双层等厚筛性能研究及振动参数优化

2019-12-20李占福胡云霄童昕

福建工程学院学报 2019年6期

李占福,2，胡云霄，童昕

(1.福建工程学院机械与汽车工程学院，福建福州 350118 2.中建海峡建设发展有限公司福建福州 350000)

振动筛通过振子激振所产生的往复旋型振动使得物料松散、分层、触筛和透筛，完成对物料的输送和筛分，形成筛上物和筛下物，从而达到物料分离分级的目的[1-4]，被广泛应用于矿业、化工、建材、食品等行业，其工作性能主要体现在筛分效率上。马学东等[5]针对物料在振动筛上的筛分机理，模拟了不同振动参数对物料运动规律及筛分效率的影响，为研究筛分机理提供了有益的参考。刘义伦等[6]研究了在不同振动参数下对双层直线振动筛的物料运动规律的影响。王娜等[7]研究了振动筛的结构参数和振动参数对筛分效率的影响规律。ALKHALDI H等[8]提出了两种不同的网格建模方法，用于粒子筛选过程的模拟。王桂峰等[9]研究了单参数条件下，筛面长度对物料筛分效率的影响。王晓月等[10]研究了颗粒形状对筛分效率的影响，得到单位时间内不同形状颗粒筛分效率的变化趋势基本一致。

上述研究提供了振动筛振动参数优化的理论依据和方向，然而振动筛筛分过程是复杂的，完整的筛分过程无法模拟。本文基于EDEM模拟了双层等厚筛分过程振动参数对筛分效率的影响，并运用正交试验寻找振动参数组合的优方案。

1 数值模拟

采用SolidWorks软件建立双层等厚筛的三维模型，为简化问题，建立基于DEM软件的振动筛简化模型如图1所示。A区域得到第一层筛上物，B区域得到第二层筛上物，C区域得到筛下物。为更好地模拟现实工况，设置5种不同的粒径，选取粒径分布设置为：5.0、4.0、2.8、2.0、1.6 mm。采取质量输入分别为：0.043、0.050、0.050、0.105、0.105 g，总颗粒数目约为20 000颗，下落速度0.5 m/s。将A、B、C区域所有不同粒径分布的质量统计用于数据分析。颗粒模型物理属性[11]如表1和表2所示。

图1 EDEM振动筛简化仿真模型Fig.1 Simplified simulation model of EDEM vibration screen

表2 颗粒模型碰撞特性

2 仿真结果

本研究的振动筛为双层筛，其中第一层筛网筛孔为4.57 mm，第二层筛网筛孔为2.36 mm，筛网如图1所示。模拟中存在不同的粒径分布的颗粒，同时以颗粒在筛下物的物料为主要产物，其筛分效果直接影响其筛分性能。故筛分效率[12]可以表示为：

筛分效率=

(1)

为研究不同振动幅度、振动频率、筛面倾角分别对筛分效率的影响，设置单因素仿真试验，探索振动参数与筛分效率的规律关系。仿真试验参数组合如表3所示。

表3 仿真试验参数组合

2.1 振动频率

振动频率大小在一定范围内影响着物料在筛面上的分散、分层和透筛，适当的振动频率对筛分效率的提高有着重要作用。因此，为研究振动频率与筛分效率的变化规律，选取振动频率为12、14、16、18、20、22、24 Hz，根据筛分效率计算公式得出结果如表4所示。多项式函数如式(2)所示。

F=ax6+bx5+cx4+dx3+ex2+fx1+g

由表4通过多项式曲线拟合的相关系数、方差和各项系数如表5所示。由表5可知，最终的拟合函数为式(3)所示，其中方差SSE=3.597×10-28、相关系数R-square=1，说明拟合结果很好。

F=-0.606 5x6-2.405x5-1.59x4+

5.587x3+4.833x2-3.63x1+14.94

(3)

当振动频率在[12,24] Hz时，筛分效率随着振动频率的增大先后出现两个极大值，观察筛分效率的增长趋势可知当振动频率为22 Hz时的筛分效率应当舍去，即振动频率为14 Hz时筛分效率达到最大值，其值为18.090 37%。在大于14 Hz且随着振动频率增大，1.6 mm颗粒透筛效果明显降低，造成堵孔严重。

表5 振动频率-筛分效率-曲线拟合结果表

2.2 筛面倾角

随着筛面倾角减小，筛上物料的抛掷强度就减小，物料的运动速度也减小，但物料在筛面停留时间增长，就会增大颗粒的透筛概率，从而使筛分效率增大；反之就会使处理量减小，从而降低筛分效率[13]。筛面倾角值取15°、17°、19°、21°、23°，研究筛面倾角与筛分效率的变化规律，根据公式(1)得出结果如表6所示。多项式函数为4项函数其表达式如式(4)所示。

F=cx4+dx3+ex2+fx1+g

通过对表6数据进行多项式曲线拟合得出如表7所示的相关系数、方差和各项系数。由表7可知，最终拟合的F关于x的函数如式(5)所示，其中方差SSE=1.795×10-24、相关系数R-square=1，说明拟合结果很好。

F=-0.060 37x4+1.996x3-

23.7x2+117.8x1-185

(5)

表7 筛面倾角-筛分效率-曲线拟合结果表

当筛面倾角在15°～23°之间时，筛面倾角为15°时筛分效率达到最大值，其值为13.679 72%。随着筛面倾角增大，筛分效率总体上呈下降趋势，在23°左右筛分效率有波动，其具体原因还需进一步验证。

2.3 振动幅度

振动幅度的大小决定物料的运动状态，振动幅度越大，对颗粒输送的能量就越大，越有利于物料的松散分层，本文中振动幅度取4、6、8、10、12 mm，研究振动幅度与透筛率的变化规律，由筛分效率公式(1)得出结果如表8所示。多项式函数其表达形式与函数(4)相同。

表8 不同振动幅度下的筛分效率

通过对表8数据进行多项式曲线拟合得出如表9所示的相关系数、方差和各项系数。由表9可知，最终拟合得到筛分效率F关于振动参数x的函数为式(6)所示，其中方差SSE=7.352×10-23、相关系数R-square=1，结果表明，该函数具有良好的曲线拟合特性，计算结果与实测值基本吻合。

F=0.022 29x4-1.704x3+

48.56x2-611.3x1+2 881

(6)

表9 振动幅度-筛分效率-曲线拟合结果表

当振动幅度在[4,12] mm之间时，振动幅度随着强度增加，筛分效率总体上先上升再逐渐降低。在振动幅度为6 mm时达到最大值21.382 58%，在[10,12] mm时，筛分效率出现小的波动与总体趋势相比可忽略。

3 正交实验对筛分效率的分析

3.1 正交试验表设计

为了更好的模拟实际工况且进一步优化不同振动参数下的筛分效率，获取不同振动参数的最优组合，建立正交试验[14]，试验因素为振动幅度(A)、振动频率(B)、筛面倾角(C)，正交试验表头设计如表10所示。根据上述单因素仿真试验的结果，在最优值附近选取正交试验因素的水平，试验水平设为2个，正交试验因素水平表如表11所示，选用L4(23)正交表，如表12所示。

表10 正交试验表头设计

表11 正交试验因素水平表

表12 L4(23)正交表

3.2 试验结果与分析

将表12所列参数组合分别带入到所建立的DEM模型中仿真，得到正交试验设计结果如表13所示，从表14中可以得到，各因素的极差大小，从而可以得到振动参数对筛分效率影响程度的大小排序，即因素主次为振动频率(B)>振动幅度(A)>筛面倾角(C)。从表中均值可以看出，最优参数组合为A2B1C2，即振动幅度7 mm、振动频率14 Hz、筛面倾角17°。