弹球式振打装置对振动筛筛分效果影响

冯 霏，柴二威，李 芳

(1.沈阳化工大学 机械与动力工程学院， 辽宁 沈阳 110142；2.东北大学 机器人科学与工程学院， 辽宁 沈阳 110000)

在以散体为主要介质的煤炭行业中，振动筛作为筛分机械主要用于散体物料的分级、脱水、脱泥、脱介等作业[1]. 目前振动筛在筛分过程中有时出现堵料现象，影响筛分效率，这种现象产生的原因是由于所筛选物料水分、物料间的碰撞、几何形状等的影响。为了能够及时地清理被堵塞的筛孔，一般在筛面下方安装不同形式的清筛装置，其主要形式有击打式、弹球式和架刷式[2]. 弹球式清筛装置由于结构简单，对筛面的损伤小，能够在完全封闭的筛分机中不断清理筛面等特点，目前已经被广泛应用[3].

离散单元法(Discrete element method，DEM)是20世纪70年代发展起来的用于计算散体力学行为的数值方法[4]，在岩土工程、采矿工程、矿物加工、物料分选等散体工程技术领域得到了成功的应用。本文基于离散元法，模拟了物料颗粒在有、无弹球式振打装置两种状态下的运动过程和筛分效果，分析不同振动参数(振幅、振动频率)以及弹球自身特性对筛分效率的影响，得出最佳参数，为研究振动筛清筛方式提供参考。

1 振动筛筛分离散元模型

1.1 筛分原理

振动筛主要由筛体、振动电机、减震弹簧、进料和出料装置等部分组成。振动筛工作原理见图1，图中O点为质心，β是振动方向与筛面的夹角为振动方向角；α是筛体与水平面的夹角为筛面倾角。

图1 振动筛工作原理图

振动筛在工作时，由两台振动电机带动两组偏心块作同步反向的转动，偏心块产生的沿振动方向的离心力的分力相互叠加；在法线方向，离心力的分力相互抵消，由此形成激振力F，筛体在这一简谐力的作用下作往复直线运动[5].

1.2 弹球式振打装置模型

弹力球是清理筛面的主要原件，随着筛体的振动和弹球自身的弹力，弹球与上下筛面以及弹球之间相互碰撞，使弹球在筛框内作上下、左右不规则的跳动，对上筛面产生不定向或不规则的冲击力，以清理筛网上堵塞的物料颗粒[6].

弹球式振打装置的工作原理见图2，在距离上筛面100 mm的高度安装托筛面为下筛面，以承受弹球的运动并且使物料颗粒通过。托筛面上分隔成若干筛框，每个筛框里面放置弹球数个，弹球与上下筛面之间必须留有一定间隙，使弹力球能够顺利滚动和跳动[7]. 上筛面尺寸321 mm×121 mm，筛孔为5 mm×15 mm的长方形孔，下筛面筛孔为15 mm×15 mm的正方形，筛丝d1 mm.

图2 弹球式振打装置模型图

2 颗粒模型的建立

以煤炭颗粒的振动筛分过程为研究对象，材料的特性参数与材料间的碰撞接触参数见表1，表2. 颗粒分为易筛颗粒、难筛颗粒和阻碍颗粒3种[8]. 其中粒径比为0.2～0.7的易筛颗粒占总量的50%，粒径比为0.7～1.0的难筛颗粒占总量的30%，粒径比大于1.0的阻碍颗粒占总量的20%. 经过多次仿真实验研究，物料颗粒完全筛分所用的时间为3 s，因此定义筛分时间为3 s.

表1 材料特性参数表

表2 材料间的碰撞接触参数表

3 振动参数对筛分效果的影响

王珣[9]研究了振幅、振动频率、筛面倾角以及振动方向角对筛分效率的影响结果发现，这4个因素对筛分效率的影响程度不同，其从小到大的影响顺序为：振幅>振动频率>筛面倾角>振动方向角[10]. 经过研究，振动方向角的变化对筛分效率的影响效果不明显，筛面倾角在工业上通常设置为5°～10°，因此选取振动方向角为45°，筛面倾角为5°作为固定参数，研究振幅、振动频率的变化对筛分效率的影响。

3.1 筛分效率的计算

筛分效率是衡量振动筛筛分性能的重要指标之一，当振动筛的筛分效率高时，能够大幅度节省工作时间、减少能耗[11]. 筛分效率的表达式为：

式中：

η—物料的筛分效率，%；

B—筛下颗粒的总质量，kg；

D—颗粒总质量，kg；

K—小于筛孔尺寸的颗粒含量，%.

3.2 振幅对筛分效率的影响

振幅主要影响颗粒在筛面上的运动能量，大的振幅对颗粒的能量输送较大，每次可以使颗粒弹跳得更加剧烈，有利于物料的分层[12]. 在其他参数一定，振动频率为15 Hz时，选取振幅为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm进行模拟实验。分析其结果，拟合出振幅与筛分效率的曲线图，见图3.

图3 振幅与筛分效率的关系图

由图3可知，筛分效率随着振幅的增加呈现先增大后减少的趋势，振幅为3 mm时筛分效率最高。振幅较低时，颗粒在筛网上不容易被抛起，使颗粒不易分层，产生堆积小颗粒无法被筛落下来，因此筛分效率低。振幅在3 mm后，随着振幅的增加，颗粒抛掷的距离变远，快速流向出料端，在筛网上停留时间变短，所以筛分效率会降低。综上所述，振幅为3 mm时为最佳振动参数。利用最小二乘法拟合出振幅与筛分效率的数学关系式：

式中：

y—筛分效率，%；

x—振幅，mm；

a，b，c，d—拟合系数。

其中，决定系数R2=0.97，由此可知拟合的曲线显著。

3.3 振动频率对筛分效率的影响

振动频率对颗粒在筛面上的跳动状态有很大的影响[13]. 经过研究振幅对筛分效果的影响可知，在振幅为3 mm时筛分效率最佳，确定了振幅的参数，其他参数不变，选取振动频率为13 Hz、14 Hz、15 Hz、16 Hz、17 Hz进行实验，利用最小二乘法拟合出振动频率与筛分效率关系的曲线图，见图4.

图4 振动频率与筛分效率的关系图

从图4可以看出，振动频率从13 Hz增加到17 Hz，筛分效率是逐渐降低的。在振动频率为14 Hz之前，筛分效率更高，但是由于其振动频率较低，颗粒在筛网上的活跃程度低，一直在筛面做往复运动，并且筛分完成后，筛面剩余大量颗粒。随着振动频率的增加，颗粒的活跃程度增强，物料能快速分层，处理量变多，但是与筛面接触次数减少，筛分效率降低。经过以上分析，可以得出振动频率为15 Hz时，筛分效果最佳。利用最小二乘法，拟合出二者之间的关系式，如式所示：

式中：

y—筛分效率，%；

x—振动频率，Hz；

a，b，c，d—拟合系数。

其中，R2=0.97与1非常接近，说明其拟合情况良好。

4 弹球对筛分效果的影响

弹球自身的特性如弹球数量、弹球直径、弹球的材质等对筛面的清理有一定的影响，清筛效果的好坏影响着颗粒的筛分效率。硅胶弹力球有良好的弹性、耐磨性等特性，工业上经常用做振打装置，以硅胶弹力球为例，研究其自身特性对筛分效率的影响。

4.1 弹球直径对筛分效率的影响

弹球直径的大小影响着弹球在筛框内活动区域的大小，直径越大弹球越容易碰撞到筛面上，但是在筛框内活动的区域减少。由以上实验可以得出，在振幅为3 mm、振动频率为15 Hz时，筛分效果最佳。在振动参数一定的情况下，放置弹球数量为5，选取弹球d18 mm、d20 mm、d22 mm、d24 mm、d26 mm进行实验，分析其结果，利用最小二乘法拟合出弹球直径与筛分效率的曲线，见图5.

图5 弹球直径与筛分效率的关系图

由图5可以看出，随着弹球直径的增加，筛分效率先增加后减少。弹球d18 mm时，由于弹球直径过小，球体可能接触不到筛面，因此无法进行清筛；在接触到筛面时，也会因为自身动能不足，对筛面的清理效果不理想，所以筛分效率比无弹球时增加缓慢。随着弹球直径的增加，清筛效果明显，筛分效率逐渐增加。当达到26 mm时，由于筛框内空间有限以及上下筛面之间距离的限制，弹球运动受到限制，与筛面接触的面积减少，因此筛分效率会降低。利用最小二乘法拟合出二者的关系式为：

式中：

y—筛分效率，%；

x—弹球直径，mm；

a、b、c、d—拟合系数。

其中，R2=0.95说明拟合的曲线显著。

4.2 弹球数量对筛分效率的影响

弹球的数量也是影响清筛效果的因素之一，其决定了弹球与筛网之间接触面积的多少。在确定了振动筛的振动参数、弹球的直径后，在其他参数一定时，改变弹球的数量。选取弹球数量分别为2、3、4、5、6进行实验，利用最小二乘法拟合出弹球数量与筛分效率的曲线见图6.

图6 弹球数量与筛分效果的关系图

由图6可以看出，随着弹球数量的增加，筛分效率先增加后减少，在增加弹球振打装置后，弹球随着振动筛的振动在筛框内做自由跳动，不断地击打筛面，使堵塞的颗粒掉落下来，弹球数量为2时的筛分效率比无弹球时高了28%. 当弹球增加到一定数量时，由于弹球数量过多，其在筛框内的运动会受到限制，活动面积减少，弹球与筛网之间的击打减少，筛分效率随之降低。弹球数量与筛分效率的拟合关系式为：

式中：

y—筛分效率，%；

x—弹球数量，个；

a，b，c，d—拟合系数。

所拟合R2=0.99和1很接近，说明拟合方程显著。

5 结 论

1) 没有安装振打装置的情况下，由于筛面没有及时得到清理，会出现堵孔现象，从而影响物料颗粒的透筛，筛分效率较低。

2) 安装弹球式振打装置后，在筛分过程中筛面不断地被弹球清理，减少了堵孔现象，筛分效率大幅度提高。

3) 振幅为3 mm、振动频率为15 Hz、弹球d12 mm、弹球数量为5时，振动筛筛分效果最佳。