朱華炳, 湯 晨, 唐陳樂, 陳 東, 柏宇軒, 畢海軍

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

因為大量廢舊磷酸鐵鋰動力電池報廢期的到來,所以其資源化回收越來越受到重視。目前對廢舊動力電池回收方法主要分為干法回收、濕法回收及聯(lián)合法回收。這3種方法均會對環(huán)境造成一定程度的污染且能耗較大[1]。因此,需要尋求出一種成本低、環(huán)境污染小的回收方式。本文采取機械回收方式,首先對磷酸鐵鋰電池物理放電處理后進行拆解去芯,取出內(nèi)芯后分離正、負極片,對負極片加熱處理后進行破碎處理;然后采用旋振篩分的方式,將負極片的銅和碳粉分離,并對其回收。

篩分作業(yè)在化工、冶金、礦業(yè)、醫(yī)藥領(lǐng)域中得到廣泛應用,是目前物料粒度分級中最廣泛有效的方法,它是通過單層或者多層的篩孔,將松散的混合物料分成若干種不同粒度級產(chǎn)品。本文采用旋振篩進行篩分,使得物料顆粒始終處于翻滾的運動狀態(tài),更加松散,易于顆粒分層和分離,并且篩分效率也高于其他振動篩。

目前國內(nèi)外很多學者都用篩分效率評價篩分物料的分離程度,因此提高篩分效率一直是提高旋振篩性能的核心目標之一[2-5]。本文為了提高廢舊動力電池破碎產(chǎn)物回收的效率,利用EDEM軟件對旋振篩分過程進行仿真分析,采用正交仿真實驗探究振動頻率、料層厚度、偏心塊夾角對篩分效率的影響,并且通過旋振篩分試驗對仿真結(jié)果進行驗證,最后證實了EDEM軟件仿真模擬的可行性與有效性。

1 篩分效率的計算

本文在進行篩分效率求解的過程中,采用目前廣泛使用的量效率公式和漢考克效率。在仿真和實驗的過程中,選定篩孔孔徑為規(guī)定粒度,采用量效率公式,即不考慮粒度大于篩孔孔徑的物料透篩情況[6]。

篩分效率是指實際進入篩下產(chǎn)物的質(zhì)量與整個物料中所含篩下物的質(zhì)量的比值,即

(1)

其中:η為篩分效率;mscr為篩下產(chǎn)品的含量;min為篩分機下料量;α為整個物料中小于篩孔孔徑的顆粒含量。由平衡關(guān)系可得:

min=mscr+mres,

整理得:

(2)

將(1)式代入(2)式,可得:

(3)

其中:θ為篩上物中小于篩孔孔徑的顆粒含量;mres為篩上物的質(zhì)量。

2 仿真模擬

2.1 仿真參數(shù)的選擇

本文仿真的對象是廢舊磷酸鐵鋰電池負極片破碎后的銅箔和碳粉。根據(jù)文獻[7]的研究,顆粒形狀對篩分振動參數(shù)與篩分效果的影響并不顯著；同時,選擇形狀不規(guī)則的入料顆粒,對計算機軟硬件要求較高,并且耗時較大。因此本文采用球形顆粒作為物料顆粒的模型,不僅可以簡化仿真,而且可以指導實際篩分過程,不會對篩分結(jié)果產(chǎn)生大的影響。查閱資料得到銅、碳和篩面(結(jié)構(gòu)鋼)的物理參數(shù)及材料間接觸參數(shù)設(shè)置，具體見表1、表2所列。

設(shè)置篩面直徑為200 mm,篩孔直徑為2 mm,因為破碎后銅的延展性較好,所以顆粒材料為碳的顆粒設(shè)置直徑為1 mm,顆粒材料為銅的顆粒設(shè)置直徑為3 mm。破碎后的產(chǎn)物具有不均勻性,顆粒粒度大小不一,因此在顆粒工廠中以正態(tài)分布的形式產(chǎn)生顆粒,進一步滿足實際情況。在旋振篩的正上方建立虛擬平面作為顆粒工廠,由于顆粒產(chǎn)生至落到篩面上需要時間,設(shè)置顆粒下降速度為0.2 m/s,顆粒在篩面振動前全部下落到篩面上。設(shè)置顆粒工廠產(chǎn)生顆粒的速率為104個/s,仿真總時長為6 s。EDEM軟件中無法改變模型的位置,為了讓仿真能夠更加滿足實際情況,在SolidWorks中建立模型時,根據(jù)偏心塊夾角的不同,需要讓篩面的X軸正方向與水平面成一定角度,并且篩面質(zhì)心要與SolidWorks坐標原點成一定距離而建立。因此不同的偏心塊夾角仿真所用到的模型不同,需要分別在SolidWorks中建立模型,保存為STEP格式導入EDEM軟件中。振動頻率和物料厚度的調(diào)整可以通過軟件內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置來完成。

2.2 模態(tài)分析

2.2.1 旋振篩模型簡化與建立

旋振篩主要由上篩體、篩網(wǎng)、下篩體、彈簧、偏心重錘、底座、電機組成,如圖1所示。由于完整的三維模型較為復雜,在對整體分析影響不大且大大提高計算機運行效率的情況下,對模型進行如下簡化:① 略去不影響強度的非承載件和不參與直接作業(yè)的零件;② 忽略影響不大的工藝孔、螺栓安裝孔等,避免小零件的存在對計算機的軟硬件提出較高的要求[8]。

圖1 旋振篩三維模型

2.2.2 旋振篩有限元模型

在SolidWorks中建立旋振篩的三維模型,以x-t格式導入ANSYS Workbench軟件中進行有限元分析。旋振篩材料選擇結(jié)構(gòu)鋼,密度設(shè)置為7 850 kg/m3,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3。采用實體單元對旋振篩進行網(wǎng)格劃分,如圖2所示,旋振篩生成193 172個單元,得到427 379個節(jié)點,根據(jù)旋振篩實際的運動狀態(tài),采用固定約束模態(tài),設(shè)置簡化后的旋振篩的底面作為固定面進行分析求解。

圖2 旋振篩有限元模型

2.2.3 旋振篩模態(tài)分析

在機器工作過程中,當其工作頻率與旋振篩結(jié)構(gòu)固有頻率相同或者相似的時候,旋振篩就會發(fā)生共振,應力值和相對振動幅值會大大增加,極有可能遭到局部疲勞破碎,這是應該避免的[9]。本文對旋振篩進行模態(tài)分析,找出旋振篩的模態(tài)頻率,在仿真中選取合適的振動頻率,探究振動頻率對旋振篩篩分效率的影響,得到旋振篩前4階模態(tài)頻率為65.97、84.33、136.13、137.66 Hz,振型圖如圖3所示。

圖3 模態(tài)振型圖

從圖3可以看出,隨著振型階數(shù)的增加,旋振篩模態(tài)頻率逐漸增加,最低階頻率為65.967 Hz,最高頻率為137.66 Hz。在一階、三階、四階模態(tài)振型,篩體不會發(fā)生變形,在二階模態(tài)振型上篩體的頂端會發(fā)生一定的變形,對實際篩分影響沒那么大,而在一至四階模態(tài)振型中,篩網(wǎng)都會發(fā)生變形,由此可以看出篩網(wǎng)對避免共振帶來的影響更為重要,需要選取合適的篩網(wǎng)材料減小篩網(wǎng)的變形。同時為了使篩分效果更好,優(yōu)先需要選取遠離最低階頻率65.967 Hz的振動頻率,本文暫時選取16、20、24 Hz作為仿真實驗旋振篩的振動頻率。

2.3 仿真過程及結(jié)果分析

2.3.1 單因素變量法

在旋振篩篩分作業(yè)的過程中,影響篩分效率主要有振動頻率、物料厚度和偏心塊夾角3個因素。為了探究這3個因素對篩分效率的影響,本文針對振動頻率、物料厚度和偏心塊夾角3個因素進行仿真實驗。通過改變1個因素的參數(shù),保持另外2個因素參數(shù)不變的控制變量法,對3個因素進行仿真。

(1) 振動頻率對篩分效率的影響。振動頻率取8、12、16、20、24 Hz 5組參數(shù),物料厚度取7 mm,偏心塊夾角取0°,對振動頻率進行5組仿真,并通過MATLAB軟件繪制出篩分效率隨著振動頻率變化的折線圖,如圖4a所示。

(2) 物料厚度對篩分效率的影響。物料厚度取5、6、7、9、11 mm 5組參數(shù),振動頻率取12 Hz,偏心塊夾角取0°,對物料厚度進行5組仿真,并通過MATLAB軟件繪制出篩分效率隨著物料厚度變化的折線圖,如圖4b所示。

(3) 偏心塊夾角對篩分效率的影響。偏心塊夾角取0°、30°、45°、60°、90° 5組參數(shù),振動頻率取12 Hz,物料厚度取7 mm,對偏心塊夾角進行5組仿真,并通過MATLAB軟件繪制出篩分效率隨著偏心塊夾角變化的折線圖,如圖4c所示。

圖4 不同因素對篩分效率的影響

從圖4可以看出:隨著振動頻率的增加,篩分效率先提高后降低;隨著物料厚度的增加,篩分效率先提高后降低;隨著偏心塊夾角的增加,篩分效率先提高后降低。

2.3.2 正交實驗

采用單因素變換法可以得到某個因素對篩分效率的影響,但無法得到各個因素對篩分效率的影響程度。因此采用正交實驗的方法,選擇9-3-3正交實驗表進行仿真,因素水平見表3所列。

表3 因素水平

實驗分為9組,每組按照不同的參數(shù)設(shè)置分別進行仿真,建立一個Grid Bin Group的模塊,如圖5所示,實時記錄在此空間范圍的碳粒質(zhì)量,仿真結(jié)束后,計算對應的篩分效率。

圖5 仿真模擬過程

2.3.3 正交實驗分析過程

正交實驗結(jié)果見表4所列。

觀察9組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),實驗1的篩分效率最高,而實驗7的篩分效率最低。為了從實驗數(shù)據(jù)中得到各因素對篩分效率的影響程度,使用正交助手軟件對仿真得到的9組數(shù)據(jù)進行極差分析,結(jié)果見表5所列。

表4 正交實驗結(jié)果

表5 極差分析結(jié)果

從振動頻率、物料厚度和偏心塊夾角3個因素的極差分析結(jié)果可以看出,振動頻率的極差最大,這表明振動頻率對于振動篩分的影響最大,物料厚度次之,而偏心塊夾角對于振動篩分的影響最小。

3 試驗驗證

試驗原料采用實驗室破碎機對磷酸鐵鋰電池負極片破碎后的產(chǎn)物,采用實驗室頻率為12 Hz的小型旋振篩,偏心塊夾角為0°,用精密電子天平稱取仿真中5、6、7、9、11 mm對應的物料質(zhì)量,放入旋振篩中進行振動篩分,試驗結(jié)束后,再稱量篩下物的質(zhì)量,實驗過程如圖6所示，并計算出篩分效率,結(jié)果見表6所列。

將篩分效率繪制成折線圖,如圖7所示。從圖7可以看出,隨著物料厚度的增加,實驗得到的數(shù)據(jù)和仿真得到的數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這是由于物料厚度過大,顆粒間不易松散,容易堵塞篩孔,導致篩分效率降低。

從表6和圖7可以看出,由于實驗中的誤差,實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)有所差異,但是差異都在5%以內(nèi),并且整體趨勢相同。因此,用EDEM軟件對旋振篩分進行仿真模擬是可行的。

圖6 實驗過程

表6 仿真與實驗數(shù)據(jù)對比

圖7 仿真與實驗結(jié)果對比

4 結(jié) 論

(1) 振動頻率決定著物料顆粒在篩分過程中的跳動頻率和與篩面碰撞的次數(shù)。振動頻率較低或者較高都會導致篩分效率低。因此需要選擇合適的振動頻率來獲得更好的篩分效果。

(2) 隨著物料厚度的增大,篩分效率會有所提高;但隨著物料厚度繼續(xù)增加,顆粒間不易松散,容易堵塞篩孔,篩分效率降低。因此選擇合適的物料厚度對于獲得最高篩分效率也有很大的影響。

(3) 偏心塊夾角是上下偏心塊的空間相位角,偏心塊夾角不同,會產(chǎn)生不同的激振力,在0°～45°之間,篩分效率隨著偏心塊夾角的增大而提高;在45°～90°之間,篩分效率隨著偏心塊夾角的增加而降低。

(4) 結(jié)合EDEM仿真結(jié)果和正交實驗分析得知,3個影響因素中振動頻率的影響是最大的,其次是物料厚度,而偏心塊夾角影響最小。這為旋振篩的優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

(5) 仿真模擬與試驗所得到的篩分效率隨物料厚度變化圖基本一致,這表明了利用EDEM軟件進行仿真模擬的可行性和有效性。