王旭哲,呂春曉,吳萬昌

(1.唐山神州機(jī)械有限公司，河北 唐山 063302；2.河北省煤炭干法加工裝備工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063302；3.化工部長沙設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410000)

復(fù)合式干選機(jī)床面顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

王旭哲1,2,呂春曉1,2,吳萬昌3

(1.唐山神州機(jī)械有限公司，河北 唐山 063302；2.河北省煤炭干法加工裝備工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063302；3.化工部長沙設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410000)

為了解復(fù)合式干選機(jī)分選過程中床面顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在對FGX-1型復(fù)合式干選機(jī)床面顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡分析的基礎(chǔ)上，研究精煤顆粒、矸石顆粒的位移擬合曲線，并建立位移擬合曲線方程和與其對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。床面顆粒的位移擬合曲線方程和相關(guān)數(shù)學(xué)模型的建立，為復(fù)合式干選機(jī)性能的提升提供一定理論支持。

復(fù)合式干選機(jī)；高速動(dòng)態(tài)在線分析系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；數(shù)學(xué)模型

煤炭是我國的主要能源，在未來相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)狀況不會發(fā)生變化[1-3]。我國能源的利用率僅為30%左右，與世界上發(fā)達(dá)國家高達(dá)50%以上的利用率相差甚遠(yuǎn)[3-7]。我國煤炭資源的加工與綜合利用程度偏低，導(dǎo)致資源浪費(fèi)嚴(yán)重，環(huán)境污染問題突出。洗選加工是提高煤炭資源利用率的有效途徑，由于干法選煤技術(shù)原理先進(jìn)，能對干旱缺水地區(qū)的煤炭進(jìn)行有效分選，基于該技術(shù)的復(fù)合式干選機(jī)目前已在干法選煤領(lǐng)域占據(jù)主要地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該分選機(jī)目前占據(jù)干法選煤市場份額的95%[8-10]。

復(fù)合式干選機(jī)的分選效果直接取決于分選機(jī)床面物料的分布狀態(tài)，而物料的分布狀態(tài)與顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有很大關(guān)系。因此研究床面顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即精煤顆粒和矸石顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、速度、加速度，對于分選機(jī)的性能提升具有重要意義。通過高速動(dòng)態(tài)在線分析系統(tǒng)對FGX-1型復(fù)合式干選機(jī)床面顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究，并建立顆粒的位移擬合曲線方程和與其對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為復(fù)合式干選機(jī)的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)為高速動(dòng)態(tài)在線分析系統(tǒng)(圖1)，由FGX-1型復(fù)合式干選機(jī)、Memrecam Ci3高速攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)、J-PAD遙控器、JAZ可移動(dòng)硬盤、大功率光源組成。由于高速攝像機(jī)鏡頭范圍和拍攝時(shí)間的限制，試驗(yàn)過程中不能對床面顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡完全跟蹤，但捕捉到的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡足以說明其運(yùn)動(dòng)特性。

1—FGX-1型復(fù)合式干選機(jī)；2—Memrecam Ci3高速攝像機(jī)；3—計(jì)算機(jī)；4—J—PAD遙控器；5—JAZ可移動(dòng)硬盤；6—大功率光源

2 坐標(biāo)系的建立

顆粒在復(fù)合式干選機(jī)中分選時(shí)受重力、激振力、風(fēng)力、床層作用力等的綜合作用，為更好地了解顆粒運(yùn)動(dòng)狀況，對復(fù)合式干選機(jī)中的顆粒受力進(jìn)行分析，并建立相應(yīng)的坐標(biāo)系(圖2)。坐標(biāo)原點(diǎn)為床面入料端與排料擋板的交點(diǎn)，排料擋板至背板的坐標(biāo)軸為X軸，垂直于分選機(jī)床面的坐標(biāo)軸為Y軸，入料端至矸石端的坐標(biāo)軸為Z軸。其中，XOY面為分選機(jī)床面的橫斷面，YOZ面為分選機(jī)床面的縱斷面。

圖2 復(fù)合式干選機(jī)床面顆粒受力力場及其坐標(biāo)系

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

拍攝過程中將高速動(dòng)態(tài)圖像的拍攝速度設(shè)定為100幅/s，因此每兩幅連續(xù)圖像的間隔拍攝時(shí)間為0.01 s，0～7 s內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。由圖3可知：物料運(yùn)動(dòng)過程，矸石顆粒逐漸向背板和排矸端運(yùn)動(dòng)，精煤顆粒逐漸向排料擋板運(yùn)動(dòng)。

圖3 不同時(shí)間時(shí)床面顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

3.1 顆粒位移擬合曲線

在對高速動(dòng)態(tài)系統(tǒng)拍攝到的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡取點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，采用Origin軟件繪制出精煤顆粒、矸石顆粒各自的位移曲線。由于拍攝過程中選用的精煤顆粒、矸石顆粒的粒徑較大，給選點(diǎn)分析等工作帶來了較大困難，由此造成的誤差不可避免。在研究復(fù)合式干選機(jī)床面顆粒運(yùn)動(dòng)過程中，關(guān)注的是矸石顆粒向排矸端和精煤顆粒向排料擋板的運(yùn)動(dòng)，因此需要分析精煤顆粒沿X軸的位移和矸石顆粒沿Z軸的位移。矸石顆粒、精煤顆粒的位移擬合曲線如圖4所示。

圖4 床面顆粒位移擬合曲線

3.2 精煤顆粒位移擬合曲線方程

精煤顆粒沿X軸的位移擬合曲線方程為：

S=a+b1t+b2t2+b3t3，

式中：S為精煤顆粒沿X軸的位移，mm；a、b1、b2、b3為方程的系數(shù)；t為精煤顆粒的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

將運(yùn)動(dòng)時(shí)間帶入方程后，可得到a=-0.788、b1=-50.715、b2=7.795、b3=-0.597，整理后的精煤顆粒沿X軸的位移擬合曲線方程為：

S=-0.788-50.175t+7.795t2-0.597t3。

(1)

經(jīng)計(jì)算，精煤顆粒沿X軸的位移擬合曲線方程的決定系數(shù)R2=0.983 9，非常接近于1，因此該擬合結(jié)果有效。

對精煤顆粒位移擬合曲線方程求一階導(dǎo)數(shù)，可計(jì)算出精煤顆粒不同時(shí)間的速度方程：

(2)

式中：VS(t)為t時(shí)精煤顆粒沿X軸的速度，mm/s。

對精煤顆粒的速度方程求一階導(dǎo)數(shù)，可計(jì)算出精煤顆粒不同時(shí)間的加速度方程：

(3)

式中：aS(t)為t時(shí)精煤顆粒的加速度，mm/s2。

由式(1-3)可知，精煤顆粒沿X軸的位移擬合曲線、速度、加速度與時(shí)間有很大關(guān)系。隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的延長，精煤顆粒的加速度逐漸減小，運(yùn)動(dòng)至某一時(shí)間點(diǎn)時(shí)，加速度方向相反且逐漸增大，精煤顆粒的速度不斷減小，直至為零。即運(yùn)動(dòng)至矸石段時(shí)精煤顆粒末速度為零，說明矸石段基本沒有精煤顆粒。

3.3 矸石顆粒位移擬合曲線方程

矸石顆粒沿Z軸的位移擬合曲線方程為：

S=a+b1t+b2t2+b3t3，

式中：S為矸石顆粒沿Z軸的位移，mm；a、b1、b2、b3為方程的系數(shù)；t為矸石顆粒的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

將運(yùn)動(dòng)時(shí)間帶入方程后，可得到a=-3.132、b1=92.97、b2=-10.255、b3=0.397，整理后的矸石顆粒沿Z軸的位移擬合曲線方程為：

S=-3.132+92.97t-10.255t2+0.397t3，

(4)

經(jīng)計(jì)算，該方程的決定系數(shù)R2=0.996 4，非常接近于1，說明擬合結(jié)果有效。

對矸石顆粒的位移擬合曲線方程求一階導(dǎo)數(shù)，可計(jì)算出其不同時(shí)間的速度方程：

(5)

式中：VS(t)為t時(shí)矸石顆粒沿Z軸的速度，mm/s。

對矸石顆粒的速度方程求一階導(dǎo)數(shù)，可計(jì)算出其不同時(shí)間的加速度方程：

(6)

式中：aS(t)為t時(shí)矸石顆粒的加速度，mm/s2。

由式(4-6)可知，矸石顆粒沿Z軸的位移擬合曲線、速度、加速度與時(shí)間有很大關(guān)系。隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的延長，矸石顆粒的加速度逐漸減小，某一時(shí)間點(diǎn)后加速度反向且增大，使矸石顆粒的末速度為零，說明精煤排料端基本沒有矸石顆粒。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)得出了復(fù)合式干選機(jī)床面顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，并對其進(jìn)行深入分析，為此類分選機(jī)的性能提升提供技術(shù)支持。由試驗(yàn)可得出如下結(jié)論：

(1)運(yùn)動(dòng)時(shí)間對顆粒的位移擬合曲線、速度、加速度有很大影響，隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的延長，顆粒的加速度不斷發(fā)生變化，某一時(shí)間點(diǎn)后其末速度為零，從而實(shí)現(xiàn)精煤顆粒、矸石顆粒的順利分離。

(2)顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)間與床面結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，優(yōu)化床面結(jié)構(gòu)參數(shù)即可有效控制其運(yùn)動(dòng)時(shí)間，進(jìn)而提高復(fù)合式干選機(jī)的分選效果。

[1] 鄭高飛，李善武，陳 東，等.對流干燥設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J]. 干燥技術(shù)與設(shè)備，2013(5).

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Morphological analysis of material movement on the bed of compound dry cleaning machine

WANG Xu-zhe1,2, LV Chun-xiao1,2,WU Wan-chang3

(1.Tangshan Shenzhou Machinery Co Ltd, Tangshan, Hebei 063302, China; 2. Dry Coal Washing Equipment Engineering & Technology Research Center in Hebei Province, Tangshan, Hebei 063302, China; 3. China Blue Star Changsha Design and Research Institute, Changsha, Hunan 410000, China)

To understand movement form of material on the bed of compound dry cleaning machine during separation, taking FGX-1 compound dry cleaning machine, matched displacement curves of particles of clean coal and refuse are studied by analysis of movement track of particles on the bed; and then matched displacement curves and corresponding mathematical model of particles on the bed are built, which can provide theoretical guidance to improve separation performance of the compound dry cleaning machine.

compound dry cleaning machine; high-speed dynamic online analysis system; motion state; mathematical model

1001-3571(2015)01-0017-03

TD942

A

2015-02-01

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.005

王旭哲(1983—)，男，黑龍江省黑河市人，助理工程師，從事選煤新產(chǎn)品的研發(fā)工作。

E-mail: 106311129@qq.com Tel: 18733387726