彈球式振打裝置對振動篩篩分效果影響

馮 霏，柴二威，李 芳

(1.沈陽化工大學 機械與動力工程學院， 遼寧 沈陽 110142；2.東北大學 機器人科學與工程學院， 遼寧 沈陽 110000)

在以散體為主要介質的煤炭行業(yè)中，振動篩作為篩分機械主要用于散體物料的分級、脫水、脫泥、脫介等作業(yè)[1]. 目前振動篩在篩分過程中有時出現(xiàn)堵料現(xiàn)象，影響篩分效率，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于所篩選物料水分、物料間的碰撞、幾何形狀等的影響。為了能夠及時地清理被堵塞的篩孔，一般在篩面下方安裝不同形式的清篩裝置，其主要形式有擊打式、彈球式和架刷式[2]. 彈球式清篩裝置由于結構簡單，對篩面的損傷小，能夠在完全封閉的篩分機中不斷清理篩面等特點，目前已經(jīng)被廣泛應用[3].

離散單元法(Discrete element method，DEM)是20世紀70年代發(fā)展起來的用于計算散體力學行為的數(shù)值方法[4]，在巖土工程、采礦工程、礦物加工、物料分選等散體工程技術領域得到了成功的應用。本文基于離散元法，模擬了物料顆粒在有、無彈球式振打裝置兩種狀態(tài)下的運動過程和篩分效果，分析不同振動參數(shù)(振幅、振動頻率)以及彈球自身特性對篩分效率的影響，得出最佳參數(shù)，為研究振動篩清篩方式提供參考。

1 振動篩篩分離散元模型

1.1 篩分原理

振動篩主要由篩體、振動電機、減震彈簧、進料和出料裝置等部分組成。振動篩工作原理見圖1，圖中O點為質心，β是振動方向與篩面的夾角為振動方向角；α是篩體與水平面的夾角為篩面傾角。

圖1 振動篩工作原理圖

振動篩在工作時，由兩臺振動電機帶動兩組偏心塊作同步反向的轉動，偏心塊產(chǎn)生的沿振動方向的離心力的分力相互疊加；在法線方向，離心力的分力相互抵消，由此形成激振力F，篩體在這一簡諧力的作用下作往復直線運動[5].

1.2 彈球式振打裝置模型

彈力球是清理篩面的主要原件，隨著篩體的振動和彈球自身的彈力，彈球與上下篩面以及彈球之間相互碰撞，使彈球在篩框內作上下、左右不規(guī)則的跳動，對上篩面產(chǎn)生不定向或不規(guī)則的沖擊力，以清理篩網(wǎng)上堵塞的物料顆粒[6].

彈球式振打裝置的工作原理見圖2，在距離上篩面100 mm的高度安裝托篩面為下篩面，以承受彈球的運動并且使物料顆粒通過。托篩面上分隔成若干篩框，每個篩框里面放置彈球數(shù)個，彈球與上下篩面之間必須留有一定間隙，使彈力球能夠順利滾動和跳動[7]. 上篩面尺寸321 mm×121 mm，篩孔為5 mm×15 mm的長方形孔，下篩面篩孔為15 mm×15 mm的正方形，篩絲d1 mm.

圖2 彈球式振打裝置模型圖

2 顆粒模型的建立

以煤炭顆粒的振動篩分過程為研究對象，材料的特性參數(shù)與材料間的碰撞接觸參數(shù)見表1，表2. 顆粒分為易篩顆粒、難篩顆粒和阻礙顆粒3種[8]. 其中粒徑比為0.2～0.7的易篩顆粒占總量的50%，粒徑比為0.7～1.0的難篩顆粒占總量的30%，粒徑比大于1.0的阻礙顆粒占總量的20%. 經(jīng)過多次仿真實驗研究，物料顆粒完全篩分所用的時間為3 s，因此定義篩分時間為3 s.

表1 材料特性參數(shù)表

表2 材料間的碰撞接觸參數(shù)表

3 振動參數(shù)對篩分效果的影響

王珣[9]研究了振幅、振動頻率、篩面傾角以及振動方向角對篩分效率的影響結果發(fā)現(xiàn)，這4個因素對篩分效率的影響程度不同，其從小到大的影響順序為：振幅>振動頻率>篩面傾角>振動方向角[10]. 經(jīng)過研究，振動方向角的變化對篩分效率的影響效果不明顯，篩面傾角在工業(yè)上通常設置為5°～10°，因此選取振動方向角為45°，篩面傾角為5°作為固定參數(shù)，研究振幅、振動頻率的變化對篩分效率的影響。

3.1 篩分效率的計算

篩分效率是衡量振動篩篩分性能的重要指標之一，當振動篩的篩分效率高時，能夠大幅度節(jié)省工作時間、減少能耗[11]. 篩分效率的表達式為：

式中：

η—物料的篩分效率，%；

B—篩下顆粒的總質量，kg；

D—顆?？傎|量，kg；

K—小于篩孔尺寸的顆粒含量，%.

3.2 振幅對篩分效率的影響

振幅主要影響顆粒在篩面上的運動能量，大的振幅對顆粒的能量輸送較大，每次可以使顆粒彈跳得更加劇烈，有利于物料的分層[12]. 在其他參數(shù)一定，振動頻率為15 Hz時，選取振幅為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm進行模擬實驗。分析其結果，擬合出振幅與篩分效率的曲線圖，見圖3.

圖3 振幅與篩分效率的關系圖

由圖3可知，篩分效率隨著振幅的增加呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，振幅為3 mm時篩分效率最高。振幅較低時，顆粒在篩網(wǎng)上不容易被拋起，使顆粒不易分層，產(chǎn)生堆積小顆粒無法被篩落下來，因此篩分效率低。振幅在3 mm后，隨著振幅的增加，顆粒拋擲的距離變遠，快速流向出料端，在篩網(wǎng)上停留時間變短，所以篩分效率會降低。綜上所述，振幅為3 mm時為最佳振動參數(shù)。利用最小二乘法擬合出振幅與篩分效率的數(shù)學關系式：

式中：

y—篩分效率，%；

x—振幅，mm；

a，b，c，d—擬合系數(shù)。

其中，決定系數(shù)R2=0.97，由此可知擬合的曲線顯著。

3.3 振動頻率對篩分效率的影響

振動頻率對顆粒在篩面上的跳動狀態(tài)有很大的影響[13]. 經(jīng)過研究振幅對篩分效果的影響可知，在振幅為3 mm時篩分效率最佳，確定了振幅的參數(shù)，其他參數(shù)不變，選取振動頻率為13 Hz、14 Hz、15 Hz、16 Hz、17 Hz進行實驗，利用最小二乘法擬合出振動頻率與篩分效率關系的曲線圖，見圖4.

圖4 振動頻率與篩分效率的關系圖

從圖4可以看出，振動頻率從13 Hz增加到17 Hz，篩分效率是逐漸降低的。在振動頻率為14 Hz之前，篩分效率更高，但是由于其振動頻率較低，顆粒在篩網(wǎng)上的活躍程度低，一直在篩面做往復運動，并且篩分完成后，篩面剩余大量顆粒。隨著振動頻率的增加，顆粒的活躍程度增強，物料能快速分層，處理量變多，但是與篩面接觸次數(shù)減少，篩分效率降低。經(jīng)過以上分析，可以得出振動頻率為15 Hz時，篩分效果最佳。利用最小二乘法，擬合出二者之間的關系式，如式所示：

式中：

y—篩分效率，%；

x—振動頻率，Hz；

a，b，c，d—擬合系數(shù)。

其中，R2=0.97與1非常接近，說明其擬合情況良好。

4 彈球對篩分效果的影響

彈球自身的特性如彈球數(shù)量、彈球直徑、彈球的材質等對篩面的清理有一定的影響，清篩效果的好壞影響著顆粒的篩分效率。硅膠彈力球有良好的彈性、耐磨性等特性，工業(yè)上經(jīng)常用做振打裝置，以硅膠彈力球為例，研究其自身特性對篩分效率的影響。

4.1 彈球直徑對篩分效率的影響

彈球直徑的大小影響著彈球在篩框內活動區(qū)域的大小，直徑越大彈球越容易碰撞到篩面上，但是在篩框內活動的區(qū)域減少。由以上實驗可以得出，在振幅為3 mm、振動頻率為15 Hz時，篩分效果最佳。在振動參數(shù)一定的情況下，放置彈球數(shù)量為5，選取彈球d18 mm、d20 mm、d22 mm、d24 mm、d26 mm進行實驗，分析其結果，利用最小二乘法擬合出彈球直徑與篩分效率的曲線，見圖5.

圖5 彈球直徑與篩分效率的關系圖

由圖5可以看出，隨著彈球直徑的增加，篩分效率先增加后減少。彈球d18 mm時，由于彈球直徑過小，球體可能接觸不到篩面，因此無法進行清篩；在接觸到篩面時，也會因為自身動能不足，對篩面的清理效果不理想，所以篩分效率比無彈球時增加緩慢。隨著彈球直徑的增加，清篩效果明顯，篩分效率逐漸增加。當達到26 mm時，由于篩框內空間有限以及上下篩面之間距離的限制，彈球運動受到限制，與篩面接觸的面積減少，因此篩分效率會降低。利用最小二乘法擬合出二者的關系式為：

式中：

y—篩分效率，%；

x—彈球直徑，mm；

a、b、c、d—擬合系數(shù)。

其中，R2=0.95說明擬合的曲線顯著。

4.2 彈球數(shù)量對篩分效率的影響

彈球的數(shù)量也是影響清篩效果的因素之一，其決定了彈球與篩網(wǎng)之間接觸面積的多少。在確定了振動篩的振動參數(shù)、彈球的直徑后，在其他參數(shù)一定時，改變彈球的數(shù)量。選取彈球數(shù)量分別為2、3、4、5、6進行實驗，利用最小二乘法擬合出彈球數(shù)量與篩分效率的曲線見圖6.

圖6 彈球數(shù)量與篩分效果的關系圖

由圖6可以看出，隨著彈球數(shù)量的增加，篩分效率先增加后減少，在增加彈球振打裝置后，彈球隨著振動篩的振動在篩框內做自由跳動，不斷地擊打篩面，使堵塞的顆粒掉落下來，彈球數(shù)量為2時的篩分效率比無彈球時高了28%. 當彈球增加到一定數(shù)量時，由于彈球數(shù)量過多，其在篩框內的運動會受到限制，活動面積減少，彈球與篩網(wǎng)之間的擊打減少，篩分效率隨之降低。彈球數(shù)量與篩分效率的擬合關系式為：

式中：

y—篩分效率，%；

x—彈球數(shù)量，個；

a，b，c，d—擬合系數(shù)。

所擬合R2=0.99和1很接近，說明擬合方程顯著。

5 結 論

1) 沒有安裝振打裝置的情況下，由于篩面沒有及時得到清理，會出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象，從而影響物料顆粒的透篩，篩分效率較低。

2) 安裝彈球式振打裝置后，在篩分過程中篩面不斷地被彈球清理，減少了堵孔現(xiàn)象，篩分效率大幅度提高。

3) 振幅為3 mm、振動頻率為15 Hz、彈球d12 mm、彈球數(shù)量為5時，振動篩篩分效果最佳。