宋寶成，江海深，田祖織

1江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 江蘇徐州 221000

2中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院 江蘇徐州 221116

3國家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心 江蘇徐州 221116

4中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116

篩面堵孔是降低篩分設(shè)備篩分效率的重要因素[1]。為了提高篩面的防堵孔能力，傳統(tǒng)上普遍采用的方法是通過提高篩體振幅、頻率或利用篩面的二次振動(dòng)來增加篩面振動(dòng)強(qiáng)度[2-3]。然而，對于潮濕物料造成的黏附膜糊孔，通過改變篩面孔徑實(shí)現(xiàn)黏附膜拉伸破壞是最為有效的方法[4]。

傳統(tǒng)剛性桿篩面，所有篩桿振動(dòng)響應(yīng)一致，所以孔徑尺寸恒定，不利于堵孔物料的排出[5]；而相鄰篩桿的振動(dòng)差異化可以有效提升篩面防堵孔能力[6]。Huang Long 等人[7]提出在剛性篩桿外嵌套柔性管，柔性管在隨剛性篩桿振動(dòng)的同時(shí)可以繞篩桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)孔徑的動(dòng)態(tài)變化，通過試驗(yàn)分析了不同工況條件下柔性管的運(yùn)動(dòng)特性。宋寶成等人[8]提出一種剛?cè)狁詈虾Y面，利用柔性支撐塊獲得浮動(dòng)桿的二次振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與相鄰固連桿間孔徑的周期變化，建立了篩面動(dòng)力學(xué)模型，采用 DEM 仿真驗(yàn)證了其克服典型堵孔問題的有效性。張珂等人[9]采用矩形截面靜篩條與動(dòng)篩條交疊布置的方式設(shè)計(jì)了一種疊振篩，通過激振力直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)篩條，對堵孔物料可以產(chǎn)生切向拉伸作用以促進(jìn)物料排出，并采用 DEM 仿真分析了篩面傾角、振幅、頻率等參數(shù)對篩分效果的影響。然而，疊振篩由于采用矩形截面篩桿，相鄰篩桿的振動(dòng)差異不能產(chǎn)生孔徑變化效果，克服堵孔能力有限；采用剛性篩桿外嵌套柔性管方式雖然可以獲得孔徑變化效果，但孔徑變化具有隨機(jī)性，不易于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制；采用圓截面篩桿的剛?cè)狁詈虾Y面，不僅可以獲得類似疊振篩對物料的切向力作用，還具有規(guī)律的孔徑變化效果。但受到篩桿截面幾何形式的影響，孔徑變化幅值提升空間較小，限制了其防堵孔能力的發(fā)揮。

為提升剛?cè)狁詈虾Y面的孔徑變化效果，筆者將倒梯形截面篩桿應(yīng)用于剛?cè)狁詈虾Y面，建立了孔徑變化時(shí)變函數(shù)，采用 DEM 仿真分析了篩分效果與防堵孔特性，通過與圓截面篩桿進(jìn)行對比，研究其對提升剛?cè)狁詈虾Y面性能的影響。

1 倒梯形截面篩桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

采用倒梯形截面篩桿的剛?cè)狁詈虾Y面由邊框、固連桿、浮動(dòng)桿及彈性體組成，如圖1 所示。固連桿與邊框直接連接，在振動(dòng)過程中具有與篩體相同的振動(dòng)響應(yīng)。邊框上在固連桿間布置有導(dǎo)向槽，浮動(dòng)桿與固連桿穿插布置，末端穿過導(dǎo)向槽、嵌入彈性體與邊框柔性連接。導(dǎo)向槽平行于y方向，浮動(dòng)桿末端采用矩形結(jié)構(gòu)，與導(dǎo)向槽配合保證x方向篩桿間隙的穩(wěn)定。振動(dòng)過程中浮動(dòng)桿y方向可以獲得二次振動(dòng)效果，從而實(shí)現(xiàn)孔徑的實(shí)時(shí)變化。

圖1 篩面結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of screen surface

2 篩面孔徑時(shí)變規(guī)律

當(dāng)相鄰倒梯形截面篩桿y方向具有不同振幅時(shí)，孔徑變化情況如圖2 所示。y方向間距為ht=|(Av1-Av0)sinωt|，初始時(shí) (位置 ①)ht=0，孔徑dt=b0-2r；當(dāng)0 ＜ht≤(b0-2r) tanθ時(shí) (位置 ②)，孔徑dt為梯形頂點(diǎn)A、B間距；當(dāng) (b0-2r) tanθ＜ht≤(b0-2r) tanθ+h時(shí)(位置 ③)，孔徑dt為梯形頂點(diǎn)A與相鄰梯形側(cè)邊距離AP1；當(dāng)ht＞ (b0-2r) tanθ+h時(shí) (位置 ④)，孔徑dt為梯形頂點(diǎn)A與相鄰梯形頂點(diǎn)C間距。于是可得孔徑dt的時(shí)變函數(shù)為

圖2 倒梯形截面篩桿孔徑變化Fig.2 Aperture variation of screen rod with inverse trapezoid section

相同條件下，圓截面篩桿孔徑變化情況如圖3 所示。

圖3 圓截面篩桿孔徑變化Fig.3 Aperture variation of screen rod with circular section

其孔徑的時(shí)變函數(shù)為[8]

所以，當(dāng)ht≤h1時(shí)，倒梯形截面篩桿孔徑變化效果更為顯著。取b0=20 mm，r=5 mm，θ=30°，h=6 mm，對比孔徑變化率隨ht變化情況，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 孔徑變化率曲線Fig.4 Curves of aperture change rates

此時(shí)，h1=5.77mm，h2=11.77 mm，可見在此參數(shù)條件下，梯形截面篩桿孔徑變化效果在各區(qū)間均優(yōu)于圓截面篩桿。梯形截面篩桿孔徑變化率約為圓截面篩桿 2 倍，隨著ht的增大，其差值趨于平穩(wěn)，相對優(yōu)勢逐漸減弱。

3 篩分過程與效果分析

圖5 所示為采用倒梯形截面篩桿的剛?cè)狁詈虾Y面離散元模型，仿真參數(shù)如表1 所列，分析單位處理量為 20.99 t/(h·m2) 的篩分過程。當(dāng)篩體整體做直線振動(dòng)時(shí)，所有篩桿在x方向具有相同的振幅。在各參振浮動(dòng)桿質(zhì)量、彈性體剛度均一致的條件下，各浮動(dòng)桿具有相同的二次振動(dòng)效果[8]，以相同的振幅做周期運(yùn)動(dòng)。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖5 剛?cè)狁詈虾Y面離散元模型Fig.5 DEM model of rigid-flexible coupling screen surface

為分析篩分過程中篩下物透篩時(shí)間與篩上物輸送速度，利用 Grid Bin Group 對篩箱 (Group 0)、篩下 (Group 1) 及出料端口 (Group 2) 等區(qū)域物料進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。采用 API 插件 Residence Time 計(jì)算物料在 Group 0 中的停留時(shí)間，Group 1 與 Group 2 分別獲取篩下物顆粒與篩上物顆粒 ID。仿真結(jié)束后，利用Python 自編程序?qū)Y(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理得到所需結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)生成與分析過程Fig.6 Data generation and analysis process

按表1 參數(shù)進(jìn)行篩分過程仿真，得到結(jié)果如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ax、Ay一定時(shí)，由于倒梯形篩桿上部為平面，對物料輸送阻礙較小，與圓截面篩桿相比，動(dòng)力學(xué)參數(shù)分布較為簡單。當(dāng)ΔAy較小時(shí)，倒梯形截面篩桿平均輸送速度vt快于圓截面篩桿平均輸送速度vr；而當(dāng)ΔAy較大時(shí)，圓截面篩桿的拋擲指數(shù)增強(qiáng)效應(yīng)[10]對輸送速度的影響顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致vr逐漸優(yōu)于vt。相應(yīng)的，當(dāng)ΔAy較小時(shí)，倒梯形截面篩桿的幾何特點(diǎn)，使得快速輸送的物料透篩幾率相對較低，篩分效率低于相同條件下的圓截面篩桿。而隨著ΔAy的增大，倒梯形截面篩桿對物料輸送的阻礙作用逐漸增大，輸送速度相應(yīng)減小，篩分效率逐漸趕超同條件圓截面篩桿。在此過程中，圓截面篩桿對物料輸送的阻礙作用逐漸超越拋擲指數(shù)增強(qiáng)效應(yīng)對輸送速度的影響，使得物料輸送速度增大到一定值時(shí)出現(xiàn)降低。而ΔAy的增大勢必在提高y方向振動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，造成物料與篩面的接觸時(shí)間減少，所以當(dāng)ΔAy增大到一定值時(shí)，篩分效率均出現(xiàn)了下降的情況。

表2 仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results

利用 Excel 中的 Correl 函數(shù)[11]分別計(jì)算篩分效率與平均透篩時(shí)間、平均輸送速度的相關(guān)性，得到倒梯形截面篩桿篩分效率與平均透篩時(shí)間、平均輸送速度的相關(guān)系數(shù)分別為 -0.87、-0.39，圓形截面篩桿篩分效率與平均透篩時(shí)間、平均輸送速度的相關(guān)系數(shù)分別為 -0.63、0.56。平均透篩時(shí)間與篩分效率的關(guān)聯(lián)性較為顯著，關(guān)聯(lián)系數(shù)為負(fù)值，說明平均透篩時(shí)間越短，往往篩分效率越高。

4 防堵孔效果對比

采用黏性顆粒壓制的方法建立離散元堵孔模型如圖7 所示。取ω為 16.33 Hz，Ax為 3.5 mm，Ay為 2.5 mm，ΔAy為 2.25 mm，堵孔物料為厚度 4 mm 的小顆粒黏附膜，通過 Hertz-Mindlin with JKR 接觸模型[12]，可以模擬潮濕物料嚴(yán)重糊狀堵孔狀況。

圖7 篩面堵孔模型Fig.7 Blocking model of screen surface

圖8 所示為倒梯形截面篩桿與圓截面篩桿防堵孔過程對比?？梢园l(fā)現(xiàn)，圓截面篩桿的孔徑變化可以起到拉長黏附膜的作用，但由于黏附膜厚度相對較大，不易破裂，且篩桿與黏附膜接觸面為圓弧面，拉長過程中可以通過相對滑移阻礙該拉長效果，所以相同時(shí)間內(nèi)防堵孔效果弱于倒梯形截面篩桿。而在相同振動(dòng)條件下，倒梯形篩桿具有更為顯著的孔徑變化效果，對黏附膜的拉長作用更加明顯，且倒梯形截面篩桿與黏附膜接觸面為斜面，拉長過程中的相對滑移反而會促進(jìn)拉長效果。

圖8 2 種篩桿防堵孔過程的對比Fig.8 Comparison of anti-blocking process for two types of screen rods

相同條件下，倒梯形截面篩桿在 0.066 s 內(nèi)即實(shí)現(xiàn)黏附膜破裂、排出，而圓截面篩桿則需要 0.396 s(見圖9)。同時(shí)，需要注意的是，倒梯形截面篩桿對堵孔物料具有向下作用分力，所以堵孔物料從篩下排出；而圓截面篩桿上下結(jié)構(gòu)對稱，堵孔物料有從上部排出的可能，存在再次堵孔的風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 圓截面篩桿防堵孔效果Fig.9 Anti-blocking effect of circular section screen rod

5 結(jié)論

(1) 倒梯形截面篩桿較圓截面篩桿可以獲得更為顯著的孔徑變化效果。

(2) 隨著ΔAy的增大，倒梯形截面篩桿物料平均輸送速度逐漸降低，平均透篩時(shí)間先減小后增大，篩分效率呈現(xiàn)先增后減的趨勢。

(3) 當(dāng)ΔAy較小時(shí)，倒梯形截面篩桿篩分效率低于圓截面篩桿，ΔAy較大時(shí)則優(yōu)于后者。

(4) 應(yīng)對較大厚度的黏附膜堵孔情況，倒梯形截面篩桿具有更為明顯的防堵孔效果，可以更快從篩面下部排出堵孔物料，避免二次堵孔的發(fā)生。