弛张筛筛面形貌对潮湿细粒煤筛分效果的影响研究.pdf

学校代码10112 密 级 （（学学 术术 学学 位）位） 题 目 英文并列题目 作者姓名 曹 荣 学 号 2017510048 专业领域机械工程 研究方向 机械系统动力学 指导教师 熊晓燕 教 授 合作导师 论文提交日期2020 年 5 月 Morphology Influence of the Flip-Flow Screen Surface on Wet Fine Coal Materials 万方数据 万方数据 万方数据 硕士学术学位、硕士非工程类专业学位 学位论文答辩信息表 论文题目 弛张筛筛面形貌对潮湿细粒煤筛分效果的影响研究 课题来源* 国家自然科学基金面上项目 论文答辩日期 2020 年 6 月 6 日 答辩秘书 钮晨光 学位论文答辩委员会成员 姓名 职称 博导/硕导 工作单位 答辩委员 会主席 闫红红 教授 硕导 太原科技大学 答辩委员 1 武兵 副教授 硕导 太原理工大学 答辩委员 2 韩晓红 副教授 硕导 太原理工大学 *课题来源可填国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、国家 社科基金项目、教育部人文社科项目、国家其他部委项目、省科技厅项 目、省教育厅项目、企事业单位委托项目、其他 万方数据 摘 要 I 摘 要 在动力煤深度筛分设备中，具有弹性筛面的弛张筛可为物料提供 30- 50g 的抛射加速度，有利于细粒煤充分透筛，因此广泛用于煤炭的深度分级 作业。 然而在实际筛分过程中， 由于开采出的原煤具有一定的外在水分，导 致细粒煤粘结成团， 若湿煤聚团未被及时解聚， 容易形成错配物，恶化筛分 过程。 为了加大弛张筛筛面对湿煤聚团的碰撞解聚程度， 提高筛分效率，本 文利用离散元数值模拟及试验研究分析了弛张筛筛面形貌对潮湿细粒煤筛 分效果的影响，得出采用合理的筛面形貌可以增大湿煤聚团的破碎打散程 度， 有利于加大物料运动的复杂性和多样性，从而提高筛分效率的结论，具 体研究内容如下 （1） 基于离散元理论， 对 EDEM 应用编程接口中的颗粒体积力和颗粒 工厂插件进行编译， 建立由多种粒度颗粒组成的湿煤聚团模型， 为弛张筛筛 分模拟提供更合理的聚团模型。 （2）对弛张筛筛面形貌提出参数化建模思想，将其参数化为形状参数 和间隔参数。 采用有限元显示动力学算法， 对单个煤颗粒在不同形状参数筛 面上的碰撞应力进行计算， 得出有利于聚团破碎的最优形状参数。 在最优形 状参数下， 通过 EDEM-RecurDyn 联合仿真模拟了湿煤聚团在不同间隔参数 筛面上的筛分过程， 并基于灰色决策理论对仿真结果进行分析， 得出单因素 条件下的最优间隔参数，进而得出形貌筛面的最优参数。 （3）基于上述研究，模拟了物料群在最优形貌和无形貌筛面上的筛分 过程，通过对筛面上物料的筛分状态、筛分效率、粘结残量、颗粒平均速度 以及颗粒运动轨迹进行分析，结果表明最优形貌筛面有助于提高弛张筛的 筛分效率， 加大湿煤聚团的解聚程度， 增加物料运动的复杂性，进而证明通 过采用合理的筛面形貌来提高弛张筛筛分效率是可行的。 （4）设计并搭建弛张筛原理试验台，对最优形貌和无形貌筛面上潮湿 细粒煤物料群和湿煤聚团的筛分进行试验，并对筛分结果进行统计分析与 对比， 试验结果表明， 与无形貌筛面相比， 最优形貌筛面可提高物料群的筛 分效果，增大湿煤聚团的破碎解聚程度， 降低筛上产物中错配物含量，进一 步验证了所选最优筛面形貌模型的可行性和可靠性。 本文的研究工作和结论可为弛张筛的优化设计提供一定的理论参考依 据。 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 II 关键词关键词弛张筛；离散元；筛面形貌；湿煤聚团；筛分效率；参数化设计； 联合仿真 万方数据 ABSTRACT III ABSTRACT In the deep screening equipment of moist fine coal, the flip-flow screen with elastic screen plate can provide 30-50g ejection acceleration for screening particles, which is good for the screening penetration of the fine coal. Therefore it is widely used in the deep classification of coal. However, in the practical screening process, the fine coal easily adheres to the agglomerate due to the external moisture of the raw coal. If the wet coal agglomeration is not depolymerized in time, it is easy to mismatches and deteriorate the screening process. In order to improve the screening effect of the flip-flow screen on wet fine coal, this dissertation uses discrete element numerical simulation and experimental research to analyze the influence of the flip-flow screen surface morphology on the screening effect of wet fine coal. It is concluded that the use of a reasonable screen surface morphology can increase the degree of crushing and dispersing of wet coal agglomerates, and can also increase the complexity and diversity of material movements, thereby improving the screening efficiency. The main research contents are as follows 1 Based on the discrete element theory, the particle body force and the particle factory plug-ins in the EDEM application programming interface were compiled, and a wet coal agglomeration model composed of particles with various particle sizes was established to provide a more reasonable aggregation model for the screening simulation of the flip-flow screen. 2 The morphological parametric modeling idea was put forward, and the morphology of the flip-flow screen surface was parameterized into shape parameters and spacing parameter. And the stress of the impact collision of a single coal particle on the screen surfaces with different shape parameters is analyzed based on the finite element display dynamics. Then the dynamic screening processes of wet coal agglomerates on the screens with different spacing parameters under the optimal shape parameters are simulated by the EDEM-RecurDyn co-simulation. Based on the gray decision theory, the simulation results were analyzed and the optimal spacing parameter under single factor conditions was obtained. Finally, the optimal parameters of the morphological sieve surface were obtained. 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 IV 3 Based on the above studies, the screening process of wet fine coal material group on the optimal morphological screen surface and the non- morphological screen surface was simulated. And by analyzing screening state, screening efficiency, crushing degree, the average velocity of the particles and the trajectory of the particle. The results show that the optimal morphological screen surface can improve screening efficiency of the flip-flow screen, increase the degree of deagglomeration of wet coal agglomerates and the complexity of the material movement. 4 Finally, a test bench for the principle of the flip-flow screen was designed and constructed, and the screening of wet fine coal material group and wet coal agglomerates on the optimal morphology and non-morphology screen surface was tested. Through the statistics and analysis of the screening results, it is obtained that compared with the non-morphological screen surface, the optimal morphological screen has a better screening effect on wet fine coal, and increases the degree of crushing of wet coal agglomerates, and reduces the content of mismatches in the products on the screen. Therefore, the experimental results further verify the feasibility and reliability of the screen surface morphology model. The research work and conclusions in this dissertation can provide some theoretical and reference basis for the optimal design of the flip-flow screen. Key Words Flip-Flow Screen; Discrete Element ; Screen Surface Morphology; Wet Coal Agglomeration; Screening Efficiency; Parametric Design; Co-simulation 万方数据 目 录 V 目 录 摘 要 ......................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................. III 第 1 章 绪论 ........................................................................................................................... 1 课题研究背景及意义 ............................................................................................... 1 国内外研究现状 ....................................................................................................... 2 弛张筛的发展 ............................................................................................... 2 弛张筛的研究现状 ....................................................................................... 5 基于离散元的物料筛分及破碎的研究 ....................................................... 7 课题主要研究内容 ................................................................................................... 8 第 2 章 基于离散元理论的湿煤聚团模型的构建 ............................................................. 11 离散元素法介绍 ..................................................................................................... 11 离散元基本理论 ......................................................................................... 11 离散元的求解过程 ..................................................................................... 12 EDEM 数值计算理论 ............................................................................................. 13 EDEM 功能特点 ......................................................................................... 13 EDEM 接触模型 ......................................................................................... 14 湿煤聚团模型的建立 ............................................................................................. 18 BPM 颗粒粘结模型 .................................................................................... 18 EDEM API ................................................................................................... 19 湿煤聚团的组成 ......................................................................................... 21 聚团模型链接库的生成和调用 ................................................................. 21 本章小结 ................................................................................................................. 25 第 3 章 弛张筛筛面形貌设计与选取 ................................................................................. 27 弛张筛筛面形貌的参数化建模 ............................................................................. 27 弛张筛筛面形貌中形状参数的设计及选取 ......................................................... 28 有限元模型的建立及参数设置 ................................................................. 28 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 VI 筛面与颗粒冲击碰撞仿真结果与分析 .................................................... 30 弛张筛筛面形貌中间隔参数的设计及优化 ......................................................... 33 筛板的近似柔性化 .................................................................................... 33 联合仿真模型的建立及参数的设置 ........................................................ 35 湿煤聚团筛分模拟的仿真结果与分析 .................................................... 37 基于灰色决策理论的最优间隔 T 的选取 ................................................ 39 本章小结 ................................................................................................................. 41 第 4 章 细粒煤物料群的筛分数值模拟及仿真结果分析 ................................................. 43 EDEM 与多体动力学（MBD）的耦合原理 ....................................................... 43 计算多体动力学基本理论 ........................................................................ 43 EDEM-MBD 联合仿真原理 ...................................................................... 43 EDEM-MBD 联合仿真接口设置 .............................................................. 44 联合仿真模型参数设置及数值模拟过程 ............................................................. 46 仿真模型参数的设置 ................................................................................ 46 物料群筛分模拟过程 ................................................................................ 47 物料群筛分仿真结果分析 ..................................................................................... 47 物料群筛分的动态过程分析 .................................................................... 47 动态筛分效率和粘结残量的对比分析 .................................................... 48 筛面上颗粒速度的对比分析 .................................................................... 49 单颗粒运动轨迹对比分析 ........................................................................ 50 本章总结 ................................................................................................................. 50 第 5 章 试验研究与分析 ..................................................................................................... 51 弛张筛原理试验台简介 ......................................................................................... 51 试验台的搭建 ............................................................................................ 51 试验设备的介绍 ........................................................................................ 54 物料群筛分试验及结果分析 ................................................................................. 56 物料群筛分试验过程 ................................................................................ 56 试验结果与分析 ........................................................................................ 58 试验结果与仿真结果对比分析 ................................................................ 60 万方数据 目 录 VII 湿煤聚团筛分试验及结果分析 ............................................................................. 61 湿煤聚团筛分试验过程 ............................................................................. 61 试验结果与分析 ......................................................................................... 62 试验结果与仿真结果对比分析 ................................................................. 64 本章小结 ................................................................................................................. 65 第 6 章 结论 ......................................................................................................................... 67 总结 ......................................................................................................................... 67 展望 ......................................................................................................................... 68 参考文献 .................................................................................................................................. 69 攻读学位期间的科研成果 ...................................................................................................... 73 致谢 .......................................................................................................................................... 75 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 VIII 万方数据 绪 论 1 第1章 绪论 课题研究背景及意义 本课题来源于国家自然科学基金面上项目 （动力煤高 g 值振动筛分机理及双激励源 协同调控理论与方法，51775364） 为了加快建设我国现代能源体系，其中一项重要任务是对煤炭的清洁利用。发展煤 炭洗选加工可提高煤炭的清洁利用，进而增大煤炭利用率，降低污染物的排放量，对保 护环境、节约能源具有重要意义。根据煤炭行业“十三五”规划，2020 年动力煤分选约 占原煤分选量的 70-80，因此对动力煤筛分设备的研究变得尤为重要。 随着科学技术以及经济的发展，开采及防尘设备越来越先进，但也造成了原煤中的 含水量和粉煤量随之增多， 潮湿细粒煤在水的表面张力和黏土粘附力的综合影响下容易 发生结团和黏连，进而导致原煤中潮湿细粒物料容易粘结成团并附着在筛面上，造成堵 孔现象，降低了有效筛分面积，使筛分变得愈加困难[1]。传统振动筛对潮湿细粒物料的 筛分效率普遍不高， 而弛张筛[2-3]作为新型高效筛分设备， 由于筛面采用弹性聚氨酯材料， 具有筛面抛射加速度大， 筛分效率高、 不易堵孔、 适应性强、 筛机整体动负荷小等优点， 难筛物料在较大加速度作用下容易松散和分层， 能有效克服潮湿细粒物料间及与筛面间 的粘性力，同时筛面在张弛运动下筛孔发生变形挤压进而防止筛孔的堵塞，有利于提高 筛分效果，因此深受选煤行业的欢迎[4-7]。 弛张筛相比振动筛最大特点是采用具有弹性的聚氨酯材料作为筛板， 因此在相同的 激振力下，弛张筛的筛面在弛张运动时的加速度最高能达到 50g，使潮湿细粒物料的团 聚物具有较大的动能， 进而与筛面接触时容易破碎打散， 有利于提高弛张筛的筛分效率。 国内外较多学者研究了弛张筛筛面的运动参数以及弛张筛的各种机械参数对筛面运动 的影响，但对筛面的研究很多是基于光滑平整筛面，所研究的颗粒主要是无粘结的单颗 粒或颗粒群，关于弛张筛筛面形貌对潮湿细粒物料筛分效果的研究较少。通过增加弛张 筛筛面形貌可以影响团聚物料的破碎打散程度， 进而对弛张筛筛分效率的提高具有重要 意义。非平整的筛面形貌可以增大筛面上物料运动情况的复杂性和多样性，使物料与筛 面接触时的受力和能量变化更加复杂，对增加筛机的寿命和减少能耗都具有重要意义， 因此通过设计并选取合理的筛面形貌从而提高弛张筛对潮湿细粒煤的筛分是非常有研 究价值的。 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 2 国内外研究现状 弛张筛主要是用于对入料粒度不大于 50mm，黏度较大，含水量为 7-14的难筛 物料进行 1-13mm 粒度的筛分分级，尤其是对中、细粒级煤的深度筛分效果更佳[8]，具 有不易堵塞筛孔、生产能力大等优点，筛分效率最高可达 90以上[9-10]，其工作原理如 图 1-1 所示，浮动横梁与固定横梁相间分布，相邻横梁的间距因电机驱动浮动梁而发生 周期性变化，导致弹性筛板产生周期性弛张运动，物料与筛面接触发生透筛或被抛射， 从而实现物料的分级与松散。 图 1-1 弛张筛原理及筛分过程示意图 Fig.1-1 Working principle and screening process of the flip-flow screen. 弛张筛的发展 上个世纪 50 年代，德国学者 A.Wehner 率先提出了弛张筛分原理[11]，并设计了世界 上第一个投入批量生产的弛张筛。德国 Hein-Leman 公司在这个基础上，在上个世纪的 60 年代推出了 TORWELL 弛张筛[12]。德国的海茵勒曼公司从上个世纪 60 年代开始对 弛张筛筛分原理进行研究，提出了利用筛面的快速张紧和松弛来提供较大加速度，同时 筛面的大变形还会引起筛孔的变形，使潮湿细粒煤炭物料实现良好的松散和分层，进而 使得潮湿细粒煤炭干法筛分过程能够顺利有效进行[13]。目前，已实现工业化应用的弛张 筛主要有德国的第二代 Torwell 型弛张筛[14]、第三代 Liwell 型弛张筛（图 1-2） [15-17]、前 苏联研制的 ГЭДП 型弛张筛、我国鞍山矿山机械厂研制的 CZS 系列型弛张筛以及奥地 利研制的 Binder 弛张筛（图 1-3） [18-19]、TRISOMAT 型弛张筛。Torwell 型弛张筛通过摆 杆的相对运动来带动筛板进行弛张运动，但只适用于小型筛分机，难以实现大型化，从 湿煤聚团 固定横梁 浮动横梁 筛下物 张紧状态 松弛状态 湿煤颗粒 筛上物 万方数据 绪 论 3 而影响了这类型弛张筛的使用和推广。Liwell 型弛张筛的内、外筛箱通过板弹簧支撑在 机架上， 并采用曲轴连杆机构对其进行驱动， 从而实现筛板产生周期性往返的直线运动， 但在工作过程中，这类弛张筛还需克服弹簧弹力所做的功，因此增大了弛张筛的功率消 耗。ГЭДП 型弛张筛采用双质量振动系统，在激振器的作用下，筛箱与筛架做相对纵向 摆动，进而筛面产生周期性的一张一弛运动。由于这类型弛张筛只有一个筛板横梁可以 移动，所以由筛框往复直线运动引起惯性力会影响到整机的稳定性。基于 Liwell 型弛张 筛的结构及原理，我国鞍山矿山机械厂研制出 CZS 型弛张筛，但其结构更复杂、能耗更 大。由奥地利 Binder b The bonds of BPM. EDEM 中最常见的生成粘结颗粒的方法是采用基于 BPM 模型的颗粒替换插件，该 方式构建的 BPM 团聚物模型只能实现由粒径相等的单元颗粒组成具有不同形状和大小 的聚团，如图 2-6（a）所示。而实际组成湿煤聚团的颗粒的粒度和形状纷纷不一，因此 由等粒径颗粒组成的湿煤聚团模型与实际情况不太相符。本文通过对 EDEM 中的颗粒 体积力插件和颗粒工厂插件进行 API 编译，设计出多粒度内聚颗粒模型（如图 2-6b）来 改进现有的等粒径颗粒组成聚团模型的不足。 （a）等径颗粒聚团 b多粒度颗粒聚团 图 2-6 聚团粘结模型 Fig. 2-6 The bonding model of agglomerate EDEM API EDEM 提供的应用程序编程