩分過程中篩下物透篩時間與篩上物輸送速度，利用 Grid Bin Group 對篩箱 (Group 0)、篩下 (Group 1) 及出料端口 (Group 2) 等區域物料進行動態監測。采用 API 插件 Residence Time 計算物料在 Group 0 中的停留時間，Group 1 與 Group 2 分別獲取篩下物顆粒與篩上物顆粒 ID。仿真結束后，利用Python 自編程序對結果數據進行二次處理得到所需結果，如圖6 所示。

圖6 數據生成與分析過程Fig.6 Data generation and analysis process

按表1 參數進行篩分過程仿真，得到結果如表2所示?？梢园l現，當Ax、Ay一定時，由于倒梯形篩桿上部為平面，對物料輸送阻礙較小，與圓截面篩桿相比，動力學參數分布較為簡單。當ΔAy較小時，倒梯形截面篩桿平均輸送速度vt快于圓截面篩桿平均輸送速度vr；而當ΔAy較大時，圓截面篩桿的拋擲指數增強效應[10]對輸送速度的影響顯著增強，導致vr逐漸優于vt。相應的，當ΔAy較小時，倒梯形截面篩桿的幾何特點，使得快速輸送的物料透篩幾率相對較低，篩分效率低于相同條件下的圓截面篩桿。而隨著ΔAy的增大，倒梯形截面篩桿對物料輸送的阻礙作用逐漸增大，輸送速度相應減小，篩分效率逐漸趕超同條件圓截面篩桿。在此過程中，圓截面篩桿對物料輸送的阻礙作用逐漸超越拋擲指數增強效應對輸送速度的影響，使得物料輸送速度增大到一定值時出現降低。而ΔAy的增大勢必在提高y方向振動強度的同時，造成物料與篩面的接觸時間減少，所以當ΔAy增大到一定值時，篩分效率均出現了下降的情況。

表2 仿真結果Tab.2 Simulation results

利用 Excel 中的 Correl 函數[11]分別計算篩分效率與平均透篩時間、平均輸送速度的相關性，得到倒梯形截面篩桿篩分效率與平均透篩時間、平均輸送速度的相關系數分別為 -0.87、-0.39，圓形截面篩桿篩分效率與平均透篩時間、平均輸送速度的相關系數分別為 -0.63、0.56。平均透篩時間與篩分效率的關聯性較為顯著，關聯系數為負值，說明平均透篩時間越短，往往篩分效率越高。

4 防堵孔效果對比

采用黏性顆粒壓制的方法建立離散元堵孔模型如圖7 所示。取ω為 16.33 Hz，Ax為 3.5 mm，Ay為 2.5 mm，ΔAy為 2.25 mm，堵孔物料為厚度 4 mm 的小顆粒黏附膜，通過 Hertz-Mindlin with JKR 接觸模型[12]，可以模擬潮濕物料嚴重糊狀堵孔狀況。

圖7 篩面堵孔模型Fig.7 Blocking model of screen surface

圖8 所示為倒梯形截面篩桿與圓截面篩桿防堵孔過程對比?？梢园l現，圓截面篩桿的孔徑變化可以起到拉長黏附膜的作用，但由于黏附膜厚度相對較大，不易破裂，且篩桿與黏附膜接觸面為圓弧面，拉長過程中可以通過相對滑移阻礙該拉長效果，所以相同時間內防堵孔效果弱于倒梯形截面篩桿。而在相同振動條件下，倒梯形篩桿具有更為顯著的孔徑變化效果，對黏附膜的拉長作用更加明顯，且倒梯形截面篩桿與黏附膜接觸面為斜面，拉長過程中的相對滑移反而會促進拉長效果。

圖8 2 種篩桿防堵孔過程的對比Fig.8 Comparison of anti-blocking process for two types of screen rods

相同條件下，倒梯形截面篩桿在 0.066 s 內即實現黏附膜破裂、排出，而圓截面篩桿則需要 0.396 s(見圖9)。同時，需要注意的是，倒梯形截面篩桿對堵孔物料具有向下作用分力，所以堵孔物料從篩下排出；而圓截面篩桿上下結構對稱，堵孔物料有從上部排出的可能，存在再次堵孔的風險。

圖9 圓截面篩桿防堵孔效果Fig.9 Anti-blocking effect of circular section screen rod

5 結論

(1) 倒梯形截面篩桿較圓截面篩桿可以獲得更為顯著的孔徑變化效果。

(2) 隨著ΔAy的增大，倒梯形截面篩桿物料平均輸送速度逐漸降低，平均透篩時間先減小后增大，篩分效率呈現先增后減的趨勢。

(3) 當ΔAy較小時，倒梯形截面篩桿篩分效率低于圓截面篩桿，ΔAy較大時則優于后者。

(4) 應對較大厚度的黏附膜堵孔情況，倒梯形截面篩桿具有更為明顯的防堵孔效果，可以更快從篩面下部排出堵孔物料，避免二次堵孔的發生。