基于DEM的振动筛筛孔形状对潮湿原煤筛分效果影响的研究.pdf

第 48 卷 2020 年第 4 期 分选 编 辑 安 秀 清 51 基于 DEM 的振动筛筛孔形状对潮湿 原煤筛分效果影响的研究 汪美桃1，刘利民2，沈静静3 1九州职业技术学院机电工程系 江苏徐州 221116 2机械工业第四设计研究院有限公司上海分公司 上海 200080 3安徽新华学院 安徽合肥 230000 摘要随着原煤含水量的增加，引起原煤颗粒间相互粘聚，影响振动筛筛分效率。基于离散元法， 运用 EDEM 软件模拟了潮湿原煤颗粒在圆形筛孔、方形筛孔和矩形筛孔的筛分过程，并且以筛分效 率和阻碍粒排出率为衡量指标，对振动筛筛孔形状影响潮湿煤筛分效果进行了研究。结果表明在 筛孔名义尺寸相同的情况下，潮湿煤在矩形筛孔筛面上的筛分效果最好，方形筛孔次之，圆形筛孔 最差。 关键词离散元法；筛孔形状；筛分效果；潮湿原煤 中图分类号TD454 文献标志码A 文章编号1001-3954202004-0051-03 Study on influence of shape of sieving hole of vibrating screen on sieving effects of moist raw coal based on DEM WANG Meitao1, LIU Limin2, SHEN Jingjing3 1Dept. of Mechanical shape of sieving hole; sieving effects; moist raw coal 筛 分作业是煤炭生产中必不可少的环节，对提 高振动筛的筛分率有着重要的意义[1]。但随着 采煤机械化程度提高，因防尘喷雾、煤层渗水等原 因，造成开采出的原煤含水量偏高，原煤中的潮湿细 颗粒容易相互粘聚成团或粘附于筛面上，严重影响筛 分效率[2]。因此，需要优化振动筛的参数以提高潮湿 煤的筛分效率。而筛孔形状对筛分效率有一定的影 响，需要研究筛孔形状对筛分效率的影响程度，为设 计适用于潮湿原煤的振动筛提供参考。笔者基于离散 元法 Discrete Element ，DEM，运用 EDEM 软件对振动筛筛孔形状影响潮湿煤筛分效果进行了研 究。 基金项目国家科技型中小企业技术创新基金资助项目 17C 26213401987 作者简介汪美桃，女，1978 年生，工学学士，讲师，主要从 事机械设计制造及其自动化方面的教学与科研工作。 万方数据 第 48 卷 2020 年第 4 期 分选 编 辑 安 秀 清 52 1 潮湿煤筛分效率的评价指标 衡量振动筛筛分效率的参数有很多，笔者主要研 究潮湿原煤的筛分效果，因而不仅要考虑原煤透筛的 效率，还要考虑筛面上颗粒堆积情况，即筛面上的阻 碍原煤颗粒能否及时排出。因此，采用动态筛分效率 公式 1 和阻碍粒排出率 公式 2[3-4]作为振动筛的实 际筛分效果的考察指标，其公式为 ηt m n 100， 1 n p q t 100， 2 式中ηt 为 t 时刻的动态筛分效率；m 为 t 时刻筛下 物总质量，kg；n 为 t 时刻物料中所含可筛物料总质 量，kg；nt 为 t 时刻的阻碍粒排出率；p 为 t 时刻排料 物总质量，kg；q 为 t 时刻物料中所含阻碍粒的总质 量，kg。 2 颗粒接触模型 若颗粒间没有黏性力的作用，颗粒接触模型可 以采用 Oda 改进离散元法[5]Modified Distinct Element ，MDEM 的软球干接触模型模拟振动筛面上 颗粒之间的碰撞作用，而对于潮湿原煤颗粒，由于颗 粒碰撞时有黏性力的存在，因此，采用线性粘聚接触 模型对潮湿原煤颗粒进行模拟[6]。 3 模拟前处理 3.1 建立三维实体模型 为简化试验过程，提高模拟试验效率，笔者用 EDEM 模拟试验，通过 CREO 建立振动筛的简化模 型，仅保留振动筛的基本结构，分为筛框、筛面、 落料区、出料区。筛面尺寸设为 350 mm160 mm， 筛面倾角为 5 ，筛孔的形状分别为圆形、方形和矩 形，筛孔的名义尺寸均为 a 10 mm，开孔率为均为 35，然后将模型另存为 IGS 格式导入 EDEM 中，如 图 1 所示。 3.2 设置模型参数和颗粒属性 模拟试验中所采用的筛面材料为钢，根据文献 [3] 查得原煤颗粒和筛面材料特性及接触特性参数如 表 1 所列。 3.3 定义筛面运动学特性 设置筛面沿 z 方向，运动类型为 z 向往复运动， 振幅为 3 mm，频率为 8 Hz。 3.4 定义颗粒工厂 在筛框上方建立颗粒工厂，落料时间从仿真开始 到 4 s 结束，入料颗粒由 10 000 个球颗粒组成，颗粒 组成成分如表 2 所列。 3.5 仿真参数设置 将仿真时间设为 8 s，仿真时间步长为瑞丽时间步 长 Rayleigh Time Step 的 40，网格尺寸为 2 rmin，即 网格尺寸是最小颗粒半径尺寸的 2 倍。 4 仿真结果及分析 为提高模拟试验结果的可靠性，通过多次重复试 验求平均值的方式，对筛下物颗粒及排料物中的阻碍 粒进行动态统计，得到筛分效率、阻碍粒排出率和阻 碍粒运移速度随时间变化的规律，试验结果如图 2 4 所示。 如图 2、3 所示试验的前 1 s 左右，3 种筛孔形 状的筛面筛分效率基本一致，表明筛孔形状对筛分效 率基本没有影响，筛面上阻碍颗粒也基本没有排出； 在 1 4 s，方形筛孔和矩形筛孔的筛分效率比圆形筛 孔的筛分效率大，而阻碍粒排出率基本一致；在 4 s 以后，矩形筛孔的筛分效率略好于方形筛孔，方形筛 图 1 EDEM 仿真模型 Fig. 1 EDEM simulation model 表 1 原煤颗粒、筛面材料特性及接触特性参数 Tab. 1 Parameters of raw coal particle, sieving surface material features and contact features 参数 原煤 筛面 密度/ kg m-3 1 300 7 861 静摩擦 因数 0.6 0.4 滚动摩 擦因数 0.05 0.50 弹性恢复 系数 0.60 0.05 剪切模量/ Pa 0.6108 6.0108 泊松比 0.2 1.0 粒径比 d/a 0.2 0.7 易筛分颗粒 0.7 1.0 难筛分颗粒 1.0 2.0 阻碍粒 表 2 原煤颗粒组成成分 Tab. 2 Constitution of raw coal particles 含量/ 50 30 20 万方数据 第 48 卷 2020 年第 4 期 分选 编 辑 安 秀 清 53 孔的筛分效率比圆形筛孔的筛分效率也略高，同时， 阻碍粒排出率也呈现类似的情况。最终，矩形筛孔、 方形筛孔和圆形筛孔的筛分效率分别为 77、74 和 62；阻碍粒排出率均超过 99，但矩形筛孔的阻碍 粒排出的时间更早。 如图 4 所示，阻碍粒运移速度在 1 s 左右达到稳 定值，表明 3 种情况下筛分均已达到稳定状态。在稳 态筛分阶段，阻碍粒运移速度由大到小依次是矩形筛 孔、方形筛孔和圆形筛孔，表明筛分效率高，阻碍粒 运移速度也相对越大，物料颗粒堆积的也越少。通过 上述试验数据可以得出，在筛孔名义尺寸相同的情况 下，潮湿煤在矩形筛孔筛面上的筛分效果最好，方形 图 2 不同筛孔形状下的筛分效率 Fig. 2 Sieving efficiency at various-shape sieving hole 筛孔次之，圆形筛孔最差。 5 结论 1 基于离散元分析软件 EDEM，根据潮湿原煤 颗粒存在黏性力的特点，采用线性粘聚接触模型对潮 湿煤颗粒在直线振动筛上的筛分过程进行了模拟。 2 以动态筛分效率、阻碍粒排出率和阻碍粒运 移速度作为振动筛实际筛分效果的考察指标，研究了 圆形筛孔、方形筛孔和矩形筛孔的筛分效率。在仿真 结束时，矩形筛孔、方形筛孔和圆形筛孔的筛分效 率分别为 77、74 和 62；阻碍粒排出率均超过 99，但矩形筛孔的阻碍粒排出的时间更早；阻碍粒 运移速度由大到小依次是矩形筛孔、方形筛孔和圆形 筛孔。结果表明，在筛孔名义尺寸相同的情况下，矩 形筛孔的筛分效果要优于方形筛孔和圆形筛孔。 参 考 文 献 [1] 石 焕，程宏志，刘万超．我国选煤技术现状及发展趋势 [J]. 煤炭科学技术，2016，446169-174． [2] 陈惜明，赵跃民，朱 红，等．潮湿细粒物料的筛分粘附模 型研究 [J]．中国矿业大学学报，2002，315407-410． [3] 王成军，章天雨，李 龙，等．潮湿原煤颗粒在三自由度混 联振动筛中筛分效率研究 [J]．工程设计学报，2016，233 264-270． [4] 赵啦啦，刘初升，闫俊霞，等．振动筛面颗粒流三维离散元 法模拟 [J]．中国矿业大学学报，2010，393414-419. [5] CLEARY P W，SAWLAEY M L. DEM modelling of industrial granular flows3D case studies and the effect of particle shape on hopper discharge [J]. Applied Mathematical Modelling，2002， 26289-111. [6] 赵啦啦，赵跃民，刘初升，等．湿颗粒堆力学特性的离散元 法模拟研究 [J]．物理学报，2014，633265-273. □ 收稿日期2019-09-15 修订日期2020-02-24 图 3 不同筛孔形状下的阻碍粒排出率 Fig. 3 Discharge ratio of obstructing particles at various-shape sieving hole 图 4 不同筛孔形状下的阻碍粒运移速度 Fig. 4 Moving velocity of obstructing particles at various-shape sieving hole 万方数据