馮 霏,柴二威,李 芳
(1.沈陽化工大學 機械與動力工程學院, 遼寧 沈陽 110142;2.東北大學 機器人科學與工程學院, 遼寧 沈陽 110000)
在以散體為主要介質的煤炭行業(yè)中,振動篩作為篩分機械主要用于散體物料的分級、脫水、脫泥、脫介等作業(yè)[1]. 目前振動篩在篩分過程中有時出現(xiàn)堵料現(xiàn)象,影響篩分效率,這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于所篩選物料水分、物料間的碰撞、幾何形狀等的影響。為了能夠及時地清理被堵塞的篩孔,一般在篩面下方安裝不同形式的清篩裝置,其主要形式有擊打式、彈球式和架刷式[2]. 彈球式清篩裝置由于結構簡單,對篩面的損傷小,能夠在完全封閉的篩分機中不斷清理篩面等特點,目前已經(jīng)被廣泛應用[3].
離散單元法(Discrete element method,DEM)是20世紀70年代發(fā)展起來的用于計算散體力學行為的數(shù)值方法[4],在巖土工程、采礦工程、礦物加工、物料分選等散體工程技術領域得到了成功的應用。本文基于離散元法,模擬了物料顆粒在有、無彈球式振打裝置兩種狀態(tài)下的運動過程和篩分效果,分析不同振動參數(shù)(振幅、振動頻率)以及彈球自身特性對篩分效率的影響,得出最佳參數(shù),為研究振動篩清篩方式提供參考。
振動篩主要由篩體、振動電機、減震彈簧、進料和出料裝置等部分組成。振動篩工作原理見圖1,圖中O點為質心,β是振動方向與篩面的夾角為振動方向角;α是篩體與水平面的夾角為篩面傾角。
圖1 振動篩工作原理圖
振動篩在工作時,由兩臺振動電機帶動兩組偏心塊作同步反向的轉動,偏心塊產(chǎn)生的沿振動方向的離心力的分力相互疊加;在法線方向,離心力的分力相互抵消,由此形成激振力F,篩體在這一簡諧力的作用下作往復直線運動[5].
彈力球是清理篩面的主要原件,隨著篩體的振動和彈球自身的彈力,彈球與上下篩面以及彈球之間相互碰撞,使彈球在篩框內作上下、左右不規(guī)則的跳動,對上篩面產(chǎn)生不定向或不規(guī)則的沖擊力,以清理篩網(wǎng)上堵塞的物料顆粒[6].
彈球式振打裝置的工作原理見圖2,在距離上篩面100 mm的高度安裝托篩面為下篩面,以承受彈球的運動并且使物料顆粒通過。托篩面上分隔成若干篩框,每個篩框里面放置彈球數(shù)個,彈球與上下篩面之間必須留有一定間隙,使彈力球能夠順利滾動和跳動[7]. 上篩面尺寸321 mm×121 mm,篩孔為5 mm×15 mm的長方形孔,下篩面篩孔為15 mm×15 mm的正方形,篩絲d1 mm.
圖2 彈球式振打裝置模型圖
以煤炭顆粒的振動篩分過程為研究對象,材料的特性參數(shù)與材料間的碰撞接觸參數(shù)見表1,表2. 顆粒分為易篩顆粒、難篩顆粒和阻礙顆粒3種[8]. 其中粒徑比為0.2~0.7的易篩顆粒占總量的50%,粒徑比為0.7~1.0的難篩顆粒占總量的30%,粒徑比大于1.0的阻礙顆粒占總量的20%. 經(jīng)過多次仿真實驗研究,物料顆粒完全篩分所用的時間為3 s,因此定義篩分時間為3 s.
表1 材料特性參數(shù)表
表2 材料間的碰撞接觸參數(shù)表
王珣[9]研究了振幅、振動頻率、篩面傾角以及振動方向角對篩分效率的影響結果發(fā)現(xiàn),這4個因素對篩分效率的影響程度不同,其從小到大的影響順序為:振幅>振動頻率>篩面傾角>振動方向角[10]. 經(jīng)過研究,振動方向角的變化對篩分效率的影響效果不明顯,篩面傾角在工業(yè)上通常設置為5°~10°,因此選取振動方向角為45°,篩面傾角為5°作為固定參數(shù),研究振幅、振動頻率的變化對篩分效率的影響。
篩分效率是衡量振動篩篩分性能的重要指標之一,當振動篩的篩分效率高時,能夠大幅度節(jié)省工作時間、減少能耗[11]. 篩分效率的表達式為:
式中:
η—物料的篩分效率,%;
B—篩下顆粒的總質量,kg;
D—顆??傎|量,kg;
K—小于篩孔尺寸的顆粒含量,%.
振幅主要影響顆粒在篩面上的運動能量,大的振幅對顆粒的能量輸送較大,每次可以使顆粒彈跳得更加劇烈,有利于物料的分層[12]. 在其他參數(shù)一定,振動頻率為15 Hz時,選取振幅為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm進行模擬實驗。分析其結果,擬合出振幅與篩分效率的曲線圖,見圖3.
圖3 振幅與篩分效率的關系圖
由圖3可知,篩分效率隨著振幅的增加呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢,振幅為3 mm時篩分效率最高。振幅較低時,顆粒在篩網(wǎng)上不容易被拋起,使顆粒不易分層,產(chǎn)生堆積小顆粒無法被篩落下來,因此篩分效率低。振幅在3 mm后,隨著振幅的增加,顆粒拋擲的距離變遠,快速流向出料端,在篩網(wǎng)上停留時間變短,所以篩分效率會降低。綜上所述,振幅為3 mm時為最佳振動參數(shù)。利用最小二乘法擬合出振幅與篩分效率的數(shù)學關系式:
式中:
y—篩分效率,%;
x—振幅,mm;
a,b,c,d—擬合系數(shù)。
其中,決定系數(shù)R2=0.97,由此可知擬合的曲線顯著。
振動頻率對顆粒在篩面上的跳動狀態(tài)有很大的影響[13]. 經(jīng)過研究振幅對篩分效果的影響可知,在振幅為3 mm時篩分效率最佳,確定了振幅的參數(shù),其他參數(shù)不變,選取振動頻率為13 Hz、14 Hz、15 Hz、16 Hz、17 Hz進行實驗,利用最小二乘法擬合出振動頻率與篩分效率關系的曲線圖,見圖4.
圖4 振動頻率與篩分效率的關系圖
從圖4可以看出,振動頻率從13 Hz增加到17 Hz,篩分效率是逐漸降低的。在振動頻率為14 Hz之前,篩分效率更高,但是由于其振動頻率較低,顆粒在篩網(wǎng)上的活躍程度低,一直在篩面做往復運動,并且篩分完成后,篩面剩余大量顆粒。隨著振動頻率的增加,顆粒的活躍程度增強,物料能快速分層,處理量變多,但是與篩面接觸次數(shù)減少,篩分效率降低。經(jīng)過以上分析,可以得出振動頻率為15 Hz時,篩分效果最佳。利用最小二乘法,擬合出二者之間的關系式,如式所示:
式中:
y—篩分效率,%;
x—振動頻率,Hz;
a,b,c,d—擬合系數(shù)。
其中,R2=0.97與1非常接近,說明其擬合情況良好。
彈球自身的特性如彈球數(shù)量、彈球直徑、彈球的材質等對篩面的清理有一定的影響,清篩效果的好壞影響著顆粒的篩分效率。硅膠彈力球有良好的彈性、耐磨性等特性,工業(yè)上經(jīng)常用做振打裝置,以硅膠彈力球為例,研究其自身特性對篩分效率的影響。
彈球直徑的大小影響著彈球在篩框內活動區(qū)域的大小,直徑越大彈球越容易碰撞到篩面上,但是在篩框內活動的區(qū)域減少。由以上實驗可以得出,在振幅為3 mm、振動頻率為15 Hz時,篩分效果最佳。在振動參數(shù)一定的情況下,放置彈球數(shù)量為5,選取彈球d18 mm、d20 mm、d22 mm、d24 mm、d26 mm進行實驗,分析其結果,利用最小二乘法擬合出彈球直徑與篩分效率的曲線,見圖5.
圖5 彈球直徑與篩分效率的關系圖
由圖5可以看出,隨著彈球直徑的增加,篩分效率先增加后減少。彈球d18 mm時,由于彈球直徑過小,球體可能接觸不到篩面,因此無法進行清篩;在接觸到篩面時,也會因為自身動能不足,對篩面的清理效果不理想,所以篩分效率比無彈球時增加緩慢。隨著彈球直徑的增加,清篩效果明顯,篩分效率逐漸增加。當達到26 mm時,由于篩框內空間有限以及上下篩面之間距離的限制,彈球運動受到限制,與篩面接觸的面積減少,因此篩分效率會降低。利用最小二乘法擬合出二者的關系式為:
式中:
y—篩分效率,%;
x—彈球直徑,mm;
a、b、c、d—擬合系數(shù)。
其中,R2=0.95說明擬合的曲線顯著。
彈球的數(shù)量也是影響清篩效果的因素之一,其決定了彈球與篩網(wǎng)之間接觸面積的多少。在確定了振動篩的振動參數(shù)、彈球的直徑后,在其他參數(shù)一定時,改變彈球的數(shù)量。選取彈球數(shù)量分別為2、3、4、5、6進行實驗,利用最小二乘法擬合出彈球數(shù)量與篩分效率的曲線見圖6.
圖6 彈球數(shù)量與篩分效果的關系圖
由圖6可以看出,隨著彈球數(shù)量的增加,篩分效率先增加后減少,在增加彈球振打裝置后,彈球隨著振動篩的振動在篩框內做自由跳動,不斷地擊打篩面,使堵塞的顆粒掉落下來,彈球數(shù)量為2時的篩分效率比無彈球時高了28%. 當彈球增加到一定數(shù)量時,由于彈球數(shù)量過多,其在篩框內的運動會受到限制,活動面積減少,彈球與篩網(wǎng)之間的擊打減少,篩分效率隨之降低。彈球數(shù)量與篩分效率的擬合關系式為:
式中:
y—篩分效率,%;
x—彈球數(shù)量,個;
a,b,c,d—擬合系數(shù)。
所擬合R2=0.99和1很接近,說明擬合方程顯著。
1) 沒有安裝振打裝置的情況下,由于篩面沒有及時得到清理,會出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象,從而影響物料顆粒的透篩,篩分效率較低。
2) 安裝彈球式振打裝置后,在篩分過程中篩面不斷地被彈球清理,減少了堵孔現(xiàn)象,篩分效率大幅度提高。
3) 振幅為3 mm、振動頻率為15 Hz、彈球d12 mm、彈球數(shù)量為5時,振動篩篩分效果最佳。