虢建，周自強(qiáng)，戴國(guó)洪，3

（1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；3.蘇州市汽車綠色拆解回收利用智能裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常熟 215500）

振動(dòng)風(fēng)選機(jī)工作參數(shù)的離散元耦合仿真

虢建1，周自強(qiáng)2，戴國(guó)洪2，3

（1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；3.蘇州市汽車綠色拆解回收利用智能裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常熟 215500）

為了有效分離生活垃圾破碎物料中的重質(zhì)成分，提出一種結(jié)合振動(dòng)與風(fēng)力分選相結(jié)合的分選設(shè)備.為了對(duì)該振動(dòng)風(fēng)選機(jī)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，需要對(duì)激振元件和隔振元件進(jìn)行優(yōu)化選型.本文通過離散元和計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)振動(dòng)風(fēng)選的過程進(jìn)行耦合仿真，從而得出了振動(dòng)風(fēng)選機(jī)的合理工作參數(shù).

離散元；計(jì)算流體力學(xué)；垃圾分選

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市生活水平的不斷提高，城市生活垃圾的產(chǎn)生量也在不斷的增加，垃圾包圍城市已經(jīng)在一定程度上在阻礙著城市的進(jìn)一步發(fā)展.對(duì)于城市生活垃圾，從可利用熱值角度來看，大部分的城市生活垃圾熱值高于3344 kJ/kg的焚燒最低熱值限，采用焚燒發(fā)電法處理城市生活垃圾在中國(guó)大有潛力［1］.但是，城市生活垃圾中含有大量的不可燃物，降低了城市生活垃圾的熱值，使得垃圾在焚燒后剩下大量的殘余物，清理困難.城市生活垃圾在經(jīng)過粉碎、干燥、脫磁等預(yù)處理后，再經(jīng)過振動(dòng)風(fēng)選機(jī)分選，去除其中的不可燃物，如石頭、陶瓷、玻璃等密度較高的重物料，能極大提高城市生活垃圾焚燒的熱值.通用的風(fēng)力分選設(shè)備中，大量物料直接由入料口進(jìn)入風(fēng)選區(qū)，物料會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，風(fēng)力有時(shí)不能完全吹散，造成部分輕物料由于團(tuán)聚在一起直接進(jìn)入到重物料出口，使得分選率不高，且需要的風(fēng)速較大，風(fēng)壓較高.相較于傳統(tǒng)風(fēng)力分選機(jī)，振動(dòng)風(fēng)選機(jī)工作時(shí)，物料在振動(dòng)面板上能均勻分散，進(jìn)入風(fēng)選區(qū)后，物料不會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，分選率會(huì)有較大的提高，且需要的風(fēng)速較低，極大地節(jié)省了能耗.

1 振動(dòng)風(fēng)選機(jī)的工作原理

圖1 振動(dòng)風(fēng)選機(jī)工作原理示意圖

振動(dòng)風(fēng)選機(jī)的箱體由入料口、振動(dòng)面板、風(fēng)箱、重物料出口、輕物料出口、振動(dòng)電機(jī)以及電機(jī)支座等組成.圖1為振動(dòng)風(fēng)選機(jī)工作原理示意圖.振動(dòng)箱體與水平面成5°傾角，由振動(dòng)電機(jī)提供激振力.經(jīng)過預(yù)處理后的城市生活垃圾進(jìn)入振動(dòng)風(fēng)選機(jī)箱體后，由于箱體的振動(dòng)，能快速地在振動(dòng)面板上均勻分散向前運(yùn)動(dòng).物料在脫離振動(dòng)面板一后進(jìn)入風(fēng)選區(qū)，在風(fēng)力和重力的作用下，輕物料和重物料能夠快速分層，輕物料在上，越過重物料出口，落在振動(dòng)面板二上，隨后由輕物料出口排出；重物料在下，直接進(jìn)入重物料出口.

2 基于離散元仿真的工作參數(shù)分析

為了有效分離生活垃圾破碎物料中的重質(zhì)成分，需要對(duì)振動(dòng)風(fēng)選機(jī)的激振元件和隔振元件進(jìn)行優(yōu)化選型.利用EDEM-Fluent耦合模擬仿真振動(dòng)風(fēng)選機(jī)的工作情況，能夠很好地得出振動(dòng)風(fēng)選機(jī)的合理工作參數(shù)，從而為振動(dòng)風(fēng)選機(jī)的工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

圖2 彈性-阻尼-滑動(dòng)-摩擦接觸力學(xué)模型

將振動(dòng)風(fēng)選機(jī)風(fēng)箱模型簡(jiǎn)化，導(dǎo)入ICEM軟件中進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分，其中振動(dòng)面板一長(zhǎng)2390 mm，寬1200 mm；振動(dòng)面板二長(zhǎng)1800 mm，寬1200 mm，面板一與面板二水平相距500 mm，高度差300 mm，入風(fēng)口長(zhǎng)1200 mm，寬300 mm.

在應(yīng)用EDEM離散元仿真時(shí)，選擇Hertz-Mindlin with JKR Cohesion凝聚力接觸模型，也稱“彈性-阻尼-滑動(dòng)-摩擦接觸力學(xué)模型”，如圖2所示，該模型定義黏連作用僅僅存在于接觸面上，被廣泛應(yīng)用于非金屬破碎物料的分離篩分、輸送等領(lǐng)域［2-3］.

將格模型導(dǎo)入到Fluent后，選擇標(biāo)準(zhǔn)的K-e模型及湍流模型，設(shè)置風(fēng)力方向與入風(fēng)口成75°向上傾斜角，重力沿Z軸負(fù)方向，大小9.81 m/s.振動(dòng)面板選擇45號(hào)鋼，重物料為玻璃，輕物料為食品包裝袋塑料（高壓低密度聚乙烯），材料與顆粒的相關(guān)屬性以及材料與顆粒、顆粒與顆粒之間的相互作用系數(shù)見表1、表2［4］.

表1 材料屬性

表2 材料的相互作用

選擇振動(dòng)面板的振幅、頻率，風(fēng)力場(chǎng)的風(fēng)速作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的變量因素，根據(jù)仿真結(jié)果，分析物料的分選率以及分選效率，以此來確定最優(yōu)的振幅、頻率、風(fēng)速.在確定參數(shù)范圍前，進(jìn)行Simulink數(shù)值仿真及ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真，用來初步確定EDEM-Fluent耦合模擬仿真參數(shù)的范圍.EDEM-Fluent耦合模擬仿真實(shí)驗(yàn)因素水平見表3.

表3 耦合模擬仿真實(shí)驗(yàn)因素水平表

根據(jù)Fluent后期處理中的速度云圖，對(duì)比不同參數(shù)可知，當(dāng)振動(dòng)風(fēng)選機(jī)振幅6 mm，頻率12.5 Hz，風(fēng)速30 m/s時(shí)，振動(dòng)風(fēng)選機(jī)風(fēng)力場(chǎng)表現(xiàn)良好，物料在振動(dòng)面板上面受到的風(fēng)力影響較小，不會(huì)因?yàn)槭茱L(fēng)力影響而漂浮在振動(dòng)面板上空.只有物料進(jìn)入風(fēng)選區(qū)后，由于物料密度、受風(fēng)面積不同，受到的風(fēng)力不同而進(jìn)入不同的物料出口.

根據(jù)耦合模擬后的EDEM仿真動(dòng)畫可知，當(dāng)振幅6 mm，頻率12.5 Hz，風(fēng)速30 m/s時(shí)，物料落在振動(dòng)面板上，在振動(dòng)面板一上均勻分散，沒有產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象.當(dāng)物料進(jìn)入風(fēng)選區(qū)后，輕物料和重物料出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，由于受到重力和風(fēng)力，輕物料在上，隨后進(jìn)入振動(dòng)面板二，由輕物料出口排出，重物料在下，進(jìn)入重物料出口，實(shí)現(xiàn)了重物料和輕物料的分選.

3 仿真結(jié)果分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)因素水平表分析可知，共有18組仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)物料的分選率及分選效率來選取最佳的振幅、頻率、風(fēng)速等參數(shù).經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到在不同參數(shù)時(shí)，塑料和玻璃的分離率及平均分離時(shí)間，不同參數(shù)下的分離率及平均分離時(shí)間如表4所示.

表4 塑料和玻璃顆粒的分離率及分離時(shí)間

表4顯示，頻率為7.5 Hz較12.5 Hz的平均分離時(shí)間長(zhǎng)，分選效率較差，由于振幅和頻率不同，物料在振動(dòng)面板上的前進(jìn)速度不同，當(dāng)頻率低時(shí)，物料跳動(dòng)頻率較慢，平均前進(jìn)速度較慢；當(dāng)頻率較快時(shí)，物料在振動(dòng)面板上的起跳初速度較快，在物料脫離振動(dòng)面板時(shí)，容易直接越過風(fēng)力分選區(qū)，直接跳到輕物料出口，進(jìn)而導(dǎo)致分選率降低.從分選效率分析，12.5 Hz較7.5 Hz分選效率高.

由表4及物料分離率折線圖圖3、圖4、圖5分析可知，當(dāng)風(fēng)速為25 m/s時(shí)，由于風(fēng)速較慢，在大量物料通過風(fēng)選區(qū)時(shí)，出現(xiàn)塑料顆粒掉落進(jìn)入重物料出口的現(xiàn)象，造成重物料的分離率降低；當(dāng)風(fēng)速為35 m/s時(shí)，由于風(fēng)速較快，出現(xiàn)玻璃顆粒越過重物料出口，進(jìn)入輕物料出口的現(xiàn)象，造成輕物料的分離率降低；而風(fēng)速為30 m/s時(shí)，塑料和玻璃顆粒的分離率都較為理想，平均分離率都在97%以上.從分離率分析，振幅為5 mm和6 mm時(shí)，物料的分離率較為接近，塑料的分離率都在99%附近，玻璃的分離率都在99.5%附近，優(yōu)于振幅為7 mm時(shí)的物料分離率.從分離效率分析，當(dāng)振幅為5 mm時(shí)，平均分離時(shí)間為8.49 s，較振幅為6 mm時(shí)的8.2 s平均分離時(shí)間長(zhǎng).所以，根據(jù)不同參數(shù)的仿真結(jié)果，綜合分析物料的分離率及分離效率，得到振動(dòng)風(fēng)選機(jī)振幅為6 mm、頻率為12.5 Hz、風(fēng)速為30 m/s時(shí)最佳.

圖3 振幅5 mm物料分離率折線圖

圖4 振幅6 mm物料分離率折線圖

圖5 振幅7 mm物料分離率折線圖

4 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)離散元EDEM-Fluent耦合模擬仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振幅為6 mm、頻率為12.5 Hz、風(fēng)速為30 m/s時(shí)，仿真結(jié)果最為理想，塑料的分離率達(dá)到98.56%，玻璃的分離率100%，平均分離時(shí)間8.2 s.

［1］李曉東，陸勝勇，徐旭，等.中國(guó)部分城市生活垃圾熱值的分析［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2001（2）：61-65．

［2］徐泳，孫其誠(chéng)，張凌，等.顆粒離散元法研究進(jìn)展［J］.力學(xué)進(jìn)展，2003，33（2）：251-260.

［3］孫其誠(chéng)，王光謙.顆粒物質(zhì)力學(xué)導(dǎo)論［M］.北京：科學(xué)出版社，2009：25-30.

［4］史俊杰，周自強(qiáng)，戴國(guó)洪.振動(dòng)式密度分離篩篩分機(jī)理的數(shù)值仿真［J］.常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（2）：24-28.

A Study on Discrete Element Simulation of Vibration Separator Machine of Winnowing

GUO Jian1,ZHOU Ziqiang2,DAI Guohong2,3
(1.School of Mechanical Engineering,Soochow University,Suzhou 215021; 2.School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500; 3.Suzhou Key Laboratory of Intelligent Equipment for ELV Recycling Technology,Changshu 215500,China)

In order to effectively separate the heavy components from the crushed material of domestic waste,a sorting equipment combining vibration and wind separation is presented.In order to carry out the engineering design for this vibration wind picking machine,it is necessary to make the optimized selection of the vibration element and the vibration isolation component.In this paper,the coupled vibration simulation is conducted by means of the discrete element method and computational fluid mechanics method,and the reasonable working parameters of vibration wind picking machine are obtained.

discrete element;computational fluid mechanics;waste separation

TH237+.6

A

1008-2794（2017）02-0026-04

2016-10-11

周自強(qiáng)，副教授，博士后，研究方向：計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)及綠色制造，E-mail：zzq_hefei@163.com.