摘要 本文(wén)系統地回顧了潮濕細粒煤炭幹法篩分(fēn)理(lǐ)論及應用(yòng)的現狀，分(fēn)析了潮濕細料煤炭篩分(fēn)的粘附力學(xué)模型和非線(xiàn)性運動規律，創立了潮濕細粒煤炭幹法篩分(fēn)新(xīn)理(lǐ)論，突破了傳統幹物(wù)料、單顆粒透篩、剛性篩面和顆粒線(xiàn)性運動的理(lǐ)論。在此基礎上進一步研究了潮濕細料煤炭彈性篩面篩分(fēn)機的篩分(fēn)機理(lǐ)，建立了琴弦概率篩、聚氨酯篩面振動篩、弛張篩、梯流篩、彈性杆篩等篩分(fēn)機的篩面動力學(xué)方程，給出了篩分(fēn)機的工(gōng)藝參數設計公(gōng)式，建立了潮濕細粒煤炭彈性篩分(fēn)技(jì )術體(tǐ)系，研制出系列的新(xīn)型潮濕細粒煤炭篩分(fēn)機，在全國(guó)煤炭、電(diàn)力、化工(gōng)等領域95家企業應用(yòng)167台，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

　　一、前言

　　煤炭是我國(guó)主要能(néng)源，2004年全國(guó)煤炭産(chǎn)量已超過19億噸，約占我國(guó)一次能(néng)源的70%左右，其中(zhōng)動力煤約占85%，動力煤入選率約為(wèi)17%。由于煤炭的加工(gōng)利用(yòng)程度低，造成了資源浪費和嚴重的燃煤大氣污染。選煤是潔淨煤炭生産(chǎn)經濟、有(yǒu)效的辦(bàn)法，篩分(fēn)是選煤的關鍵環節，我國(guó)大部分(fēn)礦區(qū)動力煤-13mm細粒含量一般占70%以上，其中(zhōng)-6mm含量高達60%以上、灰分(fēn)較低，可(kě)作(zuò)為(wèi)**動力煤直接供應電(diàn)廠。但現有(yǒu)原煤篩分(fēn)技(jì )術的分(fēn)離粒度隻能(néng)達到13mm，如采用(yòng)篩選和洗選聯合加工(gōng)工(gōng)藝，即篩選出-6mm細粒級煤直接供應電(diàn)廠等用(yòng)戶，粗粒級煤炭進一步洗選加工(gōng)，可(kě)提高精(jīng)煤産(chǎn)率約8%。因此，如采用(yòng)-6mm原煤深度篩分(fēn)技(jì )術，每噸煤可(kě)增加利潤約8元，全國(guó)每年可(kě)新(xīn)增利潤130億元以上。原煤篩分(fēn)不僅能(néng)降低選煤生産(chǎn)成本、優化煤炭産(chǎn)品結構、提高經濟效益，而且能(néng)節約能(néng)源，節約運力，減少大氣污染。

　　由于原煤綜采等現代化采煤技(jì )術的采用(yòng)，入篩原煤細粒含量增大，加之井下防塵噴水、煤層滲水以及管理(lǐ)等方面原因，使入篩原煤水分(fēn)增高(外在水分(fēn)大于7%)，導緻潮濕煤炭幹法深度篩分(fēn)(6mm以下)時堵孔嚴重，篩分(fēn)難以進行。潮濕煤炭幹法深度篩分(fēn)是我國(guó)煤炭生産(chǎn)中(zhōng)迫切需要解決的關鍵技(jì )術，是世界性難題。

　　針對普通振動篩隻能(néng)解決25mm原煤篩分(fēn)局限，國(guó)内外在潮濕煤炭幹法深度篩分(fēn)技(jì )術上進行了深入的研究，開發了潮濕細粒煤炭篩分(fēn)機，主要有(yǒu)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(fēn)原理(lǐ)，發展了大篩孔、大傾角的概率篩;Burstlein提出了等厚篩分(fēn)原理(lǐ)，研制的等厚篩實現了原煤的薄層篩分(fēn)，概率篩和等厚篩都有(yǒu)助于克服篩孔堵塞，有(yǒu)效地解決了13mm原煤篩分(fēn)問題，但對潮濕煤炭6mm篩分(fēn)時作(zuò)用(yòng)有(yǒu)限，堵孔依然嚴重，篩分(fēn)效率低下;螺旋篩篩分(fēn)效率低;弛張篩雖能(néng)有(yǒu)效地進行6mm篩分(fēn)，但結構複雜、材質(zhì)昂貴、制造成本高，沒能(néng)在我國(guó)推廣應用(yòng);琴弦篩的技(jì )術關鍵是篩絲與篩分(fēn)機的匹配設計，但由于缺乏彈性篩面動力學(xué)模型和優化設計公(gōng)式，實際應用(yòng)中(zhōng)篩絲振幅小(xiǎo)，沒能(néng)發揮其技(jì )術優勢，堵孔仍然嚴重。

　　傳統的篩分(fēn)機不能(néng)進行6mm以下潮濕煤炭有(yǒu)效篩分(fēn)，必須研究新(xīn)的篩分(fēn)理(lǐ)論，開發新(xīn)型篩分(fēn)設備，解決我國(guó)潮濕煤炭的深度篩分(fēn)問題。因此有(yǒu)必要系統地研究和總結物(wù)料粘附模型、篩面動态特性和對透篩的影響，建立彈性篩面設計計算公(gōng)式。

　　二、潮濕細料物(wù)料篩分(fēn)的基本理(lǐ)論研究

　　利用(yòng)表面物(wù)理(lǐ)化學(xué)理(lǐ)論研究潮濕細粒煤炭在外在水分(fēn)和表面張力作(zuò)用(yòng)下的團聚過程、堵孔機理(lǐ)及其與篩分(fēn)機運動參數之間的關系。發現細顆粒煤炭在篩分(fēn)過程不斷團聚、形成覆蓋膜堵孔;為(wèi)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(yòng)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式的正确性，給出了覆蓋膜斷裂判據，指出促使覆蓋膜斷裂可(kě)通過兩條途徑達到：一是直接采用(yòng)大振幅、大振動強度篩分(fēn)工(gōng)藝來強化覆蓋膜斷裂，二是使覆蓋膜達到共振而斷裂。激發覆蓋膜共振是使覆蓋膜斷裂經濟有(yǒu)效的辦(bàn)法，一種簡單的方法是直接将篩分(fēn)機的工(gōng)作(zuò)轉速設計為(wèi)覆蓋膜的基頻，從而實現潮濕煤炭深度篩分(fēn)大振幅、大振動強度的篩分(fēn)工(gōng)藝。但理(lǐ)論計算和實驗結果表明，覆蓋膜的基頻與篩分(fēn)機入料的物(wù)理(lǐ)和化學(xué)性質(zhì)有(yǒu)關，如煤種、水分(fēn)、灰分(fēn)、粒度分(fēn)布等，即使将同一礦區(qū)煤炭在同一台篩分(fēn)機上進行篩分(fēn)，不同篩孔上所形成的覆蓋膜基頻也可(kě)能(néng)存在很(hěn)大差異。傳統的篩分(fēn)機隻能(néng)以單一頻率作(zuò)用(yòng)于覆蓋膜，難以克服整個篩面的堵孔，因此必須尋找多(duō)頻成分(fēn)的振蕩篩面。為(wèi)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(wèi)研究方便，我們将覆蓋膜的振動分(fēn)為(wèi)随篩分(fēn)機的剛性振動和自身彈性振動兩種且互不耦合。其運動方程為(wèi)：

　　圖1 覆蓋膜粘附力學(xué)模型

　　ρ2Zt2=T(2Zχ2+2Zy2)+pAω2(1)其中(zhōng)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(wèi)：

　　Z=PAω2ω1，12-ω2sinπχαsinπybsinωt(2)

　　覆蓋膜的破壞是用(yòng)其變形量大小(xiǎo)來衡量的。當變形量大于一定值時，覆蓋膜斷裂。我們從實驗中(zhōng)發現，覆蓋膜頻率較低。如表1所所示。覆蓋膜基頻與篩分(fēn)機頻率ω相比很(hěn)小(xiǎo)。因此一階振幅(由(2)式可(kě)知)近似為(wèi)-ρA;要破壞覆蓋膜可(kě)使ω1.1=ω或增大振幅A，使覆蓋膜的伸長(cháng)長(cháng)度達到破裂。

　　表1各種篩孔尺寸下的覆蓋膜基頻

　　三、彈性篩面篩分(fēn)機的設計方法

　　為(wèi)了克服堵孔問題，在設計上方面可(kě)使篩面産(chǎn)生大振幅，但必須保證篩分(fēn)機的可(kě)靠性，所以要采用(yòng)了彈性材料作(zuò)篩面，如琴弦、聚氨脂、橡膠、懸臂梁結構等。在此我們給出它們的彈性動力力模型及篩面參數設計公(gōng)式。

　　1.琴弦篩面動力學(xué)模型及參數設計公(gōng)式

　　琴弦篩篩分(fēn)潮濕細料物(wù)料時能(néng)有(yǒu)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(fēn)過程中(zhōng)能(néng)産(chǎn)生彈性振動，則有(yǒu)效地阻止了堵孔。彈性振動振幅如能(néng)增大則能(néng)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(wèi)：圖2琴弦篩篩面動力學(xué)模型

　　其中(zhōng)T0為(wèi)張緊力，ρ為(wèi)篩絲密度，S為(wèi)篩絲截面積，mm為(wèi)篩絲粘附的物(wù)料質(zhì)量，A為(wèi)篩分(fēn)機的振幅，ω是其工(gōng)作(zuò)的圓頻率，篩絲的一階彈性振動的解為(wèi)：

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

　　因工(gōng)作(zuò)圓頻率ω由篩分(fēn)工(gōng)藝條件決定的，不可(kě)随意變動。如要求增大振幅可(kě)使ω1=ω，即産(chǎn)生共振以達到增大篩絲彈性振動振幅的目的，由ω1=ω及ω1的表達式，可(kě)在篩面進行安(ān)裝(zhuāng)時适當張緊，優張緊力的公(gōng)式為(wèi)〔5〕〔6〕：

　　λn=0.8～1.2

　　ω=λnπlT0ρs+mm

　　其中(zhōng)l為(wèi)篩絲長(cháng)度，按上述張緊力公(gōng)式設計的琴弦概率篩在工(gōng)業生産(chǎn)過程中(zhōng)取得應用(yòng)。應用(yòng)表明取得了良好的篩分(fēn)效果。且具(jù)有(yǒu)功耗小(xiǎo)、動應力低、可(kě)靠性高優點。

　　2.聚氯脂、橡膠篩面動力學(xué)模型及克服堵孔的機理(lǐ)

　　将橡膠、聚氨脂彈性篩面改裝(zhuāng)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(wèi)：

　　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(zhōng)E為(wèi)篩面彈性模量，h為(wèi)篩面厚度，μ為(wèi)泊松比，ρA為(wèi)篩面單位面積的質(zhì)量，ρm為(wèi)粘附到篩面上物(wù)料的單位面積的質(zhì)量，q為(wèi)激振力，q=ρAZ+Fm，Fm為(wèi)物(wù)料非線(xiàn)性沖擊力。△為(wèi)哈密頓算子。為(wèi)方便起見，隻考慮物(wù)料附着在篩面上一起振動的一種狀态。篩面的一階彈性振動解為(wèi)：

　　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(kě)知，振動篩篩面在振動過程中(zhōng)，彈性篩面自身也在作(zuò)彈性振動，這樣就有(yǒu)效地增大了篩孔覆蓋膜的長(cháng)度，促使覆蓋膜斷裂，保持開孔狀态，提高篩分(fēn)效率。同時對難篩分(fēn)顆料落入篩孔而言，由于篩孔反複變形，搓揉難篩顆料，使得其上的細小(xiǎo)顆料透篩，同時将大顆粒擠出篩孔，減輕了堵孔。式(6)為(wèi)篩面參數設計公(gōng)式。3.梯流篩篩面動力學(xué)模型及參數設計公(gōng)式〔8，9〕梯流篩篩面是由一根根可(kě)視為(wèi)懸臂梁的篩條組成，由于篩振動引起懸臂梁産(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(néng)有(yǒu)效地減輕堵孔，因此在沒計中(zhōng)就盡量增大其彈性振動。其動力學(xué)模型、結構簡圖及運動方程式如下：

　　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(wèi)：

　　y(l，t)=(Fl48EI)(sinωt-ωω1sinω1t)(8)

　　ω1=(1.875)2EIρ1l4

　　其中(zhōng)标a=EI/ρ，F=ρAω2，ρ為(wèi)篩條單位長(cháng)度的量，E為(wèi)彈性模量，I為(wèi)篩條的慣性矩，A為(wèi)篩分(fēn)機的振幅，ω為(wèi)篩分(fēn)機的工(gōng)作(zuò)圓頻率，ω1為(wèi)篩條彈性振動的固有(yǒu)頻率。為(wèi)了增大篩分(fēn)機工(gōng)作(zuò)過程中(zhōng)篩條振幅，将篩分(fēn)機工(gōng)作(zuò)圓頻率設計為(wèi)ω1，即ω=ω1。按中(zhōng)等載荷篩分(fēn)條件下直徑為(wèi)4mm計，篩分(fēn)機工(gōng)作(zuò)轉速在此87.73-15.13rad/s時，篩條長(cháng)度應為(wèi)(200-155)mm，這正是現在梯流篩的篩條設計參數。

　　4.彈性杆篩設計思路

　　通過對彈性篩面動力學(xué)的進一步分(fēn)析，提出彈性碰撞多(duō)頻振蕩篩面，設計出彈性杆篩。彈性杆篩的篩杆在篩闆框架孔中(zhōng)屬于自由梁狀态，篩杆在篩分(fēn)機激勵力作(zuò)用(yòng)下做高強度複雜運動，這種運動除随篩體(tǐ)主振頻率振動外，還包括附加篩杆與框架壁發生的彈性碰撞振動和自身旋轉運動，篩杆與框架壁發生的彈性碰撞可(kě)用(yòng)δ(t)函數描述，其頻譜連續布滿整個實數域。這種連續頻率成分(fēn)的振動波，其中(zhōng)必有(yǒu)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，同時彈性杆篩面的高強度複雜運動合成增強了物(wù)料松散，大大增強了篩面自清理(lǐ)能(néng)力，克服了篩面堵孔，提高了篩分(fēn)效率和處理(lǐ)量。彈性杆篩面為(wèi)框架式結構，使用(yòng)壽命長(cháng)，篩杆更換方便，篩框可(kě)重複使用(yòng)，大大降低了設備維護工(gōng)作(zuò)量和運行成本。中(zhōng)國(guó)礦業大學(xué)研制的彈性杆篩，它的篩面是由剛性杆插具(jù)有(yǒu)裝(zhuāng)入孔的模塊篩面，如圖5所示。

　　圖5彈性杆篩面組成示意圖

　　四、彈性篩面篩分(fēn)機的主要技(jì )術規格

　　中(zhōng)國(guó)礦業大學(xué)生産(chǎn)的具(jù)有(yǒu)自主知識産(chǎn)權的潮濕細粒煤炭篩分(fēn)機主要技(jì )術規格如下：

　　五、應用(yòng)情況

　　1998年，淮北礦業集團張莊矸石熱電(diàn)廠使用(yòng)2STKB1540型多(duō)自由度彈性振動篩，代替原設計的2SJ2-1.486×50型節肢振動篩。2STKB1540型多(duō)自由度彈性振動篩利用(yòng)彈性杆在多(duō)自由度空間内的碰撞振蕩效應，能(néng)達到自清洗的目的，從而有(yǒu)效地消除了篩面上的物(wù)料粘結。近幾年來的運行實踐表明使用(yòng)的2STKB1540型振動篩，不但能(néng)保證電(diàn)廠正常生産(chǎn)運行，而且具(jù)有(yǒu)明顯的經濟效益和社會效益。

　　多(duō)自由度彈性碰撞杆篩闆在陳四樓礦選煤廠近幾年的生産(chǎn)實踐表明：這種篩闆由于能(néng)多(duō)自由度運動，使篩闆具(jù)有(yǒu)自清理(lǐ)功能(néng)，煤粒不易粘到篩闆上，既提高了深度篩分(fēn)的篩分(fēn)效率，又(yòu)減輕了工(gōng)人勞動強度。篩闆(彈性杆)壽命在4個月以上，并且更換彈性杆篩絲非常方便，解決了深度篩分(fēn)的難題。

　　QGS琴弦概率篩1995年在鄭州煤電(diàn)集團蘆溝煤礦使用(yòng)，年篩選原煤45萬，選出-6mm粉煤27萬噸，灰分(fēn)降低至16%以下，産(chǎn)品直接供應電(diàn)廠等用(yòng)戶，解決了長(cháng)期困擾鄭州礦區(qū)煤炭加工(gōng)上的技(jì )術難題，年直接經濟效益125.09萬元。

　　中(zhōng)國(guó)礦業大學(xué)研制的新(xīn)型系列彈性篩面篩分(fēn)機，獲8項國(guó)家**，在全國(guó)煤炭、電(diàn)力、化工(gōng)等領域95家企業應用(yòng)167台，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

　　六、結論

　　本文(wén)建立了潮濕細粒煤炭粘附堵孔力學(xué)模型、彈性篩面力學(xué)模型以及物(wù)料非線(xiàn)性運動理(lǐ)論，創立了潮濕細粒煤炭深度篩分(fēn)技(jì )術體(tǐ)系，開發出系列潮濕細粒煤炭篩分(fēn)設備，解決了潮濕煤炭深度篩分(fēn)堵孔的世界性難題。

　　(1)建立了潮濕細粒煤炭的粘附模型，給出了堵孔覆蓋膜彈性振動方程、基頻表達式及斷裂判據，提出了實現大振幅、大振動強度篩分(fēn)工(gōng)藝的有(yǒu)效途徑。

　　(2)研究了顆粒在大振幅、大振動強度下的非線(xiàn)性運動規律，發現顆粒在篩面上運動存在周期分(fēn)叉、倍周期分(fēn)叉、混沌運動規律，給出顆粒出現混沌運動的振動強度判據：提出了觸網概率的概念，建立了粒群随機透篩的仿真模型，創立了粒群透篩理(lǐ)論，給出了彈性篩面篩分(fēn)機工(gōng)藝參數優化的理(lǐ)論依據。

　　(3)基于篩面剛性與彈性耦合振動研究其振動規律，提出了彈性篩面篩分(fēn)機動力學(xué)模型和優化設計公(gōng)式，建立了潮濕細粒煤炭彈性篩面篩分(fēn)機的彈性動态設計方法。

　　(4)創立了潮濕細粒煤炭深度篩分(fēn)技(jì )術體(tǐ)系，開發出系列彈性篩面篩分(fēn)機，它們具(jù)有(yǒu)篩面振動強度大、自清洗能(néng)力強、不堵孔、篩分(fēn)機整體(tǐ)動應力低、可(kě)靠性和篩分(fēn)效率高等優點。本文(wén)感謝(xiè)國(guó)家自然科(kē)學(xué)基金重點項目(90210035)和國(guó)家傑出青年科(kē)學(xué)基金項目(50025411)的财政支持。

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