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　　摘要 本文系統(tǒng)地回顧了潮濕細(xì)粒煤炭干法篩分理論及應(yīng)用的現(xiàn)狀，分析了潮濕細(xì)料煤炭篩分的粘附力學(xué)模型和非線性運(yùn)動規(guī)律，創(chuàng)立了潮濕細(xì)粒煤炭干法篩分新理論，突破了傳統(tǒng)干物料、單顆粒透篩、剛性篩面和顆粒線性運(yùn)動的理論。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了潮濕細(xì)料煤炭彈性篩面篩分機(jī)的篩分機(jī)理，建立了琴弦概率篩、聚氨酯篩面振動篩、弛張篩、梯流篩、彈性桿篩等篩分機(jī)的篩面動力學(xué)方程，給出了篩分機(jī)的工藝參數(shù)設(shè)計公式，建立了潮濕細(xì)粒煤炭彈性篩分技術(shù)體系，研制出系列的新型潮濕細(xì)粒煤炭篩分機(jī)，在全國煤炭、電力、化工等領(lǐng)域95家企業(yè)應(yīng)用167臺，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

　　一、前言

　　煤炭是我國主要能源，2004年全國煤炭產(chǎn)量已超過19億噸，約占我國一次能源的70%左右，其中動力煤約占85%，動力煤入選率約為17%。由于煤炭的加工利用程度低，造成了資源浪費和嚴(yán)重的燃煤大氣污染。選煤是潔凈煤炭生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)、有效的辦法，篩分是選煤的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我國大部分礦區(qū)動力煤-13mm細(xì)粒含量一般占70%以上，其中-6mm含量高達(dá)60%以上、灰分較低，可作為**動力煤直接供應(yīng)電廠。但現(xiàn)有原煤篩分技術(shù)的分離粒度只能達(dá)到13mm，如采用篩選和洗選聯(lián)合加工工藝，即篩選出-6mm細(xì)粒級煤直接供應(yīng)電廠等用戶，粗粒級煤炭進(jìn)一步洗選加工，可提高精煤產(chǎn)率約8%。因此，如采用-6mm原煤深度篩分技術(shù)，每噸煤可增加利潤約8元，全國每年可新增利潤130億元以上。原煤篩分不僅能降低選煤生產(chǎn)成本、優(yōu)化煤炭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高經(jīng)濟(jì)效益，而且能節(jié)約能源，節(jié)約運(yùn)力，減少大氣污染。

　　由于原煤綜采等現(xiàn)代化采煤技術(shù)的采用，入篩原煤細(xì)粒含量增大，加之井下防塵噴水、煤層滲水以及管理等方面原因，使入篩原煤水分增高(外在水分大于7%)，導(dǎo)致潮濕煤炭干法深度篩分(6mm以下)時堵孔嚴(yán)重，篩分難以進(jìn)行。潮濕煤炭干法深度篩分是我國煤炭生產(chǎn)中迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，是世界性難題。

　　針對普通振動篩只能解決25mm原煤篩分局限，國內(nèi)外在潮濕煤炭干法深度篩分技術(shù)上進(jìn)行了深入的研究，開發(fā)了潮濕細(xì)粒煤炭篩分機(jī)，主要有概率篩、等厚篩、弛張篩、琴弦篩、螺旋篩等，代表性的是概率篩和等厚篩。Mogensen提出了概率篩分原理，發(fā)展了大篩孔、大傾角的概率篩;Burstlein提出了等厚篩分原理，研制的等厚篩實現(xiàn)了原煤的薄層篩分，概率篩和等厚篩都有助于克服篩孔堵塞，有效地解決了13mm原煤篩分問題，但對潮濕煤炭6mm篩分時作用有限，堵孔依然嚴(yán)重，篩分效率低下;螺旋篩篩分效率低;弛張篩雖能有效地進(jìn)行6mm篩分，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材質(zhì)昂貴、制造成本高，沒能在我國推廣應(yīng)用;琴弦篩的技術(shù)關(guān)鍵是篩絲與篩分機(jī)的匹配設(shè)計，但由于缺乏彈性篩面動力學(xué)模型和優(yōu)化設(shè)計公式，實際應(yīng)用中篩絲振幅小，沒能發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，堵孔仍然嚴(yán)重。

　　傳統(tǒng)的篩分機(jī)不能進(jìn)行6mm以下潮濕煤炭有效篩分，必須研究新的篩分理論，開發(fā)新型篩分設(shè)備，解決我國潮濕煤炭的深度篩分問題。因此有必要系統(tǒng)地研究和總結(jié)物料粘附模型、篩面動態(tài)特性和對透篩的影響，建立彈性篩面設(shè)計計算公式。

　　二、潮濕細(xì)料物料篩分的基本理論研究

　　利用表面物理化學(xué)理論研究潮濕細(xì)粒煤炭在外在水分和表面張力作用下的團(tuán)聚過程、堵孔機(jī)理及其與篩分機(jī)運(yùn)動參數(shù)之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒煤炭在篩分過程不斷團(tuán)聚、形成覆蓋膜堵孔;為了克服堵孔，我們從覆蓋膜彈性振動的角度研究覆蓋膜的破裂過程，建立了覆蓋膜彈性振動方程并給出了方程和基頻的解析解。利用高速攝影方法研究不同篩孔尺寸上的覆蓋膜共振情況，找出各種尺寸下覆蓋膜的基頻，驗證了覆蓋膜彈性振動方程和基頻表達(dá)式的正確性，給出了覆蓋膜斷裂判據(jù)，指出促使覆蓋膜斷裂可通過兩條途徑達(dá)到：一是直接采用大振幅、大振動強(qiáng)度篩分工藝來強(qiáng)化覆蓋膜斷裂，二是使覆蓋膜達(dá)到共振而斷裂。激發(fā)覆蓋膜共振是使覆蓋膜斷裂經(jīng)濟(jì)有效的辦法，一種簡單的方法是直接將篩分機(jī)的工作轉(zhuǎn)速設(shè)計為覆蓋膜的基頻，從而實現(xiàn)潮濕煤炭深度篩分大振幅、大振動強(qiáng)度的篩分工藝。但理論計算和實驗結(jié)果表明，覆蓋膜的基頻與篩分機(jī)入料的物理和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，如煤種、水分、灰分、粒度分布等，即使將同一礦區(qū)煤炭在同一臺篩分機(jī)上進(jìn)行篩分，不同篩孔上所形成的覆蓋膜基頻也可能存在很大差異。傳統(tǒng)的篩分機(jī)只能以單一頻率作用于覆蓋膜，難以克服整個篩面的堵孔，因此必須尋找多頻成分的振蕩篩面。為了研究覆蓋膜破裂受哪些因素的影響，我們建立覆蓋膜的動力學(xué)模型。如圖1所示。為研究方便，我們將覆蓋膜的振動分為隨篩分機(jī)的剛性振動和自身彈性振動兩種且互不耦合。其運(yùn)動方程為：

　　圖1 覆蓋膜粘附力學(xué)模型

　　ρ2Zt2=T(2Zχ2+2Zy2)+pAω2(1)其中ρ是覆蓋膜的密度，T是顆粒間的粘附力，其受迫振動的基頻成份為：

　　Z=PAω2ω1，12-ω2sinπχαsinπybsinωt(2)

　　覆蓋膜的破壞是用其變形量大小來衡量的。當(dāng)變形量大于一定值時，覆蓋膜斷裂。我們從實驗中發(fā)現(xiàn)，覆蓋膜頻率較低。如表1所所示。覆蓋膜基頻與篩分機(jī)頻率ω相比很小。因此一階振幅(由(2)式可知)近似為-ρA;要破壞覆蓋膜可使ω1.1=ω或增大振幅A，使覆蓋膜的伸長長度達(dá)到破裂。

　　表1各種篩孔尺寸下的覆蓋膜基頻

　　三、彈性篩面篩分機(jī)的設(shè)計方法

　　為了克服堵孔問題，在設(shè)計上方面可使篩面產(chǎn)生大振幅，但必須保證篩分機(jī)的可靠性，所以要采用了彈性材料作篩面，如琴弦、聚氨脂、橡膠、懸臂梁結(jié)構(gòu)等。在此我們給出它們的彈性動力力模型及篩面參數(shù)設(shè)計公式。

　　1.琴弦篩面動力學(xué)模型及參數(shù)設(shè)計公式

　　琴弦篩篩分潮濕細(xì)料物料時能有效地克服堵孔，一方面是其開孔率高，另一方面組成篩面的琴弦在篩分過程中能產(chǎn)生彈性振動，則有效地阻止了堵孔。彈性振動振幅如能增大則能增加覆蓋膜的變形，在此我們研究琴弦篩的篩面動力學(xué)特性，其力學(xué)模型如圖(2)所示，篩絲振動方程為：圖2琴弦篩篩面動力學(xué)模型

　　其中T0為張緊力，ρ為篩絲密度，S為篩絲截面積，mm為篩絲粘附的物料質(zhì)量，A為篩分機(jī)的振幅，ω是其工作的圓頻率，篩絲的一階彈性振動的解為：

　　2yt2-α22yt2=Aω2sin (ωt-ψ)-mmPs+mm(3)

　　因工作圓頻率ω由篩分工藝條件決定的，不可隨意變動。如要求增大振幅可使ω1=ω，即產(chǎn)生共振以達(dá)到增大篩絲彈性振動振幅的目的，由ω1=ω及ω1的表達(dá)式，可在篩面進(jìn)行安裝時適當(dāng)張緊，優(yōu)張緊力的公式為〔5〕〔6〕：

　　λn=0.8～1.2

　　ω=λnπl(wèi)T0ρs+mm

　　其中l(wèi)為篩絲長度，按上述張緊力公式設(shè)計的琴弦概率篩在工業(yè)生產(chǎn)過程中取得應(yīng)用。應(yīng)用表明取得了良好的篩分效果。且具有功耗小、動應(yīng)力低、可靠性高優(yōu)點。

　　2.聚氯脂、橡膠篩面動力學(xué)模型及克服堵孔的機(jī)理

　　將橡膠、聚氨脂彈性篩面改裝到振動篩上去，取得了較好的效果，這類彈性篩面其動力學(xué)模型屬平面問題。其力學(xué)簡圖如圖3所示。其振動方程為：

　　D4+(ρA+ρm)&=(ρA+ρm)Aω2+sin(ωt-φ)(4)

　　圖3彈性篩面動力學(xué)模型

　　其中E為篩面彈性模量，h為篩面厚度，μ為泊松比，ρA為篩面單位面積的質(zhì)量，ρm為粘附到篩面上物料的單位面積的質(zhì)量，q為激振力，q=ρAZ+Fm，F(xiàn)m為物料非線性沖擊力?！鳛楣茴D算子。為方便起見，只考慮物料附著在篩面上一起振動的一種狀態(tài)。篩面的一階彈性振動解為：

　　z=Σ∞n=1，3，5...Σ∞m=1，3，5...An，msinmπxasinnπybsin(ωt-φ)(5)

　　n=30πDρA+ρm{(1a)2+(1b2)}(6)

　　從(5)式可知，振動篩篩面在振動過程中，彈性篩面自身也在作彈性振動，這樣就有效地增大了篩孔覆蓋膜的長度，促使覆蓋膜斷裂，保持開孔狀態(tài)，提高篩分效率。同時對難篩分顆料落入篩孔而言，由于篩孔反復(fù)變形，搓揉難篩顆料，使得其上的細(xì)小顆料透篩，同時將大顆粒擠出篩孔，減輕了堵孔。式(6)為篩面參數(shù)設(shè)計公式。3.梯流篩篩面動力學(xué)模型及參數(shù)設(shè)計公式〔8，9〕梯流篩篩面是由一根根可視為懸臂梁的篩條組成，由于篩振動引起懸臂梁產(chǎn)生彈性振動。懸自由端振幅大于兩端固定或鉸支梁的振幅。這種大彈性振動能有效地減輕堵孔，因此在沒計中就盡量增大其彈性振動。其動力學(xué)模型、結(jié)構(gòu)簡圖及運(yùn)動方程式如下：

　　圖4梯流篩篩面動力學(xué)模型

　　4yx4+1a2 2yt2=Fsinωt(7)

　　篩條自由端振幅為：

　　y(l，t)=(Fl48EI)(sinωt-ωω1sinω1t)(8)

　　ω1=(1.875)2EIρ1l4

　　其中標(biāo)a=EI/ρ，F(xiàn)=ρAω2，ρ為篩條單位長度的量，E為彈性模量，I為篩條的慣性矩，A為篩分機(jī)的振幅，ω為篩分機(jī)的工作圓頻率，ω1為篩條彈性振動的固有頻率。為了增大篩分機(jī)工作過程中篩條振幅，將篩分機(jī)工作圓頻率設(shè)計為ω1，即ω=ω1。按中等載荷篩分條件下直徑為4mm計，篩分機(jī)工作轉(zhuǎn)速在此87.73-15.13rad/s時，篩條長度應(yīng)為(200-155)mm，這正是現(xiàn)在梯流篩的篩條設(shè)計參數(shù)。

　　4.彈性桿篩設(shè)計思路

　　通過對彈性篩面動力學(xué)的進(jìn)一步分析，提出彈性碰撞多頻振蕩篩面，設(shè)計出彈性桿篩。彈性桿篩的篩桿在篩板框架孔中屬于自由梁狀態(tài)，篩桿在篩分機(jī)激勵力作用下做高強(qiáng)度復(fù)雜運(yùn)動，這種運(yùn)動除隨篩體主振頻率振動外，還包括附加篩桿與框架壁發(fā)生的彈性碰撞振動和自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，篩桿與框架壁發(fā)生的彈性碰撞可用δ(t)函數(shù)描述，其頻譜連續(xù)布滿整個實數(shù)域。這種連續(xù)頻率成分的振動波，其中必有某一振動波頻率和覆蓋膜基頻重合引起覆蓋膜共振破壞了篩面覆蓋膜，同時彈性桿篩面的高強(qiáng)度復(fù)雜運(yùn)動合成增強(qiáng)了物料松散，大大增強(qiáng)了篩面自清理能力，克服了篩面堵孔，提高了篩分效率和處理量。彈性桿篩面為框架式結(jié)構(gòu)，使用壽命長，篩桿更換方便，篩框可重復(fù)使用，大大降低了設(shè)備維護(hù)工作量和運(yùn)行成本。中國礦業(yè)大學(xué)研制的彈性桿篩，它的篩面是由剛性桿插具有裝入孔的模塊篩面，如圖5所示。

　　圖5彈性桿篩面組成示意圖

　　四、彈性篩面篩分機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

　　中國礦業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的潮濕細(xì)粒煤炭篩分機(jī)主要技術(shù)規(guī)格如下：

　　五、應(yīng)用情況

　　1998年，淮北礦業(yè)集團(tuán)張莊矸石熱電廠使用2STKB1540型多自由度彈性振動篩，代替原設(shè)計的2SJ2-1.486×50型節(jié)肢振動篩。2STKB1540型多自由度彈性振動篩利用彈性桿在多自由度空間內(nèi)的碰撞振蕩效應(yīng)，能達(dá)到自清洗的目的，從而有效地消除了篩面上的物料粘結(jié)。近幾年來的運(yùn)行實踐表明使用的2STKB1540型振動篩，不但能保證電廠正常生產(chǎn)運(yùn)行，而且具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

　　多自由度彈性碰撞桿篩板在陳四樓礦選煤廠近幾年的生產(chǎn)實踐表明：這種篩板由于能多自由度運(yùn)動，使篩板具有自清理功能，煤粒不易粘到篩板上，既提高了深度篩分的篩分效率，又減輕了工人勞動強(qiáng)度。篩板(彈性桿)壽命在4個月以上，并且更換彈性桿篩絲非常方便，解決了深度篩分的難題。

　　QGS琴弦概率篩1995年在鄭州煤電集團(tuán)蘆溝煤礦使用，年篩選原煤45萬，選出-6mm粉煤27萬噸，灰分降低至16%以下，產(chǎn)品直接供應(yīng)電廠等用戶，解決了長期困擾鄭州礦區(qū)煤炭加工上的技術(shù)難題，年直接經(jīng)濟(jì)效益125.09萬元。

　　中國礦業(yè)大學(xué)研制的新型系列彈性篩面篩分機(jī)，獲8項國家**，在全國煤炭、電力、化工等領(lǐng)域95家企業(yè)應(yīng)用167臺，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

　　六、結(jié)論

　　本文建立了潮濕細(xì)粒煤炭粘附堵孔力學(xué)模型、彈性篩面力學(xué)模型以及物料非線性運(yùn)動理論，創(chuàng)立了潮濕細(xì)粒煤炭深度篩分技術(shù)體系，開發(fā)出系列潮濕細(xì)粒煤炭篩分設(shè)備，解決了潮濕煤炭深度篩分堵孔的世界性難題。

　　(1)建立了潮濕細(xì)粒煤炭的粘附模型，給出了堵孔覆蓋膜彈性振動方程、基頻表達(dá)式及斷裂判據(jù)，提出了實現(xiàn)大振幅、大振動強(qiáng)度篩分工藝的有效途徑。

　　(2)研究了顆粒在大振幅、大振動強(qiáng)度下的非線性運(yùn)動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)顆粒在篩面上運(yùn)動存在周期分叉、倍周期分叉、混沌運(yùn)動規(guī)律，給出顆粒出現(xiàn)混沌運(yùn)動的振動強(qiáng)度判據(jù)：提出了觸網(wǎng)概率的概念，建立了粒群隨機(jī)透篩的仿真模型，創(chuàng)立了粒群透篩理論，給出了彈性篩面篩分機(jī)工藝參數(shù)優(yōu)化的理論依據(jù)。

　　(3)基于篩面剛性與彈性耦合振動研究其振動規(guī)律，提出了彈性篩面篩分機(jī)動力學(xué)模型和優(yōu)化設(shè)計公式，建立了潮濕細(xì)粒煤炭彈性篩面篩分機(jī)的彈性動態(tài)設(shè)計方法。

　　(4)創(chuàng)立了潮濕細(xì)粒煤炭深度篩分技術(shù)體系，開發(fā)出系列彈性篩面篩分機(jī)，它們具有篩面振動強(qiáng)度大、自清洗能力強(qiáng)、不堵孔、篩分機(jī)整體動應(yīng)力低、可靠性和篩分效率高等優(yōu)點。本文感謝國家自然科學(xué)基金重點項目(90210035)和國家杰出青年科學(xué)基金項目(50025411)的財政支持。

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