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        弛張篩篩面形貌對(duì)濕煤聚團(tuán)篩分影響的研究

        2022-01-13 03:33:26熊曉燕牛藺楷
        機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2021年12期
        關(guān)鍵詞:篩面篩板篩分

        曹 榮,熊曉燕,牛藺楷,張 新

        (太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,山西 太原 030024)

        1 引言

        弛張篩用于對(duì)給料粒度<50mm,黏度較大,含水量為(7~14)%的難篩物料進(jìn)行(1~13)mm 粒度的篩分分級(jí)[1]。相比傳統(tǒng)振動(dòng)篩,弛張篩最大的特點(diǎn)是其篩面的彈性材料和弛張運(yùn)動(dòng),國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)弛張篩篩面的研究主要研究了篩面位移、速度、加速度的動(dòng)力學(xué)特性[2]以及張緊量對(duì)其動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響[3-5]。文獻(xiàn)對(duì)篩面進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性仿真,得出等效阻尼越小越有利于振動(dòng)強(qiáng)度的提高[6]。但對(duì)弛張篩篩面的研究很多未考慮物料動(dòng)載荷對(duì)篩面的影響,由于物料對(duì)篩面的力隨篩面的變形時(shí)刻在變化,因此需要考慮顆粒動(dòng)載荷的影響。許多學(xué)者用離散元方法對(duì)顆粒進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]用離散元模擬振動(dòng)篩的篩分過(guò)程,通過(guò)正交試驗(yàn)和距離分析研究了各振動(dòng)指標(biāo)因素的綜合影響。文獻(xiàn)[8]基于離散元與Taguchi正交實(shí)驗(yàn)方法分析了振動(dòng)參數(shù)對(duì)振動(dòng)篩分過(guò)程的綜合影響。以上學(xué)者對(duì)篩面的研究都是基于光滑平整篩面,所研究的顆粒均為無(wú)粘結(jié)的單顆?;蝾w粒群,關(guān)于弛張篩篩面形貌對(duì)粘結(jié)物料篩分效果的研究較少。因此對(duì)弛張篩篩面形貌進(jìn)行參數(shù)化建模,通過(guò)分析不同形貌下單顆粒與篩面沖擊碰撞所受的應(yīng)力大小,對(duì)形狀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并在最優(yōu)形狀參數(shù)下利用離散元軟件EDEM與多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn的聯(lián)合仿真模擬濕煤聚團(tuán)在不同間隔參數(shù)篩板上的篩分過(guò)程,通過(guò)分析對(duì)比不同間隔參數(shù)下的篩上物顆粒數(shù)量,粘結(jié)鍵數(shù)量和篩分時(shí)間得出有利于篩分的最優(yōu)間隔參數(shù)。

        2 模型建立

        2.1 濕煤聚團(tuán)模型的建立

        液體在弛張篩物料中以擺動(dòng)狀態(tài)存在,擬采用BPM(Bonding Particle Model)模型來(lái)模擬顆粒間的粘結(jié)。BPM是Potyody和cundall[9]為模擬巖石破碎提出的,其原理是將顆粒集合體中每個(gè)顆粒的接觸點(diǎn)處添加平行鍵,形成可破碎的顆粒模型。其力-位移行為,如圖1所示。

        圖1 BPM力-位移行為Fig.1 The BPM Force-Displacement Behavior

        當(dāng)滿足以下任一條件時(shí),粘結(jié)鍵發(fā)生斷裂,同時(shí)將其伴隨的力,力矩和剛度移除。聚團(tuán)破碎,此后顆粒間以Hertz-Middlin接觸模型進(jìn)行相互作用。兩者的區(qū)別是bonding鍵可以傳遞力和力矩,而H-M模型的顆粒間只能傳遞力。

        斷裂條件:

        由于EDEM中采用顆粒替換方式構(gòu)建的BPM聚團(tuán)模型只能實(shí)現(xiàn)等粒徑單元顆粒組成不同形狀大小的聚團(tuán),如圖2(a)所示。而實(shí)際濕煤聚團(tuán)的組成粒度和形狀大小紛紛不一,因此等粒徑顆粒組成的聚團(tuán)不太符合實(shí)際情況,故通過(guò)對(duì)顆粒體積力和顆粒工廠插件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出多粒度內(nèi)聚顆粒模型來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有等徑聚團(tuán)模型的不足,如圖2(b)所示。

        圖2 聚團(tuán)粘結(jié)模型Fig.2 The Bonding Model of Wet Coal Agglomeration

        2.2 篩板的近似柔性化

        弛張篩篩面采用聚氨酯彈性材料,在雙質(zhì)體篩箱的不同步振動(dòng)下,相間分布的固定橫梁與浮動(dòng)橫梁之間的距離產(chǎn)生周期性變化,進(jìn)而篩面產(chǎn)生一張一弛的大變形運(yùn)動(dòng),使篩面加速度大,篩孔發(fā)生周期性變形,有效改善物料堵孔現(xiàn)象。

        考慮到EDEM無(wú)法實(shí)現(xiàn)幾何體的柔性化以及復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式,擬采用篩板近似柔性化方法通過(guò)EDEM 與RecurDyn的聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)物料與弛張運(yùn)動(dòng)的篩板之間的雙向耦合計(jì)算。近似柔性化方法,如圖3所示。

        圖3 近似柔性化示意圖Fig.3 The Approximate Flexible Method

        在三維軟件中將篩板沿長(zhǎng)度方向離散化為若干篩條,將篩條按某一撓曲形態(tài)裝配得到近似的柔性篩板,導(dǎo)入RecurDyn中在篩條之間的接觸部位加轉(zhuǎn)動(dòng)副及柔性連接可實(shí)現(xiàn)非線性變形運(yùn)動(dòng),其大變形撓曲形態(tài)可用懸鏈線理論模型來(lái)模擬[10]。

        3 篩面形貌設(shè)計(jì)

        弛張篩篩板與顆粒作用會(huì)產(chǎn)生兩種效果:透篩和沖擊碰撞。一部分物料由于粒度小于篩孔完成透篩,其他物料與篩面接觸碰撞并吸能拋射,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物料的松散與分層,有利于透篩。其中一部分物料由液橋力粘結(jié)成粒度大于篩孔的聚團(tuán)可通過(guò)與篩面的沖擊碰撞或拋射過(guò)程中物料間的摩擦碰撞解聚為單個(gè)煤顆粒,有利于降低錯(cuò)配率,而濕煤聚團(tuán)與篩面的沖擊破碎和物料運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度均與篩面的材料和形貌有關(guān),因此首先對(duì)篩面形貌進(jìn)行參數(shù)化建模,然后分析煤顆粒在不同形狀參數(shù)的篩板上沖擊碰撞時(shí)的應(yīng)力,得到優(yōu)化后的形狀參數(shù)。最后模擬濕煤聚團(tuán)在不同間隔參數(shù)下最優(yōu)凸起形狀篩板上的篩分過(guò)程,通過(guò)分析篩分效果及聚團(tuán)破碎程度得出最優(yōu)間隔參數(shù)。

        3.1 篩面形貌參數(shù)化建模

        弛張篩篩面可設(shè)計(jì)成多種形貌,但形貌特征無(wú)法統(tǒng)一,為了便于比較形貌的優(yōu)劣,將所設(shè)計(jì)的篩面形貌進(jìn)行參數(shù)化處理。篩面形貌參數(shù)示意圖,如圖4所示。圖中:h—凸起高度;a—凸起底邊長(zhǎng);α—凸起角度;T—凸起間隔(保證相同長(zhǎng)度的篩板凸起個(gè)數(shù)相同)。其中,陰影部分為原有篩面切割去除部分。

        圖4 篩面形貌示意圖Fig.4 The Topography of the Screen Surface

        設(shè)計(jì)的篩板厚為5mm,考慮到篩面強(qiáng)度及形貌篩面弛張運(yùn)動(dòng)時(shí)形貌對(duì)篩孔的影響,將形貌高度h設(shè)置為2mm,只對(duì)凸起底邊長(zhǎng)a,凸起角度α,凸起間隔T進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于間隔T決定凸起的數(shù)量,故先令凸起間隔T=30mm,分別改變形狀參數(shù)a和α來(lái)對(duì)形貌進(jìn)行初步設(shè)計(jì)及優(yōu)化,再對(duì)間隔參數(shù)T進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化。不同形狀參數(shù)下的篩面形貌,如圖5所示。

        圖5 不同參數(shù)下的篩面形貌Fig.5 Screen Morphology under Different Parameters

        3.2 形狀參數(shù)設(shè)計(jì)

        由于設(shè)計(jì)篩面形貌目的是為了增大濕煤團(tuán)聚物料的破碎程度,加大物料運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性,進(jìn)而提高篩分效率,而物料的破碎取決于聚團(tuán)物受到的最大應(yīng)力是否大于顆粒之間液橋的極限應(yīng)力,因此以物料與篩面碰撞的接觸應(yīng)力越大,濕煤聚團(tuán)的破碎概率越大為依據(jù),對(duì)凸起底邊長(zhǎng)a和凸起角度α進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到有利于物料解聚的最優(yōu)形狀參數(shù)。

        3.2.1 有限元模型的建立

        篩板尺寸為(90×90×5)mm,顆粒直徑為15mm,篩板和煤顆粒的材料特性,如表1所示。

        表1 材料特性Tab.1 Material Properties

        令凸起底邊長(zhǎng)分別為3mm,5mm,10mm,15mm,20mm,25mm,30mm,凸起角度α 分別為7.59°,9.09°,11.31°,14.93°,21.8°,30°,38.66°,50°,60°,70°,80°,90°,共設(shè)計(jì)了67塊相同尺寸不同形貌的篩板,由于每種形貌下顆粒在不同的接觸位置受到不同的接觸應(yīng)力,因此根據(jù)形貌特點(diǎn)選取多種接觸位置,對(duì)于三角形凸起的形貌取如圖6(a)所示的三種接觸位置,對(duì)于梯形凸起形貌取圖6(b)的四種接觸位置,對(duì)于矩形凸起取圖6(c)的四種接觸位置。

        圖6 接觸位置Fig.6 The Contact Position

        利用Workbench 顯示動(dòng)力學(xué)模塊LS-DYNA 中的自動(dòng)劃分網(wǎng)格對(duì)顆粒和篩板進(jìn)行網(wǎng)格劃分,篩板和顆粒均設(shè)置為柔性體,設(shè)置-Z方向?yàn)橹亓Ψ较?,給顆粒沿Z方向初速度(-3.1)m/s來(lái)模擬顆粒從0.5m的高度的自由落體。采用自動(dòng)單面接觸算法,以考慮碰撞過(guò)程顆粒與篩板以及兩者結(jié)構(gòu)自身變形所可能產(chǎn)生的接觸,將靜、動(dòng)摩擦系數(shù)都取為0.5,最后利用LS-DYNA求解器對(duì)碰撞沖擊下顆粒與篩面的響應(yīng)進(jìn)行求解。

        3.2.2 篩面與顆粒碰撞仿真結(jié)果與分析

        某一形貌及接觸位置下碰撞過(guò)程的應(yīng)力云圖,如圖7所示。

        圖7 碰撞過(guò)程應(yīng)力云圖Fig.7 Stress Cloud Diagram of the Collision Process

        從圖中可看出,應(yīng)力應(yīng)變主要集中在碰撞接觸面,并且在形變最大時(shí)接觸點(diǎn)的應(yīng)力達(dá)到最大,隨后隨著顆粒的反彈由接觸面逐步向上擴(kuò)散。

        由于每種形貌分別做了多組不同接觸位置下的沖擊碰撞,而顆粒與形貌的接觸概率與形貌特點(diǎn)有關(guān),故根據(jù)形貌在篩面法向方向上的投影面積對(duì)不同接觸位置所測(cè)得的最大等效應(yīng)力取相應(yīng)的權(quán)值。不同形貌下顆粒受到最大等效應(yīng)力的應(yīng)力等值線圖,如圖8所示。從map圖中可以直觀地看出在形貌參數(shù)底邊長(zhǎng)a=5mm,角度α=45°時(shí),最大等效應(yīng)力值最大,有利于物料的破碎,因此初步優(yōu)化后的篩面形貌參數(shù)為:a=5mm,角度α=45°。

        圖8 不同形貌下最大等效應(yīng)力map圖Fig.8 Maximum Equivalent Stress Map under Different Morphologies

        3.3 間隔參數(shù)設(shè)計(jì)

        凸起間隔T的選取不僅影響濕煤聚團(tuán)解聚程度,也影響弛張篩的篩分過(guò)程。共設(shè)置T=5mm,10mm,15mm,20mm,25mm,30mm六種凸起間隔的篩板以及普通平面篩板(為了便于統(tǒng)一比較,將平面篩板表示為T(mén)=0mm),通過(guò)EDEM-RecurDyn的聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)濕煤聚團(tuán)在弛張篩上的篩分過(guò)程模擬。分析對(duì)比仿真結(jié)果進(jìn)而優(yōu)化凸起間隔T,得出最優(yōu)的形貌參數(shù)。

        3.3.1 仿真模型的建立

        篩板尺寸為:340mm×653mm×5mm,共6 塊。篩孔尺寸為15mm×6mm,固定橫梁與浮動(dòng)橫梁之間的間距為337mm,離散后的篩條尺寸為20mm×653mm×5mm,根據(jù)篩板和篩條的尺寸,每塊篩板可離散化為17塊篩條,將這些篩條沿懸鏈線撓曲形態(tài)依次按順序裝配成近似柔性化篩板,不同形貌間隔的篩條單元。如圖9所示。令篩面傾角為15°,設(shè)置浮動(dòng)橫梁沿篩面方向的驅(qū)動(dòng)為:Asin(2πf·t),A=2.9mm,f=18Hz。

        圖9 不同形貌間隔的篩條單元Fig.9 Screen Units with Different Spacing Parameters

        在EDEM中設(shè)置顆粒生成方式為動(dòng)態(tài)生成,聚團(tuán)數(shù)量3個(gè),顆??倲?shù)為429,粘結(jié)鍵總數(shù)為1572,濕煤聚團(tuán)接觸模型采用Hertz-Mindlin with bonding,煤顆粒與幾何體的接觸模型采用Hertz-Mindlin(No Slip),具體參數(shù),如表1、表2所示。

        表2 接觸屬性設(shè)置Tab.2 Contact Property Settings

        3.3.2 數(shù)值模擬及分析

        共模擬了濕煤聚團(tuán)在7種間隔參數(shù)篩板上的篩分過(guò)程,由于篇幅所限,僅列出T=20mm的篩板在t=1.87s時(shí)聚團(tuán)的篩分狀態(tài),如圖10所示。為了分析不同間隔T對(duì)篩分性能的影響,對(duì)仿真結(jié)果選取篩上物顆粒數(shù)量、粘結(jié)鍵剩余個(gè)數(shù)、篩分時(shí)間3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。由于聚團(tuán)組成粒度在篩孔尺寸以下,理論應(yīng)全部透篩,但實(shí)際總有部分篩下物留在篩上形成錯(cuò)配物,影響篩分效率,故此次數(shù)值模擬中篩上物顆粒數(shù)量在一定程度上與篩分效率呈負(fù)相關(guān),與錯(cuò)配率呈正相關(guān)。粘結(jié)鍵剩余個(gè)數(shù)可反映濕煤聚團(tuán)沖擊破碎的解聚程度,粘結(jié)鍵數(shù)量越少表明聚團(tuán)解聚程度越大,越有利于提高篩分效率。

        圖10 T=20的濕煤聚團(tuán)篩分過(guò)程模擬Fig.10 Simulation of Wet Coal Agglomeration Screening Process with T=20

        由圖11可知,不同凸起間隔的形貌篩面相比普通篩面對(duì)聚團(tuán)的篩分效果較好,篩上物數(shù)量均小于普通篩面的篩上物數(shù)量。隨著T的增大,篩上物數(shù)量先減后增,在T=10mm時(shí),篩上物數(shù)量最少,篩分效果最佳,之后隨著T增大,凸起數(shù)量減少,形貌相似程度越接近普通篩面,篩上物數(shù)量逐漸增大并趨近普通篩面對(duì)應(yīng)的值。形貌篩面的粘結(jié)鍵剩余個(gè)數(shù)均比普通篩面的少,說(shuō)明形貌篩面有助于濕煤聚團(tuán)的破碎解聚,隨著T的增大粘結(jié)鍵剩余個(gè)數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),在T=10mm時(shí),破碎效果最好。形貌篩面由于凸起加大顆粒的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性,篩分時(shí)間均比普通篩面長(zhǎng),時(shí)間過(guò)少,物料與篩面接觸時(shí)間短,篩分效率低,時(shí)間過(guò)長(zhǎng)處理量太少,因此篩分時(shí)間不宜過(guò)大或者過(guò)小,結(jié)合上述分析可確定T=10mm為最優(yōu)間隔參數(shù)。

        圖11 形貌間隔與篩上物數(shù)量、粘結(jié)鍵數(shù)量和篩分時(shí)間的關(guān)系Fig.11 Relationship Between Topographical Spacing and Number of Sieves,Number of Bonding Bonds and Screening Time

        分析可得:形貌篩面有助于加大聚團(tuán)解聚程度,提高篩分效率,降低錯(cuò)配率。該結(jié)論為弛張篩的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論參考。通過(guò)對(duì)形貌的設(shè)計(jì)及優(yōu)化,得出弛張篩篩面最優(yōu)形貌參數(shù)為:凸起底邊長(zhǎng)a=5mm,凸起角度α=45°,凸起間距T=10mm。

        4 結(jié)論

        通過(guò)Ansy Workbench的LS-DYNA模擬顆粒與篩面沖擊碰撞方法對(duì)弛張篩篩面形貌參數(shù)中形狀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得出最優(yōu)形狀參數(shù):凸起底邊長(zhǎng)a=5mm,凸起角度α=45°。在該參數(shù)下利用EDEM-RecurDyn聯(lián)合仿真模擬聚團(tuán)在多種間隔參數(shù)篩板上的篩分過(guò)程,對(duì)比分析仿真結(jié)果可得在T=10mm時(shí)篩上物顆粒數(shù)量最少,粘結(jié)鍵數(shù)量最少,聚團(tuán)破碎程度最大,篩分時(shí)間適中,更有利于篩分。因此可得出改變篩面形貌有利于優(yōu)化篩分過(guò)程,加大濕煤聚團(tuán)破碎程度,提高篩分效率,最優(yōu)篩面形貌為:凸起底邊長(zhǎng)a=5mm,凸起角度α=45°,凸起間距T=10mm。該結(jié)論為進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化高效篩分設(shè)備提供一定的參考依據(jù)。

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