王成軍 賀 鑫 章天雨 王興明 鄭 艷

生物質(zhì)顆粒燃料作為一種新型的生物能源，因其便于運輸、儲存、燃燒效率高等特點得到了廣泛應用[1]。楊木因其生長速度快、產(chǎn)量多、分布廣等特點能為生產(chǎn)楊木生物質(zhì)顆粒燃料提供豐富的資源[2]。顆粒的篩分是生物質(zhì)燃料生產(chǎn)工藝流程中的重要環(huán)節(jié)，但目前國內(nèi)外對楊木顆粒的篩分設備和篩分過程中的運動參數(shù)研究較少。Mindlin建立了Hertz-Mindlin顆粒接觸模型[3]；Chen Y H等利用離散元素法模擬顆粒在振動篩面上的碰撞及透篩過程[4]；王成軍等利用EDEM軟件建立原煤顆粒模型進行仿真，研究各振動參數(shù)對潮濕原煤顆粒篩分效率的影響[5]；李洪昌等發(fā)現(xiàn)振幅、頻率和振動方向角等運動學參數(shù)均影響著物料的透篩效率[6]?，F(xiàn)有的楊木顆粒篩分裝置基本上都采用圓振篩[7]，相關研究中多用長短軸表述運動軌跡，對激振力和運動學參數(shù)的研究并不多見[8]，物料的運動方式受限，且篩分效率較低。因此，業(yè)內(nèi)迫切需要一種能夠有效提高楊木顆粒篩分效率的新設備。筆者基于離散元素法理論，結合三自由度往復式振動篩的運動方式和振動學參數(shù)的特點，利用EDEM軟件進行模擬仿真，研究楊木顆粒在篩分過程中不同振幅、振動頻率和激振模式對篩分效果的影響規(guī)律。尋找楊木顆粒在三自由度往復式振動篩中的最佳運動學參數(shù)，為新型篩分設備的研制提供參考。

1 仿真模型建立

1.1 振動篩模型

利用三維建模軟件建立振動篩模型，在EDEM軟件中，為提高運行速度，將復雜的三自由度往復式振動篩的三維模型簡化為篩框、篩面及顆粒三個部分，如圖1所示。振動篩篩面尺寸為280 mm×140 mm，篩孔形狀為方孔，采用長方孔直排的排列方式。其中長度a=5 mm，寬度b=1.5 mm，篩孔間距k1=6 mm，k2=6.25 mm，開孔率為40%，振動篩的仿真模型如圖1所示。

圖1 振動篩仿真模型Fig.1 Simulation model of vibrating screen

1.2 楊木顆粒模型

筆者以破碎后的楊木顆粒為研究對象，為使顆粒模型具有代表性，通過對大量的楊木顆粒進行測量分析，確定了楊木顆粒的大致形狀為圓柱狀顆粒,如圖2所示。其長徑比L/d范圍在2.5～5之間，根據(jù)實際楊木顆粒形狀及尺寸，在EDEM軟件中建立楊木顆粒的仿真模型，如圖3所示。

圖2 楊木顆粒實物Fig.2 Poplar particle in kind

圖3 楊木顆粒仿真模型Fig.3 Poplar particle simulation model

2 數(shù)值模擬及分析

在模擬仿真中選取楊木顆粒的長徑比L/d在2.5～5之間，入料顆粒由圖3所示的2 000個顆粒組成，其中長徑比為2.5的易篩楊木顆粒含量為50%，長徑比為4.3的難篩楊木顆粒含量為30%，長徑比為5的阻篩楊木顆粒含量為20%。在EDEM中仿真時，為保證在長徑比2.5～5內(nèi)均有顆粒生成，設置顆粒工廠產(chǎn)生顆粒服從正態(tài)分布，確保試驗結果的準確性和可靠性。設置振動篩的篩面傾角為5°，入料時間為2 s，仿真時間為5 s。根據(jù)物料實際情況和EDEM仿真模擬方法的特點[9],得到材料特性參數(shù)見表1，接觸參數(shù)見表2。

表1 材料特性參數(shù)Tab.1 Material characteristic parameters

表2 接觸參數(shù)Tab.2 Contact parameters

3 單自由度篩分過程影響因素研究

在振動篩的篩分過程中，影響篩分效果的主要因素有物料性質(zhì)、振動篩的結構參數(shù)和振動特性參數(shù)等。筆者主要討論振動篩的振動特性參數(shù)對篩分效果的影響，振動特性參數(shù)包括振幅、振動頻率等，通過研究這些參數(shù)對篩分效果的影響規(guī)律，可以有效地提高振動篩的工作效率。為考察實際篩分效果，引入篩分效率η作為判斷振動篩工作性能的重要指標，公式如下[10]：

式中：C ——篩下物總質(zhì)量，kg；

Q ——入料物總質(zhì)量，kg；

θ ——入料時小于篩孔尺寸的物料含量，%。

3.1 振幅對篩分效率的影響

討論振動特性參數(shù)對楊木顆粒篩分效率的影響規(guī)律時，選取單自由度振動模式，在Z方向施加振動激勵。取振幅為3～10 mm，振動頻率為10 Hz，對楊木顆粒的篩分過程進行模擬，得到不同振幅下楊木顆粒的篩分效率，具體模擬參數(shù)見表3，篩分效果如圖4所示。

由圖4可知，當振幅A=3～4 mm時，篩分效率明顯提高，A=4～5 mm時，篩分效率仍處于緩慢上升狀態(tài)，但是當振幅A超過5 mm時，篩分效率開始下降，其中A=5～6 mm時，篩分效率下降幅度較大，A=6～10 mm時，篩分效率下降速度減緩。上述現(xiàn)象產(chǎn)生原因是當振幅增加時，篩分效果明顯提高，但是振幅只能提高至5mm左右，否則振幅過大會造成大量顆粒被拋起，從而減少顆粒與篩網(wǎng)接觸的機會，反而降低了篩分效率。

表3 不同振幅時的模擬參數(shù)Tab.3 Simulation parameters at different amplitudes

表4 不同頻率下的模擬參數(shù)Tab.4 Simulation parameters under different frequencies

圖4 振幅對篩分過程影響規(guī)律Fig.4 Influence rule of amplitude on screening process

圖5 振動頻率對篩分過程的影響規(guī)律Fig.5 Influence rule of vibration frequency on screening process

3.2 振動頻率對篩分效率的影響

作為振動篩振動特性參數(shù)的重要組成部分，振動頻率也是影響篩分效果的重要因素。分析圖4可知，在施加Z方向激振力的情況下，振幅為5 mm時篩分效果最佳。因此在考慮振動頻率對篩分效率的影響規(guī)律時，選擇振幅為5 mm，振動頻率在5～13 Hz范圍內(nèi)，對篩分過程進行模擬，得到不同振動頻率條件下的篩分效率，具體模擬參數(shù)如表4所列，篩分效果如圖5所示。

從圖5可以看出，在振幅不變的情況下，振動頻率f=5～7 Hz之間篩分效率雖然較低，但處于緩慢提高狀態(tài)，當振動頻率f=7～10 Hz時，篩分效果有了顯著提高，而當振動頻率f提高到10～13 Hz后，篩分效率開始減小，處于緩慢下降狀態(tài)。因為當振動頻率增加時，楊木顆粒在篩面上的跳動幅度也隨之增大，此時物料容易松散、分層，方便篩分。當振動頻率增加到10 Hz時，篩分效果達到最佳；但振動頻率持續(xù)增加，超過了10 Hz后，楊木顆粒在篩面上的跳動幅度越來越劇烈，僅有少量楊木顆粒能和篩面接觸，不利于篩分。因此篩分效率下降，篩分效果變差。

從圖4、5可以看出：楊木顆粒在單自由度振動模式下，振幅、振動頻率均為影響篩分效果的重要因素，同時這些參數(shù)大小選取也存在一定的規(guī)律。只有當振幅在5 mm左右，振動頻率在10 Hz的條件下，篩分效果比較理想。

4 多自由度模式對篩分效率的影響

4.1 確定試驗方案

在楊木顆粒的篩分過程中，影響篩分效果的主要因素不僅有振幅、振動頻率等運動學參數(shù)，還涉及振動篩工作時激振模式的選擇。為研究這些因素對篩分效果影響的重要程度和影響規(guī)律，采用正交試驗設計的方法科學地安排和分析多因素試驗[11]。確定因素水平表，如表5所示，同時根據(jù)選取的因素數(shù)和水平數(shù)建立等水平正交表L9(34)，如表6所示。通過對各組試驗結果進行統(tǒng)計分析，得到各組試驗的篩分效率隨時間的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 各組試驗的篩分效率Fig.6 Screening eff i ciency of the experiment in each group

表5 因素水平表Tab.5 Table of factor levels

表6 試驗方案及結果分析Tab.6 Experimental scheme and result analysis

4.2 試驗結果的統(tǒng)計分析

通過分析圖6和表6可知，影響楊木顆粒篩分過程因素的主次順序為振幅（因素B）、激振模式（因素A）、振動頻率（因素C），為準確估計各因素影響的重要程度及誤差大小，利用方差分析法對試驗結果進行分析，如表7所示。

表7 方差分析表Tab.7 ANOVA table

通過查F分布表得出常用的臨界值F0.01(2, 2)=99.0，F(xiàn)0.05(2, 2)=19.0，F(xiàn)0.10(2, 2)=9.0，而由表7 可知，對于顯著性水平α=0.10，臨界值FB＞ F0.10(2, 2)，所以因素B（振幅）對篩分效率有著顯著影響。

4.3 確定最佳方案

由于在本次正交試驗中，篩分效率作為試驗指標，越大越好。因此選擇因素A、B、C的K1，K2，K3中最大值對應的那個水平[11]。由于A因素列：K2＞K1＞K3，B因素列：K2＞K3＞K1，C因素列：K3＞K2＞K1，所以篩分效率的最佳方案為A2B2C3，即選取X/Z方向的兩自由度振動模式，振幅為3 mm，振動頻率為10 Hz。

4.4 對比分析

為驗證激振模式對楊木顆粒篩分效率的影響規(guī)律，模擬三自由度往復式振動篩在單自由度運動模式和X/Z方向的兩自由度運動模式下的篩分過程，得到不同激振模式下楊木顆粒篩分效率隨時間的變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 不同激振模式下的篩分效率對比圖Fig.7 Comparison of screening efficiency under different excitation modes

由圖7可以看出，單自由度的篩分模式下，在0至2.2 s篩分效率不斷增加，但增幅不大，且在2.2 s后篩分效率保持不變，僅為33.35%；而在兩自由度X/Z的篩分模式下，0至0.2 s時，篩分效率低于單自由度模式，但從0.2 s至0.4 s內(nèi)篩分效率不斷增加，在0.4 s左右超過了單自由度模式，且兩自由度模式下的篩分效率從0至1.4 s內(nèi)篩分效率始終保持較快的增加速度，從1.4 s至2.6 s篩分效率仍處于緩慢上升期，2.6 s后篩分效率穩(wěn)定保持在80%左右。由此可以看出，兩自由度X/Z的篩分模式下的篩分效率相對于單自由度較高，且隨時間的變化較為明顯。

5 結論

1）提出在楊木顆粒篩分中以多自由度往復式振動模式替代傳統(tǒng)的單自由度振動模式；并研究單自由度篩分模式下振幅、振動頻率對楊木顆粒篩分效率的影響規(guī)律，得出振動篩在單自由度篩分模式下的最佳振幅為5 mm，最佳頻率為10 Hz。

2）利用正交試驗，得到楊木顆粒篩分效率影響因素的重要性主次順序為：振幅、激振模式、振動頻率；同時得出了振動篩在兩自由度振動模式下的最佳方案：優(yōu)選X/Z振動模式，且最佳振幅為3 mm，最佳振動頻率為10 Hz。

3）通過對單自由度和兩自由度的篩分模式進行對比分析，得出兩自由度篩分模式能夠顯著地提高楊木顆粒的篩分效率，為多自由度振動篩篩分過程研究和新型振動篩分設備的研制提供參考。

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