基于 DEM 的振動篩篩孔形狀對潮濕原煤篩分效果影響的研究

汪美桃，劉利民，沈靜靜

1九州職業技術學院機電工程系 江蘇徐州 221116

2機械工業第四設計研究院有限公司上海分公司 上海 200080

3安徽新華學院 安徽合肥 230000

篩分作業是煤炭生產中必不可少的環節，對提高振動篩的篩分率有著重要的意義[1]。但隨著采煤機械化程度提高，因防塵噴霧、煤層滲水等原因，造成開采出的原煤含水量偏高，原煤中的潮濕細顆粒容易相互粘聚成團或粘附于篩面上，嚴重影響篩分效率[2]。因此，需要優化振動篩的參數以提高潮濕煤的篩分效率。而篩孔形狀對篩分效率有一定的影響，需要研究篩孔形狀對篩分效率的影響程度，為設計適用于潮濕原煤的振動篩提供參考。筆者基于離散元法(Discrete Element Method，DEM)，運用 EDEM軟件對振動篩篩孔形狀影響潮濕煤篩分效果進行了研究。

1 潮濕煤篩分效率的評價指標

衡量振動篩篩分效率的參數有很多，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排出。因此，采用動態篩分效率(公式 1)和阻礙粒排出率(公式 2)[3-4]作為振動篩的實際篩分效果的考察指標，其公式為

式中：ηt為t時刻的動態篩分效率；m為t時刻篩下物總質量，kg；n為t時刻物料中所含可篩物料總質量，kg；nt為t時刻的阻礙粒排出率；p為t時刻排料物總質量，kg；q為t時刻物料中所含阻礙粒的總質量，kg。

2 顆粒接觸模型

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

3 模擬前處理

3.1 建立三維實體模型

為簡化試驗過程，提高模擬試驗效率，筆者用EDEM 模擬試驗，通過 CREO 建立振動篩的簡化模型，僅保留振動篩的基本結構，分為篩框、篩面、落料區、出料區。篩面尺寸設為 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，開孔率為均為35%，然后將模型另存為 IGS 格式導入 EDEM 中，如圖 1 所示。

3.2 設置模型參數和顆粒屬性

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

3.3 定義篩面運動學特性

設置篩面沿z方向，運動類型為z向往復運動，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，落料時間從仿真開始到 4 s 結束，入料顆粒由 10 000 個球顆粒組成，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 仿真參數設置

將仿真時間設為 8 s，仿真時間步長為瑞麗時間步長(Rayleigh Time Step)的 40%，網格尺寸為 2rmin，即網格尺寸是最小顆粒半徑尺寸的 2 倍。

4 仿真結果及分析

為提高模擬試驗結果的可靠性，通過多次重復試驗求平均值的方式，對篩下物顆粒及排料物中的阻礙粒進行動態統計，得到篩分效率、阻礙粒排出率和阻礙粒運移速度隨時間變化的規律，試驗結果如圖 2～4 所示。

如圖 2、3 所示：試驗的前 1 s 左右，3 種篩孔形狀的篩面篩分效率基本一致，表明篩孔形狀對篩分效率基本沒有影響，篩面上阻礙顆粒也基本沒有排出；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，阻礙粒排出率也呈現類似的情況。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 99%，但矩形篩孔的阻礙粒排出的時間更早。

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移速度Fig.4 Moving velocity of obstructing particles at various-shape sieving hole

如圖 4 所示，阻礙粒運移速度在 1 s 左右達到穩定值，表明 3 種情況下篩分均已達到穩定狀態。在穩態篩分階段，阻礙粒運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，阻礙粒運移速度也相對越大，物料顆粒堆積的也越少。通過上述試驗數據可以得出，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 結論

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

(2)以動態篩分效率、阻礙粒排出率和阻礙粒運移速度作為振動篩實際篩分效果的考察指標，研究了圓形篩孔、方形篩孔和矩形篩孔的篩分效率。在仿真結束時，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99%，但矩形篩孔的阻礙粒排出的時間更早；阻礙粒運移速度由大到小依次是矩形篩孔、方形篩孔和圓形篩孔。結果表明，在篩孔名義尺寸相同的情況下，矩形篩孔的篩分效果要優于方形篩孔和圓形篩孔。