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，刘利民，沈静静

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

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 Method，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。

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

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 Method，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 mm×160 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

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

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。

表2 原煤颗粒组成成分Tab.2 Constitution of raw coal particles

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 2rmin，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。

图2 不同筛孔形状下的筛分效率Fig.2 Sieving efficiency at various-shape sieving hole

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

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。