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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(dòng)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(dòng)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(dòng)篩、弛張篩、梯流篩、彈性桿篩等篩分機(jī)的篩面動(dòng)力學(xué)方程，給出了篩分機(jī)的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)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(tái)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(dòng)力煤約占85%，動(dòng)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(fèi)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(dòng)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(dòng)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(jí)煤直接供應(yīng)電廠等用戶，粗粒級(jí)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(rùn)約8元，全國每年可新增利潤(rùn)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(shí)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(duì)普通振動(dòng)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(shí)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(duì)潮濕煤炭6mm篩分時(shí)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(jì)，但由于缺乏彈性篩面動(dòng)力學(xué)模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)公式，實(shí)際應(yīng)用中篩絲振幅小，沒能發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(dòng)態(tài)特性和對(duì)透篩的影響，建立彈性篩面設(shè)計(jì)計(jì)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(dòng)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(dòng)的角度研究覆蓋膜的破裂過程，建立了覆蓋膜彈性振動(dòng)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(yàn)證了覆蓋膜彈性振動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)單的方法是直接將篩分機(jī)的工作轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為覆蓋膜的基頻，從而實(shí)現(xiàn)潮濕煤炭深度篩分大振幅、大振動(dòng)強(qiáng)度的篩分工藝。但理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(tái)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(gè)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(dòng)力學(xué)模型。如圖1所示。為研究方便，我們將覆蓋膜的振動(dòng)分為隨篩分機(jī)的剛性振動(dòng)和自身彈性振動(dòng)兩種且互不耦合。其運(yùn)動(dòng)方程為：
圖1 覆蓋膜粘附力學(xué)模型
ρ2Zt2=T(2Zχ2+2Zy2)+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(dòng)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(shí)，覆蓋膜斷裂。我們從實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)長(zhǎng)度達(dá)到破裂。
表1各種篩孔尺寸下的覆蓋膜基頻
篩孔尺寸（mm） | 3 | 6 | 9 | 12 |
基頻（Hz） | 7.5 | 4 | 2.8 | 1.9 |
三、彈性篩面篩分機(jī)的設(shè)計(jì)方法
為了克服堵孔問題，在設(shè)計(jì)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(dòng)力力模型及篩面參數(shù)設(shè)計(jì)公式。
1.琴弦篩面動(dòng)力學(xué)模型及參數(shù)設(shè)計(jì)公式
琴弦篩篩分潮濕細(xì)料物料時(shí)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(dòng)，則有效地阻止了堵孔。彈性振動(dòng)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(dòng)力學(xué)特性，其力學(xué)模型如圖(2)所示，篩絲振動(dòng)方程為：圖2琴弦篩篩面動(dòng)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(dòng)的解為：
2yt2-α22yt2=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(dòng)。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(dòng)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(shí)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(zhǎng)度，按上述張緊力公式設(shè)計(jì)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(dòng)應(yīng)力低、可靠性高優(yōu)點(diǎn)。
2.聚氯脂、橡膠篩面動(dòng)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(dòng)篩上去，取得了較好的效果，這類彈性篩面其動(dòng)力學(xué)模型屬平面問題。其力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖3所示。其振動(dòng)方程為：
D4+(ρA+ρm)&=(ρA+ρm)Aω2+sin(ωt-φ)(4)
圖3彈性篩面動(dòng)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(dòng)的一種狀態(tài)。篩面的一階彈性振動(dòng)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(dòng)篩篩面在振動(dòng)過程中，彈性篩面自身也在作彈性振動(dòng)，這樣就有效地增大了篩孔覆蓋膜的長(zhǎng)度，促使覆蓋膜斷裂，保持開孔狀態(tài)，提高篩分效率。同時(shí)對(duì)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(shí)將大顆粒擠出篩孔，減輕了堵孔。式(6)為篩面參數(shù)設(shè)計(jì)公式。3.梯流篩篩面動(dòng)力學(xué)模型及參數(shù)設(shè)計(jì)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(dòng)引起懸臂梁產(chǎn)生彈性振動(dòng)。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(dòng)能有效地減輕堵孔，因此在沒計(jì)中就盡量增大其彈性振動(dòng)。其動(dòng)力學(xué)模型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及運(yùn)動(dòng)方程式如下：
圖4梯流篩篩面動(dòng)力學(xué)模型
4yx4+1a2 2yt2=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(zhǎng)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(dòng)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(jì)為ω1，即ω=ω1。按中等載荷篩分條件下直徑為4mm計(jì)，篩分機(jī)工作轉(zhuǎn)速在此87.73-15.13rad/s時(shí)，篩條長(zhǎng)度應(yīng)為(200-155)mm，這正是現(xiàn)在梯流篩的篩條設(shè)計(jì)參數(shù)。
4.彈性桿篩設(shè)計(jì)思路
通過對(duì)彈性篩面動(dòng)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(jì)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(lì)力作用下做高強(qiáng)度復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)除隨篩體主振頻率振動(dòng)外，還包括附加篩桿與框架壁發(fā)生的彈性碰撞振動(dòng)和自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(gè)實(shí)數(shù)域。這種連續(xù)頻率成分的振動(dòng)波，其中必有某一振動(dòng)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(shí)彈性桿篩面的高強(qiáng)度復(fù)雜運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)，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(shí)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：
型號(hào) | 層數(shù) | 入料粒度（mm） | 篩孔尺寸（mm） | 處理量（t/h） | 單振幅（mm） | 頻率（Hz） | 外型尺寸（mm） |
STKB1020 | 1 | 0～200 | 6×13 | 14～30 | 3～5 | 16 | 1960×1720×1810 |
STKB1855 | 1 | 0～200 | 6×13 | 85×100 | 3～5 | 16 | 5650×3010×2060 |
2STKB2450 | 2 | 0～200 | 上層：13×25 | 25～40 | 3～5 | 16 | 1960×1720×1810 |
下層：6×13 | |||||||
2STKB2450 | 2 | 0～200 | 上層：13×50 | 180～220 | 3～5 | 12 | 5010×3980×3070 |
下層：6×13 | |||||||
QGS2020 | 3 | 0～80 | 上層：6×13 | 160～320 | 4～5.5 | 13 | 2060×2200×3600 |
中層：20×40 | |||||||
下層：8×13 | |||||||
ZQGS1520 | 3 | 0～300 | 上層：30×60 | 200～300 | 4～5.5 | 13.76 | 1960×1953×568 |
中層：25～40 | |||||||
下層：6×13 | |||||||
CWS3600 | 1 | ＜100 | 0.5～25 | 120～160 | 3.5～4.5 | 12.2 | 6610×5450×2780 |
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(dòng)篩，代替原設(shè)計(jì)的2SJ2-1.486×50型節(jié)肢振動(dòng)篩。2STKB1540型多自由度彈性振動(dòng)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(shí)踐表明使用的2STKB1540型振動(dòng)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(huì)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(shí)踐表明：這種篩板由于能多自由度運(yùn)動(dòng)，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(dòng)強(qiáng)度。篩板(彈性桿)壽命在4個(gè)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(zhǎng)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(xiàng)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(tái)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(dòng)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(dòng)方程、基頻表達(dá)式及斷裂判據(jù)，提出了實(shí)現(xiàn)大振幅、大振動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度下的非線性運(yùn)動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)顆粒在篩面上運(yùn)動(dòng)存在周期分叉、倍周期分叉、混沌運(yùn)動(dòng)規(guī)律，給出顆粒出現(xiàn)混沌運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)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(dòng)研究其振動(dòng)規(guī)律，提出了彈性篩面篩分機(jī)動(dòng)力學(xué)模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)公式，建立了潮濕細(xì)粒煤炭彈性篩面篩分機(jī)的彈性動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(dòng)強(qiáng)度大、自清洗能力強(qiáng)、不堵孔、篩分機(jī)整體動(dòng)應(yīng)力低、可靠性和篩分效率高等優(yōu)點(diǎn)。本文感謝國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(90210035)和國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(50025411)的財(cái)政支持。
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