振动风选机工作参数的离散元耦合仿真

虢建，周自强，戴国洪，3

（1.苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215021；2.常熟理工学院机械工程学院，江苏 常熟 215500；3.苏州市汽车绿色拆解回收利用智能装备技术重点实验室，江苏 常熟 215500）

振动风选机工作参数的离散元耦合仿真

虢建1，周自强2，戴国洪2，3

（1.苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215021；2.常熟理工学院机械工程学院，江苏 常熟 215500；3.苏州市汽车绿色拆解回收利用智能装备技术重点实验室，江苏 常熟 215500）

为了有效分离生活垃圾破碎物料中的重质成分，提出一种结合振动与风力分选相结合的分选设备.为了对该振动风选机进行工程设计，需要对激振元件和隔振元件进行优化选型.本文通过离散元和计算流体力学方法对振动风选的过程进行耦合仿真，从而得出了振动风选机的合理工作参数.

离散元；计算流体力学；垃圾分选

随着中国经济的快速发展，城市生活水平的不断提高，城市生活垃圾的产生量也在不断的增加，垃圾包围城市已经在一定程度上在阻碍着城市的进一步发展.对于城市生活垃圾，从可利用热值角度来看，大部分的城市生活垃圾热值高于3344 kJ/kg的焚烧最低热值限，采用焚烧发电法处理城市生活垃圾在中国大有潜力［1］.但是，城市生活垃圾中含有大量的不可燃物，降低了城市生活垃圾的热值，使得垃圾在焚烧后剩下大量的残余物，清理困难.城市生活垃圾在经过粉碎、干燥、脫磁等预处理后，再经过振动风选机分选，去除其中的不可燃物，如石头、陶瓷、玻璃等密度较高的重物料，能极大提高城市生活垃圾焚烧的热值.通用的风力分选设备中，大量物料直接由入料口进入风选区，物料会出现团聚现象，风力有时不能完全吹散，造成部分轻物料由于团聚在一起直接进入到重物料出口，使得分选率不高，且需要的风速较大，风压较高.相较于传统风力分选机，振动风选机工作时，物料在振动面板上能均匀分散，进入风选区后，物料不会出现团聚现象，分选率会有较大的提高，且需要的风速较低，极大地节省了能耗.

1 振动风选机的工作原理

图1 振动风选机工作原理示意图

振动风选机的箱体由入料口、振动面板、风箱、重物料出口、轻物料出口、振动电机以及电机支座等组成.图1为振动风选机工作原理示意图.振动箱体与水平面成5°倾角，由振动电机提供激振力.经过预处理后的城市生活垃圾进入振动风选机箱体后，由于箱体的振动，能快速地在振动面板上均匀分散向前运动.物料在脱离振动面板一后进入风选区，在风力和重力的作用下，轻物料和重物料能够快速分层，轻物料在上，越过重物料出口，落在振动面板二上，随后由轻物料出口排出；重物料在下，直接进入重物料出口.

2 基于离散元仿真的工作参数分析

为了有效分离生活垃圾破碎物料中的重质成分，需要对振动风选机的激振元件和隔振元件进行优化选型.利用EDEM-Fluent耦合模拟仿真振动风选机的工作情况，能够很好地得出振动风选机的合理工作参数，从而为振动风选机的工程设计提供理论依据.

图2 弹性-阻尼-滑动-摩擦接触力学模型

将振动风选机风箱模型简化，导入ICEM软件中进行计算网格划分，其中振动面板一长2390 mm，宽1200 mm；振动面板二长1800 mm，宽1200 mm，面板一与面板二水平相距500 mm，高度差300 mm，入风口长1200 mm，宽300 mm.

在应用EDEM离散元仿真时，选择Hertz-Mindlin with JKR Cohesion凝聚力接触模型，也称“弹性-阻尼-滑动-摩擦接触力学模型”，如图2所示，该模型定义黏连作用仅仅存在于接触面上，被广泛应用于非金属破碎物料的分离筛分、输送等领域［2-3］.

将格模型导入到Fluent后，选择标准的K-e模型及湍流模型，设置风力方向与入风口成75°向上倾斜角，重力沿Z轴负方向，大小9.81 m/s.振动面板选择45号钢，重物料为玻璃，轻物料为食品包装袋塑料（高压低密度聚乙烯），材料与颗粒的相关属性以及材料与颗粒、颗粒与颗粒之间的相互作用系数见表1、表2［4］.

表1 材料属性

表2 材料的相互作用

选择振动面板的振幅、频率，风力场的风速作为虚拟仿真实验的变量因素，根据仿真结果，分析物料的分选率以及分选效率，以此来确定最优的振幅、频率、风速.在确定参数范围前，进行Simulink数值仿真及ADAMS动力学仿真，用来初步确定EDEM-Fluent耦合模拟仿真参数的范围.EDEM-Fluent耦合模拟仿真实验因素水平见表3.

表3 耦合模拟仿真实验因素水平表

根据Fluent后期处理中的速度云图，对比不同参数可知，当振动风选机振幅6 mm，频率12.5 Hz，风速30 m/s时，振动风选机风力场表现良好，物料在振动面板上面受到的风力影响较小，不会因为受风力影响而漂浮在振动面板上空.只有物料进入风选区后，由于物料密度、受风面积不同，受到的风力不同而进入不同的物料出口.

根据耦合模拟后的EDEM仿真动画可知，当振幅6 mm，频率12.5 Hz，风速30 m/s时，物料落在振动面板上，在振动面板一上均匀分散，没有产生团聚现象.当物料进入风选区后，轻物料和重物料出现明显的分层现象，由于受到重力和风力，轻物料在上，随后进入振动面板二，由轻物料出口排出，重物料在下，进入重物料出口，实现了重物料和轻物料的分选.

3 仿真结果分析

经实验因素水平表分析可知，共有18组仿真实验，仿真实验结束后，根据物料的分选率及分选效率来选取最佳的振幅、频率、风速等参数.经过仿真实验后的数据统计，得到在不同参数时，塑料和玻璃的分离率及平均分离时间，不同参数下的分离率及平均分离时间如表4所示.

表4 塑料和玻璃颗粒的分离率及分离时间

表4显示，频率为7.5 Hz较12.5 Hz的平均分离时间长，分选效率较差，由于振幅和频率不同，物料在振动面板上的前进速度不同，当频率低时，物料跳动频率较慢，平均前进速度较慢；当频率较快时，物料在振动面板上的起跳初速度较快，在物料脱离振动面板时，容易直接越过风力分选区，直接跳到轻物料出口，进而导致分选率降低.从分选效率分析，12.5 Hz较7.5 Hz分选效率高.

由表4及物料分离率折线图图3、图4、图5分析可知，当风速为25 m/s时，由于风速较慢，在大量物料通过风选区时，出现塑料颗粒掉落进入重物料出口的现象，造成重物料的分离率降低；当风速为35 m/s时，由于风速较快，出现玻璃颗粒越过重物料出口，进入轻物料出口的现象，造成轻物料的分离率降低；而风速为30 m/s时，塑料和玻璃颗粒的分离率都较为理想，平均分离率都在97%以上.从分离率分析，振幅为5 mm和6 mm时，物料的分离率较为接近，塑料的分离率都在99%附近，玻璃的分离率都在99.5%附近，优于振幅为7 mm时的物料分离率.从分离效率分析，当振幅为5 mm时，平均分离时间为8.49 s，较振幅为6 mm时的8.2 s平均分离时间长.所以，根据不同参数的仿真结果，综合分析物料的分离率及分离效率，得到振动风选机振幅为6 mm、频率为12.5 Hz、风速为30 m/s时最佳.

图3 振幅5 mm物料分离率折线图

图4 振幅6 mm物料分离率折线图

图5 振幅7 mm物料分离率折线图

4 结论

经过对离散元EDEM-Fluent耦合模拟仿真结果分析发现，当振幅为6 mm、频率为12.5 Hz、风速为30 m/s时，仿真结果最为理想，塑料的分离率达到98.56%，玻璃的分离率100%，平均分离时间8.2 s.

［1］李晓东，陆胜勇，徐旭，等.中国部分城市生活垃圾热值的分析［J］.中国环境科学，2001（2）：61-65．

［2］徐泳，孙其诚，张凌，等.颗粒离散元法研究进展［J］.力学进展，2003，33（2）：251-260.

［3］孙其诚，王光谦.颗粒物质力学导论［M］.北京：科学出版社，2009：25-30.

［4］史俊杰，周自强，戴国洪.振动式密度分离筛筛分机理的数值仿真［J］.常熟理工学院学报，2015（2）：24-28.

A Study on Discrete Element Simulation of Vibration Separator Machine of Winnowing

GUO Jian1,ZHOU Ziqiang2,DAI Guohong2,3
(1.School of Mechanical Engineering,Soochow University,Suzhou 215021; 2.School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500; 3.Suzhou Key Laboratory of Intelligent Equipment for ELV Recycling Technology,Changshu 215500,China)

In order to effectively separate the heavy components from the crushed material of domestic waste,a sorting equipment combining vibration and wind separation is presented.In order to carry out the engineering design for this vibration wind picking machine,it is necessary to make the optimized selection of the vibration element and the vibration isolation component.In this paper,the coupled vibration simulation is conducted by means of the discrete element method and computational fluid mechanics method,and the reasonable working parameters of vibration wind picking machine are obtained.

discrete element;computational fluid mechanics;waste separation

TH237+.6

A

1008-2794（2017）02-0026-04

2016-10-11

周自强，副教授，博士后，研究方向：计算机集成制造系统及绿色制造，E-mail：zzq_hefei@163.com.