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学校代码10112 密 级 （（学学 术术 学学 位）位） 题 目 英文并列题目 作者姓名 杨 健 学 号 2017510061 专业领域 机械工程 研究方向 机械系统动态设计 指导教师 熊晓燕 教 授 合作导师 论文提交日期2020 年 5 月 Screening Research of Flip-flow Screen and Design Optimization of Rebound Baffle 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下， 独立进行 研究所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含其他个人 或集体已发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 签字日期2020 年 06 月 10 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解太原理工大学有关保留、使用学 位论文的规定学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复 印件和电子版； 允许本学位论文被查阅和借阅； 学校可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或其他复制手 段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于保密 □ 在 年解密后适用本授权书 不保密 论文作者签名 导师签名 签字日期2020 年 06 月 10 日 签字日期2020 年 06 月 10 日 万方数据 硕士学术学位、硕士非工程类专业学位 学位论文答辩信息表 论文题目 弛张筛筛分机理研究及回弹挡板设计优化 课题来源* 国家自然科学基金面上项目 论文答辩日期 2020.06.06 答辩秘书 钮晨光 学位论文答辩委员会成员 姓名 职称 博导/硕导 工作单位 答辩委员 会主席 闫红红 教授 硕导 太原科技大学 答辩委员 1 武兵 副教授 硕导 太原理工大学 答辩委员 2 兰媛 副教授 硕导 太原理工大学 *课题来源可填国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、国家 社科基金项目、教育部人文社科项目、国家其他部委项目、省科技厅项 目、省教育厅项目、企事业单位委托项目、其他 万方数据 摘 要 I 摘 要 弛张筛作为近年来发展起来的深度干法筛分设备，在潮湿细粒煤分质 分级的作业中具有良好表现。 但目前弛张筛筛分研究中， 对物料在柔性筛面 上的运动行为及复杂筛分过程的研究不够深入和细致； 设计参数 （转速、 倾 角、 伸缩量）对筛分效果的影响规律尚不明确。 实际筛分作业中部分物料颗 粒沿筛面方向单次弹跳距离远， 与筛面接触次数少，透筛不充分。针对上述 问题，采用多体动力学-离散元耦合分析方法，建立了筛面-颗粒耦合模型， 对筛面上的物料运动行为进行数值模拟，运用速度矢量分布图法解释了弛 张筛的筛分机理，并研究了设计参数对筛分效果影响的关系；结合 BP 神经 网络模型和 GA 遗传算法对设计参数组合全局寻优；进一步在弛张筛上设 计安装回弹挡板，改善弛张筛的筛分性能，主要研究内容如下 （1）建立了筛面-筛机刚柔耦合模型，分析了柔性筛面的运动学特性， 之后与弹性压杆模型进行对比；在此基础上，对柔性筛面做近似化处理，建 立了符合实际筛分作业的筛面-颗粒耦合模型。 （2）对柔性筛面上的物料进行了受力分析，结合筛面运动情况，理论 分析了物料在筛面的运动情况；基于筛面-颗粒耦合仿真模型，运用速度矢 量分布图法解释了弛张筛的筛分机理； 对设计参数进行了正交实验， 分别讨 论了转速、 倾角和伸缩量对筛分效果的影响规律， 并确定了影响各筛分性能 指标的主次顺序。 （3）使用 BP 神经网络映射设计参数与筛分效果之间的关系，以该构 建好的非线性映射模型作为适应度函数，借助不需要显示表达式的遗传算 法对设计参数进行全局寻优，确定了设计参数最佳组合。 （4）实验验证了弛张筛上的物料跳动分布规律后，设计了回弹挡板， 并讨论了回弹挡板的安装高度与物料筛分效果间的关系。 结果表明， 合理安 装回弹挡板后，筛分生产率基本不受影响且筛分效率进一步提高。 关键词关键词弛张筛；MBD-DEM 耦合；参数优化；速度矢量分布；回弹挡板 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 II 万方数据 ABSTRACT III ABSTRACT Flip-flow screen, as a new equipment developed in recent years of deep dry screening，has good perances in the classification of moist fine coal. However, in the current screening research of flip-flow screen, the research on the movement behavior of granular material over the flexible screen surface and the complicated screening process is not thorough and detailed. The influence of design parameters e.g. rotating speed, inclined angle, expansion amount on the screening effect remains unclear. Part of material have a long bounce distance along the horizontal direction of the screen surface, whose penetration are insufficient. Aiming to solve above problems, the screen surface-granular material coupling model was established by using the coupling of MBD and DEM to numerically simulate the movement behavior of the granular material over the screen surface. The screening mechanism was explained by using the velocity vector distribution diagram . The relationship between design parameters and the screening effect was studied. Combining BP neural network model and GA genetic algorithm globally optimized the design parameter, furthermore, rebound baffles were designed and installed on the flip-flow screen to improve the screening perance, the main contents are as follows 1 The rigid-flexible coupling model of the screen surface-screen machine was built, and the kinematics characteristics of the flexible surface were analyzed, which was compared with the model of elastic compression bar. On the basis of that, the flexible screen surface was approximated to establish, screen surface- granular material coupling model screening was built with consideration of the actual working conditions. 2 Based on the screen surface-granular material coupling model, the stress analysis of the granular material materials on the flexible screen is carried out; the complete screening perance on the flip-flow screen is explained by combining the velocity vector distribution diagram ; orthogonal experiments were carried out on the design parameters. The influence rule of design parameters on the screening perance was discussed, and the primary and secondary sequence of factors affecting the screening effect were determined. 3 The BP neural network is used to map the relationship between design 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 IV parameters and screening effect. This non-linear mapping model was used as the fitness function, and the genetic algorithm without expression was used to per global optimization of parameters, and the optimal design parameter combination was obtained. 4 After the experiment verified the beating distribution of the material, the rebound baffle was designed according to the distribution of the granular material on the flip-flow screen, and the relationship between the installation height of the rebound baffle and the screening effect of the granular material was discussed. The results show that the screening efficiency was greatly increased, while, the screening ability is almost unaffected. Key Words Flip-flow Screen; MBD-DEM Coupling; Parameter Optimization; Velocity Vector Distribution; Rebound Baffle 万方数据 目 录 V 目 录 摘 要 .................................................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................................................ III 目 录 .................................................................................................................................. V 第 1 章 绪论 ....................................................................................................................... 1 1.1 选题研究背景及意义 ............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 2 1.2.1 弛张筛发展概况 ........................................................................................... 2 1.2.2 潮湿细粒煤干法筛分理论研究现状 ............................................................ 4 1.2.3 弛张筛优化研究现状 ................................................................................... 6 1.3 主要研究内容 ......................................................................................................... 7 第 2 章 弛张筛筛分模型的建立 ........................................................................................ 9 2.1 弛张筛筛面简介与本构模型 .................................................................................. 9 2.1.1 弛张筛筛面简介 ........................................................................................... 9 2.1.2 聚氨酯本构模型 ......................................................................................... 11 2.2 弛张筛筛面动力学模型 ........................................................................................ 12 2.2.1 筛面弹性压杆模型 ..................................................................................... 12 2.2.2 弛张筛柔性筛面动力学分析 ...................................................................... 14 2.2.3 弛张筛柔性筛面模型与弹性压杆模型对比分析 ....................................... 16 2.3 联合仿真模型的建立 ........................................................................................... 17 2.3.1 离散单元法模拟筛分原理 .......................................................................... 18 2.3.2 筛板的近似柔性化 ..................................................................................... 19 2.3.3 联合仿真流程 ............................................................................................. 21 2.4 本章小结 ............................................................................................................... 23 第 3 章 弛张筛筛分机理研究与设计参数优化 ............................................................... 25 3.1 弛张筛筛面上的物料运动分析 ............................................................................ 25 3.2 弛张筛筛分机理分析 ........................................................................................... 27 3.3 工艺参数分析对筛分效果的影响 ........................................................................ 30 3.3.1 筛分性能指标 ............................................................................................. 30 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 VI 3.3.2 正交实验筛分设计 ..................................................................................... 31 3.3.3 设计参数对筛分效果的影响 ...................................................................... 31 3.4 基于 BP – GA 算法的设计参数优化 .................................................................... 35 3.4.1 BP 神经网络简介与设计 ............................................................................ 35 3.4.2 遗传算法简介与设计 ................................................................................. 37 3.4.3 基于 BP 神经网络的遗传算法优化 ........................................................... 40 3.4.4 优化结果及分析 ......................................................................................... 40 3.4.5 优化后验证 ................................................................................................. 42 3.5 本章小结 ............................................................................................................... 43 第 4 章 基于弛张筛筛分效果的回弹挡板设计优化 ........................................................ 45 4.1 物料跳动分布实验 ............................................................................................... 45 4.1.1 数值模拟物料跳动分布.............................................................................. 45 4.1.2 实验台简介 ................................................................................................. 46 4.1.3 实验平台搭建 ............................................................................................. 49 4.1.4 物料跳动分布实验分析.............................................................................. 50 4.2 回弹挡板的结构设计............................................................................................ 51 4.3 加挡板后物料触筛透筛分析 ................................................................................ 52 4.3.1 触筛分析 ..................................................................................................... 52 4.3.2 透筛分析 ..................................................................................................... 54 4.4 筛分效果分析 ....................................................................................................... 55 4.4.1 生产能力分析 ............................................................................................. 55 4.4.2 筛分效率分析 ............................................................................................. 55 4.4.3 筛分产量分析 ............................................................................................. 56 4.4.4 综合分析 ..................................................................................................... 57 4.5 本章小结 ............................................................................................................... 57 第 5 章 总结与展望 .......................................................................................................... 59 5.1 工作总结 ............................................................................................................... 59 5.2 工作展望 ............................................................................................................... 60 参考文献 ............................................................................................................................. 61 攻读硕士学位期间科研成果及参与的科研项目情况 ........................................................ 65 致 谢 ................................................................................................................................. 67 万方数据 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 选题研究背景及意义 本课题来源于国家自然科学基金面上项目动力煤高 g 值振动筛分机理及双激励源 协同调控理论与方法，51775364。 煤炭，因其稳定、经济、自主保障程度高等特点，目前占据我国主体能源地位不会 改变；然而，这一基础生产资料的不可再生性和高污染性给经济健康可持续发展带来了 极大的挑战。随着我国能源结构步入战略性调整期，实现煤炭清洁高效开发利用迫在眉 睫。选煤是促进原煤清洁高效利用中的重要步骤，原煤入选比重持续加大，我国煤炭工 业“十三五”规划中展望，到 2020 年，我国原煤分选比例达到 80以上，入选量将超 32 亿 t[1]。 动力煤分选技术包括湿法洗选和干法筛分。 湿法洗选适合水资源丰富地区， 洗选后， 潮湿细粒煤由于水分含量增加导致发热量波动较大，难以满足热值需求，煤泥量大污染 环境[2]。干法深度筛分可以解决湿法洗选热值低、经济性差及污染的系列问题。煤炭采 掘过程中的喷水抑尘，露天堆放都会使原煤水分增加，细小末粉煤颗在液桥力的作用下 粘聚成团[3]，聚团破碎条件苛刻，传统的振动筛分装备（直线振动筛，圆迹振动筛，概 率筛等） 由于筛板运动形式单一， 物料抛射强度低， 筛分过程时常发生图 1-1 中的堵孔、 糊面现象，使筛分环境恶化导致透筛概率低，透筛效果差[4] ，严重影响筛分效率和选煤 厂的经济效益。 a 筛面堵孔 b 筛面糊黏 图 1-1 深度干法筛分时筛板失效 Fig.1-1 Screen surface failure in depth screening 弛张筛作为近年发展起来的新型深度干法筛分设备，弹性筛板做周期性复杂运动， 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 2 抛射加速度可达 3050g，筛板变形挤压物料，使物料发生松散分离，避免了堵孔、糊面 现象的发生，筛分工作可以顺利进行[5]。 目前针对弛张筛的研究主要集中在筛机本身的振动特性及筛面非线性运动等方面， 对弛张筛上物料运动及筛分机理的研究较少，弛张筛设计参数优化理论依据不足，无法 充分发挥弛张筛的筛分性能。而现有弛张筛普遍通过增大激振力来改善筛分效果，造成 筛机自身长期承受大的交变应力，使用寿命和设备可靠性降低[6]。为了在合理的激振力 下获得更佳的筛分效果，达到兼顾高效筛分和长使用寿命的目标，需要对筛面上物料的 运动、透筛机理和设计参数对筛分性能的影响进行研究，进而为弛张筛的设计参数优化 提供理论参考，对指导生产实践具有非常重要的现实意义。 弛张筛的弹性筛面使得物料获得大的动能，有利于提高物料松散度，降低筛面堵孔 率，但同时导致部分物料颗粒沿筛面方向单次弹跳距离远，与筛面接触次数少，筛上产 物错配率高。为了保证物料充分透筛，减少错配，提高筛分效率，本文通过增加回弹挡 板促进煤颗粒的二次碰撞，进而改变其运动轨迹，增加与筛面的碰撞次数及在筛板表面 的停留时间，实现弛张筛对细粒煤的充分精确筛分。 1.2 国内外研究现状 弛张筛作为一种新型筛分设备，筛机小的振动强度可使弹性筛板发生大的周期性挠 曲变形，振幅、抛射加速度值远大于刚性筛面的传统筛分机械。筛面上的潮湿小粒物料 被揉搓打散，物料沿着倾斜筛面前进跳动，并发生透筛。相比其他振动筛，弛张筛具有 筛板不易堵塞，筛分效率高，分级精确，动负荷小，生产能力高等优点，其广泛应用在 煤炭筛分、金属矿山、化工等工业部门[7]。下面主要对弛张筛发展、潮湿细粒煤干法筛 分理论和弛张筛结构设计优化三方面进行研究现状概括。 1.2.1 弛张筛发展概况 弛张筛与其他筛分设备的工作原理有本质区别，其与被筛物料直接接触的筛分部件 是具有弹性力学行为的柔性筛板。筛面做弛张运动的前提是其两端具有相对运动，弛张 筛动力来源有两种，一是曲轴连杆式，具体为电机直接驱动曲轴连杆，连杆带动筛面两 端的内外筛箱做相对运动；二是振动惯性式，为双质体有阻尼受迫振动，具体为偏心激 振器产生激振力，剪切弹簧使筛框产生运动相位差，从而实现筛面挠曲运动。 如图 1-2，曲轴连杆式弛张筛的出现时间早于惯性式弛张筛，这种弛张筛的雏形是 上世纪 50 年代， 德国人 A. Wehner 申请专利中的双质体振动给料机和 UMBRA 振动筛， 创新性采用了内、外筛箱的设计，由于筛面质量差、价格昂贵和驱动装置的高损耗性， 没有成规模应用[8]。上世纪 60 到 80 年代，德国的海茵勒曼公司基于 A.Wehner 振动筛 先后设计了 TORWELL 和 LIWELL 型弛张筛[9]。 TORWELL 型弛张筛电动机通过皮带轮 万方数据 绪论 3 减速后，带动偏心轴传动头将运动传递到连接筛面两端的摆动杆件，摆动杆件发生相对 运动后带动筛面工作，但摆动构件只能应用到小型筛分机上；LIWELL 型弛张筛基于 TORWELL 型改进，导向板簧代替摆动杆部分，内外筛框通过连接导向板簧安装在支架 上，电机与具有 180 度相位差的曲轴连杆相连，进而驱动筛框，使内外筛框产生相对往 复运动。前苏联研制了 Γ3ЛΠ 型弛张筛，该型弛张筛是一种双质量振动系统，筛机整体 由悬挂弹簧悬挂，上、下两个筛箱通过悬挂连杆连接而成，电机驱动下筛箱做往复直线 运动，从而实现筛面的弛张运动，其动态稳定性差。上世纪 90 年代，IFE 公司开发了 TRISOMAT 型弛张筛， 其曲柄连杆机构可实现筛框在进料端呈现圆运动， 而在排料端呈 现椭圆运动，有利于物料快速筛选。我国对弛张筛研发晚于国外，鞍山矿山机械厂于上 世纪 80 年代研制出的 CZS 型弛张筛， 同 TORWELL 型弛张筛的结构原理相似[10]。 20 世 纪以来， 中国矿业大学在 CZS 型弛张筛的基础上做结构优化研究， 研制出了集中驱动式 弛张筛[11]、单边驱动式弛张筛[12]、分布驱动式弛张筛[13]。 a TORWELL 型弛张筛示意图 b LIWELL 型弛张筛示意图 c Γ3ЛΠ 型弛张筛示意图 d CZS 弛张筛 e 集中驱动式弛张筛 f 单边驱动式弛张筛 图 1-2 曲轴连杆式弛张筛 Fig.1-2 The flip-flow screens with the driving type of Crank connecting rod 如图 1-3，振动惯性式弛张筛是圆振动筛与直线振动筛的结合体，其工作原理是单 一驱动产生双重驱动，固定筛框在激振器惯性力作用下产生圆轨迹振动，浮动筛框通过 剪切弹簧在固定筛框的带动下做椭圆轨迹振动，筛网安装在交叉分布的内外横梁上，内 外横梁做往复靠近与分离运动，筛网在横梁运动的推拉作用下，做向下松弛、向上张紧 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 4 的蹦床式运动。从而有利于难筛物料的松散、分层和透筛。有代表性得振动惯性式弛张 筛主要有奥瑞工业技术有限公司的 AURY 弛张筛、德国 EUROCAM 公司的香蕉型弛张 筛[14]、 奥地利 Bindera一正方形筛孔边长;d一颗粒直径;b一筛丝直径 则水平筛面上直径为x的颗粒跳动n次不透筛的概率为 2 2 1 n n ax E xp ab （ ）1- （1-2） 此后，F. Mogensen[21]推导出实际筛分斜面下的单颗粒物料透筛概率，模型的具体公 式为 2 cos1 cos addabbd P ab （1-3） 式中为物料下落时的运动方向线与重力方向线之间的夹角;为筛面倾角;为 物料与筛网内侧碰撞后仍能
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