倒梯形截面筛杆变孔径筛分特性研究

宋宝成，江海深，田祖织

1江苏安全技术职业学院 江苏徐州 221000

2中国矿业大学化工学院 江苏徐州 221116

3国家煤加工与洁净化工程技术研究中心 江苏徐州 221116

4中国矿业大学机电工程学院 江苏徐州 221116

筛面堵孔是降低筛分设备筛分效率的重要因素[1]。为了提高筛面的防堵孔能力，传统上普遍采用的方法是通过提高筛体振幅、频率或利用筛面的二次振动来增加筛面振动强度[2-3]。然而，对于潮湿物料造成的黏附膜糊孔，通过改变筛面孔径实现黏附膜拉伸破坏是最为有效的方法[4]。

传统刚性杆筛面，所有筛杆振动响应一致，所以孔径尺寸恒定，不利于堵孔物料的排出[5]；而相邻筛杆的振动差异化可以有效提升筛面防堵孔能力[6]。Huang Long 等人[7]提出在刚性筛杆外嵌套柔性管，柔性管在随刚性筛杆振动的同时可以绕筛杆转动，实现孔径的动态变化，通过试验分析了不同工况条件下柔性管的运动特性。宋宝成等人[8]提出一种刚柔耦合筛面，利用柔性支撑块获得浮动杆的二次振动，实现与相邻固连杆间孔径的周期变化，建立了筛面动力学模型，采用 DEM 仿真验证了其克服典型堵孔问题的有效性。张珂等人[9]采用矩形截面静筛条与动筛条交叠布置的方式设计了一种叠振筛，通过激振力直接驱动动筛条，对堵孔物料可以产生切向拉伸作用以促进物料排出，并采用 DEM 仿真分析了筛面倾角、振幅、频率等参数对筛分效果的影响。然而，叠振筛由于采用矩形截面筛杆，相邻筛杆的振动差异不能产生孔径变化效果，克服堵孔能力有限；采用刚性筛杆外嵌套柔性管方式虽然可以获得孔径变化效果，但孔径变化具有随机性，不易于实现优化控制；采用圆截面筛杆的刚柔耦合筛面，不仅可以获得类似叠振筛对物料的切向力作用，还具有规律的孔径变化效果。但受到筛杆截面几何形式的影响，孔径变化幅值提升空间较小，限制了其防堵孔能力的发挥。

为提升刚柔耦合筛面的孔径变化效果，笔者将倒梯形截面筛杆应用于刚柔耦合筛面，建立了孔径变化时变函数，采用 DEM 仿真分析了筛分效果与防堵孔特性，通过与圆截面筛杆进行对比，研究其对提升刚柔耦合筛面性能的影响。

1 倒梯形截面筛杆结构特点

采用倒梯形截面筛杆的刚柔耦合筛面由边框、固连杆、浮动杆及弹性体组成，如图1 所示。固连杆与边框直接连接，在振动过程中具有与筛体相同的振动响应。边框上在固连杆间布置有导向槽，浮动杆与固连杆穿插布置，末端穿过导向槽、嵌入弹性体与边框柔性连接。导向槽平行于y方向，浮动杆末端采用矩形结构，与导向槽配合保证x方向筛杆间隙的稳定。振动过程中浮动杆y方向可以获得二次振动效果，从而实现孔径的实时变化。

图1 筛面结构Fig.1 Structure of screen surface

2 筛面孔径时变规律

当相邻倒梯形截面筛杆y方向具有不同振幅时，孔径变化情况如图2 所示。y方向间距为ht=|(Av1-Av0)sinωt|，初始时 (位置 ①)ht=0，孔径dt=b0-2r；当0 ＜ht≤(b0-2r) tanθ时 (位置 ②)，孔径dt为梯形顶点A、B间距；当 (b0-2r) tanθ＜ht≤(b0-2r) tanθ+h时(位置 ③)，孔径dt为梯形顶点A与相邻梯形侧边距离AP1；当ht＞ (b0-2r) tanθ+h时 (位置 ④)，孔径dt为梯形顶点A与相邻梯形顶点C间距。于是可得孔径dt的时变函数为

图2 倒梯形截面筛杆孔径变化Fig.2 Aperture variation of screen rod with inverse trapezoid section

相同条件下，圆截面筛杆孔径变化情况如图3 所示。

图3 圆截面筛杆孔径变化Fig.3 Aperture variation of screen rod with circular section

其孔径的时变函数为[8]

所以，当ht≤h1时，倒梯形截面筛杆孔径变化效果更为显著。取b0=20 mm，r=5 mm，θ=30°，h=6 mm，对比孔径变化率随ht变化情况，结果如图4 所示。

图4 孔径变化率曲线Fig.4 Curves of aperture change rates

此时，h1=5.77mm，h2=11.77 mm，可见在此参数条件下，梯形截面筛杆孔径变化效果在各区间均优于圆截面筛杆。梯形截面筛杆孔径变化率约为圆截面筛杆 2 倍，随着ht的增大，其差值趋于平稳，相对优势逐渐减弱。

3 筛分过程与效果分析

图5 所示为采用倒梯形截面筛杆的刚柔耦合筛面离散元模型，仿真参数如表1 所列，分析单位处理量为 20.99 t/(h·m2) 的筛分过程。当筛体整体做直线振动时，所有筛杆在x方向具有相同的振幅。在各参振浮动杆质量、弹性体刚度均一致的条件下，各浮动杆具有相同的二次振动效果[8]，以相同的振幅做周期运动。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

图5 刚柔耦合筛面离散元模型Fig.5 DEM model of rigid-flexible coupling screen surface

为分析筛分过程中筛下物透筛时间与筛上物输送速度，利用 Grid Bin Group 对筛箱 (Group 0)、筛下 (Group 1) 及出料端口 (Group 2) 等区域物料进行动态监测。采用 API 插件 Residence Time 计算物料在 Group 0 中的停留时间，Group 1 与 Group 2 分别获取筛下物颗粒与筛上物颗粒 ID。仿真结束后，利用Python 自编程序对结果数据进行二次处理得到所需结果，如图6 所示。

图6 数据生成与分析过程Fig.6 Data generation and analysis process

按表1 参数进行筛分过程仿真，得到结果如表2所示。可以发现，当Ax、Ay一定时，由于倒梯形筛杆上部为平面，对物料输送阻碍较小，与圆截面筛杆相比，动力学参数分布较为简单。当ΔAy较小时，倒梯形截面筛杆平均输送速度vt快于圆截面筛杆平均输送速度vr；而当ΔAy较大时，圆截面筛杆的抛掷指数增强效应[10]对输送速度的影响显著增强，导致vr逐渐优于vt。相应的，当ΔAy较小时，倒梯形截面筛杆的几何特点，使得快速输送的物料透筛几率相对较低，筛分效率低于相同条件下的圆截面筛杆。而随着ΔAy的增大，倒梯形截面筛杆对物料输送的阻碍作用逐渐增大，输送速度相应减小，筛分效率逐渐赶超同条件圆截面筛杆。在此过程中，圆截面筛杆对物料输送的阻碍作用逐渐超越抛掷指数增强效应对输送速度的影响，使得物料输送速度增大到一定值时出现降低。而ΔAy的增大势必在提高y方向振动强度的同时，造成物料与筛面的接触时间减少，所以当ΔAy增大到一定值时，筛分效率均出现了下降的情况。

表2 仿真结果Tab.2 Simulation results

利用 Excel 中的 Correl 函数[11]分别计算筛分效率与平均透筛时间、平均输送速度的相关性，得到倒梯形截面筛杆筛分效率与平均透筛时间、平均输送速度的相关系数分别为 -0.87、-0.39，圆形截面筛杆筛分效率与平均透筛时间、平均输送速度的相关系数分别为 -0.63、0.56。平均透筛时间与筛分效率的关联性较为显著，关联系数为负值，说明平均透筛时间越短，往往筛分效率越高。

4 防堵孔效果对比

采用黏性颗粒压制的方法建立离散元堵孔模型如图7 所示。取ω为 16.33 Hz，Ax为 3.5 mm，Ay为 2.5 mm，ΔAy为 2.25 mm，堵孔物料为厚度 4 mm 的小颗粒黏附膜，通过 Hertz-Mindlin with JKR 接触模型[12]，可以模拟潮湿物料严重糊状堵孔状况。

图7 筛面堵孔模型Fig.7 Blocking model of screen surface

图8 所示为倒梯形截面筛杆与圆截面筛杆防堵孔过程对比。可以发现，圆截面筛杆的孔径变化可以起到拉长黏附膜的作用，但由于黏附膜厚度相对较大，不易破裂，且筛杆与黏附膜接触面为圆弧面，拉长过程中可以通过相对滑移阻碍该拉长效果，所以相同时间内防堵孔效果弱于倒梯形截面筛杆。而在相同振动条件下，倒梯形筛杆具有更为显著的孔径变化效果，对黏附膜的拉长作用更加明显，且倒梯形截面筛杆与黏附膜接触面为斜面，拉长过程中的相对滑移反而会促进拉长效果。

图8 2 种筛杆防堵孔过程的对比Fig.8 Comparison of anti-blocking process for two types of screen rods

相同条件下，倒梯形截面筛杆在 0.066 s 内即实现黏附膜破裂、排出，而圆截面筛杆则需要 0.396 s(见图9)。同时，需要注意的是，倒梯形截面筛杆对堵孔物料具有向下作用分力，所以堵孔物料从筛下排出；而圆截面筛杆上下结构对称，堵孔物料有从上部排出的可能，存在再次堵孔的风险。

图9 圆截面筛杆防堵孔效果Fig.9 Anti-blocking effect of circular section screen rod

5 结论

(1) 倒梯形截面筛杆较圆截面筛杆可以获得更为显著的孔径变化效果。

(2) 随着ΔAy的增大，倒梯形截面筛杆物料平均输送速度逐渐降低，平均透筛时间先减小后增大，筛分效率呈现先增后减的趋势。

(3) 当ΔAy较小时，倒梯形截面筛杆筛分效率低于圆截面筛杆，ΔAy较大时则优于后者。

(4) 应对较大厚度的黏附膜堵孔情况，倒梯形截面筛杆具有更为明显的防堵孔效果，可以更快从筛面下部排出堵孔物料，避免二次堵孔的发生。