董 敏，王延遐，相 培，王 燕，周濱選

(1. 山東華宇工學(xué)院 能源與環(huán)境工程學(xué)院, 山東 德州 253000；2.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院,山東 淄博255049；3.山東大學(xué) 能源動力工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250061)

篩分是煤炭精加工的主要組成部分之一，通常對經(jīng)過篩分塔篩分后的塊煤要求比較嚴(yán)格，因此在篩分后煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)過程中需要做到防破碎最大化，由于煤炭本身的硬度較小而脆性較大，故在運(yùn)輸過程中極易產(chǎn)生破碎現(xiàn)象，造成大量煤塊的二次破碎[1-3]。目前采用的輸送方式為螺旋溜槽輸送，溜槽分為導(dǎo)入段、加速段和勻速段三段[4]，在工程現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，煤塊在溜槽的導(dǎo)入段進(jìn)入勻速段的過程中，漏料非常嚴(yán)重，造成了煤塊的大幅度破碎。而且煤塊在螺旋溜槽中由于重力的作用，會相互碰撞，產(chǎn)生破碎，勻速段又是其因受力而破碎的關(guān)鍵部位[5]。因此，本文針對溜槽漏料嚴(yán)重，以及煤塊在勻速段由于相互碰撞造成的破碎現(xiàn)象，進(jìn)行溜槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計改進(jìn)。

1 添加擋板

對螺旋溜槽的物料運(yùn)動情況進(jìn)行仿真模擬，原物理模型如圖1所示。按照處理量和顆粒粒徑要求，利用EDEM軟件對其進(jìn)行了計算。從圖2計算結(jié)果看到，在溜槽中的煤塊由加速段進(jìn)入勻速段的過程中，顆粒漏料情況比較嚴(yán)重，整個運(yùn)輸過程中，顆粒的最大速度達(dá)15 m/s，出口處速度為10 m/s左右。

圖1 原模型Fig. 1 The original model圖2 原模型漏料情況Fig. 2 Leakage of original model

針對溜槽中勻速段漏料比較嚴(yán)重的情況，本文對其模型進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后模型如圖3所示。在勻速段另一側(cè)添加擋板，以防止物料的散落，在邊界條件不變的情況下，對改進(jìn)后模型的物料運(yùn)動情況進(jìn)行計算，結(jié)果如圖4所示。從計算結(jié)果可看出，相比原模型，漏料情況明顯改善。

而對于改進(jìn)后的模型，添加的擋板是否會阻擋物料的運(yùn)動從而產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，也需進(jìn)行計算。經(jīng)計算可知，在相同處理量的情況下，未改變模型時處理物料需要的時間與改變后處理物料所需要的時間相同。所以證實(shí)，添加擋板后，物料運(yùn)動未產(chǎn)生明顯的阻塞現(xiàn)象。圖5是相同處理量、相同時間后，溜槽中剩余物料的情況。由圖5可知，兩種情況下，剩余物料的情況大體相同，即改進(jìn)后模型對物料的輸運(yùn)并未產(chǎn)生影響。

(a)原模型 (b)改進(jìn)后模型

2 添加緩沖槽

為保證顆粒最終的出口速度較緩慢，以減少破碎[3]，本文在改進(jìn)后模型的基礎(chǔ)上，添加了一段平緩的溜槽，以降低顆粒的運(yùn)動速度。從顆粒出口速度看，加入緩沖槽后，顆粒的出口速度降低，大約為6 m/s左右。而未加緩沖槽時的出口速度為7 m/s左右。圖6為兩種情況下，溜槽內(nèi)顆粒的平均速度隨時間的變化情況。由圖6可知，添加緩沖槽后，平均速度降低明顯。

圖6 速度變化情況

3 改進(jìn)勻速段

勻速段是煤塊因受力而破碎的關(guān)鍵段，本文對物料在勻速段的受力情況進(jìn)行理論分析，得到勻速段的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在沖擊粉碎過程中，煤塊顆粒破碎的主要原因是由沖擊作用產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力造成的，因此可以通過單顆粒之間的碰撞得到碰撞顆粒破碎的機(jī)理，并應(yīng)用斷裂力學(xué)理論推導(dǎo)出碰撞速度與破碎后顆粒粒徑之間的關(guān)系。下面對柱狀單顆粒材料沖擊破碎情況進(jìn)行研究。

根據(jù)沖擊運(yùn)動中連續(xù)波陣面上的守恒條件[6]，得到?jīng)_擊粉碎過程中顆粒應(yīng)力與速度的關(guān)系為

σ=v(ρ0c0)

(1)

式中：σ為顆粒間的作用應(yīng)力；ρ0c0為顆粒材料的阻抗;v為顆粒速度。

根據(jù)斷裂力學(xué)理論可知，二維I型裂紋尖端附近的應(yīng)力場，在裂紋擴(kuò)展方向上，正應(yīng)力取極大值σmax=KI/(2πr)1/2。

假設(shè)在柱狀顆粒的中心有圓盤形裂紋，則應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式為

(2)

其中，

(3)

式中：a為裂紋尺寸；b為柱狀顆粒直徑。

由裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展判據(jù)KI≥KIC得

(4)

式中，KIC為材料的斷裂韌性。

在顆粒材料裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展過程中，假設(shè)裂紋長度與粉碎后的顆粒粒徑d之間的關(guān)系為線性關(guān)系d=ka[4]，可得

(5)

式(5)為顆粒破碎后粒徑與顆粒碰撞速度之間的關(guān)系。下面以煤炭顆粒為例，已知顆粒破碎后粒徑，計算顆粒碰撞速度。k取5，KIC取石墨的斷裂韌性1.15×106，ρ0為1 500 kg/m3，c0取與石墨相同參數(shù)730 m/s，顆粒粒徑為160 mm，裂紋長度為2 mm。若要保證碰撞后的顆粒粒徑在90%之內(nèi)為不破碎，則可通過上式計算得到破碎臨界粒徑時的碰撞速度v≥5.5 m/s[7-8]。

所以，若要顆粒保持不被破碎，則顆粒碰撞速度必須控制在5.5 m/s之內(nèi)。物料在運(yùn)動過程中，有底板傾斜面方向運(yùn)動的趨勢，同時還受到沿徑向的離心力，勻速運(yùn)動時離心力與物料所受摩擦力平衡，可得以下公式[9]：

摩擦力：Ff=mgfcos2δ

離心力：F=mv2/R

則

R=v2/gfcos2δ

式中：δ為徑向傾角；f為摩擦因數(shù)。

螺旋圓柱半徑與物料運(yùn)動速度和徑向傾角有關(guān)，在速度一定時，直徑越大，徑向傾角越大。

對于螺旋角和徑向傾角，一般是根據(jù)煤質(zhì)情況進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)確定煤塊勻速下滑的螺旋角和徑向傾角。本文測得螺旋角為65°，徑向傾角為13°。入料煤塊最大粒度為200 mm，平均粒度為140 mm。溜槽各參數(shù)設(shè)計如下：

(1)螺旋圓柱的內(nèi)徑為d=12 600 mm。

(3)螺旋圓柱外半徑D=d+2b。

(4)徑向傾角δ=13°。

(5)螺距T=πDcot65°。

綜上，溜槽參數(shù)結(jié)果如下：δ=13°，β=65°，d=12 600 mm，b=1 167 mm，D=14 934 mm，T=21 866 mm。圖7為溜槽各結(jié)構(gòu)尺寸的示意圖。

圖7 溜槽結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

根據(jù)以上參數(shù)，對勻速段結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。利用EDEM軟件計算出改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的物料運(yùn)動情況。圖8和圖9為運(yùn)動過程中物料的運(yùn)動速度圖。

圖8 勻速段改進(jìn)后物料速度圖

圖9 勻速段改進(jìn)后物料平均運(yùn)動速度曲線

由圖8可知，除了側(cè)旁散落物料的速度達(dá)到8 m/s外，溜槽中的物料運(yùn)動速度大部分都在5.5 m/s之內(nèi)?？梢姼倪M(jìn)后溜槽內(nèi)物料的運(yùn)動速度有所降低，且在保證物料不破碎的極限速度之內(nèi)。圖9為10 s內(nèi)物料運(yùn)動的平均速度曲線，相比改進(jìn)之前，平均運(yùn)動速度降低了10%以上。

4 結(jié)論

本文主要針對螺旋溜槽在工程現(xiàn)場中漏料嚴(yán)重的情況，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)，通過理論分析確定了勻速段的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過EDEM軟件對改進(jìn)后的漏料情況以及物料破碎情況進(jìn)行了模擬，結(jié)論如下：

1)添加擋板后，物料輸送過程中漏料現(xiàn)象明顯改善，也并未出現(xiàn)堵塞情況。

2)在溜槽末端添加緩沖槽后，物料的平均輸送速度降低5%左右，從而降低了物料之間的碰撞破碎。

3)勻速段的結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，漏料現(xiàn)象并未增加，而且平均速度降低10%以上。