非均衡激振刚柔耦合弹性筛分机理与协同优化研究

摘要

选煤是煤炭清洁高效利用的源头技术，筛分作业是煤炭分选加工的关键环节。采用传统均衡激振等抛射强度刚性筛面振动筛进行粘湿动力煤3mm分级时，存在筛面堵孔、料群堆积、筛分效果差等问题，严重影响了煤炭的大规模提质加工，是迫切需要解决的关键技术。为此，本文提出将刚柔耦合弹性筛面结构与非均衡激振方式相结合，采用理论建模、振动测试、高速摄像测试、筛分试验相结合的研究手段，深入开展非均衡激振刚柔耦合弹性筛分机理与协同优化研究，揭示非均衡激振刚柔耦合弹性筛分机理，协同优化构建适于粘湿动力煤分级的非均衡激振刚柔耦合弹性筛分环境，以实现3mm干法高效筛分。 提出了四边简支梁的刚柔耦合弹性筛面动力学模型，基于Hamilton原理建立了弹性筛面运动微分方程，获得了自由振动时弹性筛面各阶固有频率与振型表达式；基于泛函驻值条件求解了弹性筛面最大弹性势能与最大动能，获得了击打球撞击后的弹性筛面稳态响应。采用振动测试分析系统，阐明了刚柔耦合弹性筛面不同区域的运动学特性，重构了空载、入料撞击与稳态运行时刚柔耦合弹性筛面的运动轨迹。建立了刚柔耦合弹性筛面三向加速度与总激振力、频率之间的关联模型，前者为线性模型，后者为二次多项式模型，且模型的Adj.R2均接近于1，线性模型与二次多项式模型均具有很高的拟合精度。刚柔耦合弹性筛面加速度较筛体加速度提高90%以上，采用较小的筛体振动强度，可以实现大的刚柔耦合弹性筛面振动强度。 提出了刚柔耦合弹性筛分过程堵孔颗粒的受力模型，建立了刚柔耦合弹性筛面堵孔颗粒受击打球、筛上物料撞击的力学方程。从能量转化角度出发，揭示了刚柔耦合弹性筛分克服堵孔的机理：当击打球撞击刚柔耦合弹性筛面时，球的冲击动能转化为筛面的弹性势能，而后转化为弹性筛面的动能并作用于堵孔颗粒上，使得刚柔耦合弹性筛面堵孔颗粒的透筛力远大于刚性筛面堵孔颗粒的透筛力，堵孔颗粒的加速度迅速增大，从筛孔中抛出，此外弹性筛面产生形变并对粘结成团颗粒产生揉搓作用，促使煤泥覆盖膜破裂以及粘湿颗粒团松散，克服了筛面堵孔，有效提高了粘湿动力煤的筛分效率。而后探究了激振参数、物料特性对粘湿动力煤刚柔耦合弹性筛分效果的影响规律与机制，阐明了均衡激振刚柔耦合弹性筛分过程筛上料层空间分布与筛下粒群的透筛规律。 采用集中质量法建立了非均衡激振自同步振动筛的动力学模型与方程，得到了x、y、ψ的解，推导了非均衡激振自同步振动筛稳态运行的质心位移表达式。采用高速摄像测试分析系统，研究了非均衡激振自同步振动筛的同步过程，基于振动测试重构了料流方向不同区域的刚柔耦合弹性筛面的空间运动轨迹。探究了非均衡激振力系数、激振轴跨度等参数对粘湿动力煤筛分效果的影响规律与机制。阐明了非均衡激振弹性筛分料群运动行为与空间分布规律，揭示了非均衡激振强化弹性筛分过程机理。与均衡激振相比，弹性筛分效率增加了3.20个百分点，总错配物含量减小了1.37个百分点。 采用多因素响应面法，研究了总激振力、频率、非均衡激振力系数等参数对3mm非均衡激振刚柔耦合弹性筛分过程的协同影响规律与机制，结果表明：上述参数对弹性筛分效率与总错配物含量均影响显著，显著性顺序为：Ft>f>Fde，且因素之间存在明显的协同作用。建立了非均衡激振刚柔耦合弹性筛分效率、总错配物含量与总激振力、频率、非均衡激振力系数参数间的数学关联模型，开展了非均衡激振刚柔耦合弹性筛分过程的参数协同优化，确定了最佳参数条件。在此条件下进行了万利、李家壕、石圪台等动力煤的3mm筛分试验，其筛分效率均在85%以上，总错配物含量均小于4.90%，分配粒度接近于3mm，验证了二次多项式模型其预测结果的准确性，实现了粘湿动力煤的3mm刚柔耦合弹性高效筛分。

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致谢

变量注释表

1 前言

1.1研究背景及意义(Research Background and Significance)

1.2课题提出(Subject Support)

1.3研究内容及方法(Research Content and Approach)

2 文献综述

2.1筛分过程中颗粒运动理论研究(Research on Motion Theory of Particles during Screening Process)

2.2筛分过程中颗粒透筛分布规律研究(Research on Penetration Distribution Law of Particles during Screening Process)

2.3粘湿颗粒筛分过程堵孔机理研究(Research on Plugging Mechanism of Viscous-Moist Particles during Screening Process)

2.4弹性筛分理论与技术研究(Research on Elastic Screening Theory and Technology)

2.5本章小结(Brief Summary)

3 试验系统与材料

3.1刚柔耦合弹性筛分试验系统(Rigid-Flexible Coupling Elastic Screening Experiment System)

3.2试验设计与数据分析软件(Experiment Design and Data Analysis Software)

3.3试验物料特性(Properties of Experimental Materials)

3.4筛分效果评价指标(Evaluation Index of Screening Performance)

3.5本章小结(Brief Summary)

4 简谐激振刚柔耦合弹性筛面运动学特性

4.1引言(Introduction)

4.2刚柔耦合弹性筛面的动力学模型(Dynamic Model of Rigid-Flexible Coupled Elastic Screen Surface)

4.3刚柔耦合弹性筛面运动学的时频特性与空间轨迹(Time-Frequency Characteristics and Spatial Trajectory of Kinematics of Rigid-Flexible Coupled Elastic Screen Surface)

4.4筛分过程不同阶段的刚柔耦合弹性筛面运动学特性(Kinematics Characteristics of Rigid-Flexible Coupled Elastic Screen Surface during Different Stages of Screening Process)

4.5激振参数对刚柔耦合弹性筛面运动学特性的影响规律(Effect of Excitation Parameters on Kinematic Characteristics of Rigid-Flexible Coupled Elastic Screen Surface)

4.6本章小结 (Brief Summary)

5 刚柔耦合弹性筛分克服堵孔机理与粒群分布规律

5.1引言(Introduction)

5.2刚柔耦合弹性筛分颗粒受力模型与克服堵孔机理(Force Model of Particles and Overcoming Plugging Mechanism during Rigid-Flexible Coupled Elastic Screening)

5.3激振参数对刚柔耦合弹性筛分效果的影响规律(Effect of Excitation Parameters on Rigid-Flexible Coupled Elastic Screening Performance)

5.4入料特性对刚柔耦合弹性筛分效果的影响规律(Effect of Feed Characteristics on Rigid-Flexible Coupled Elastic Screening Performance)

5.5均衡激振刚柔耦合弹性筛分过程粒群空间分布规律(Spatial Distribution of Particles during Rigid-Flexible Coupled Elastic Screening Process under Equilibrium Excitation)

5.6本章小结 (Brief Summary)

6 非均衡激振同步过程及其强化弹性筛分机理

6.1引言(Introduction)

6.2非均衡激振自同步振动筛动力学模型(Dynamic Model of Disequilibrium Excited Self-synchronous Vibrating Screen)

6.3非均衡激振下刚柔耦合弹性筛面运动学特性(Kinematic Characteristics of Rigid-Flexible Coupled Elastic Screen Surface under Disequilibrium Excitation)

6.4非均衡激振参数对刚柔耦合弹性筛分的影响规律(Effect of Disequilibrium Excitation Parameters on Rigid-Flexible Coupled Elastic Screening Performance)

6.5非均衡激振刚柔耦合弹性筛分粒群空间分布与强化机理(Spatial Distribution of Particles and Strengthening Mechanism of Rigid-Flexible Coupled Elastic Screening under Disequilibrium Excitation)

6.6本章小结 (Brief Summary)

7 非均衡激振刚柔耦合弹性筛分过程协同优化

7.1引言(Introduction)

7.2非均衡激振刚柔耦合弹性筛分多参数响应面试验研究(Research on Multi-parameter Response Surface Tests of Rigid-Flexible Coupled Elastic Screening under Disequilibrium Excitation)

7.3非均衡激振刚柔耦合弹性筛分最优参数组合条件确定(Confirmation of Optimum Combination Conditions for Rigid-Flexible Coupled Elastic Screening under Disequilibrium Excitation)

7.4不同原煤非均衡激振刚柔耦合弹性筛分效果的分析与评价(Analysis and Evaluation of Disequilibrium Excitation Rigid-Flexible Coupling Elastic Screening Performance for Different Raw Coals)

7.5本章小结(Brief Summary)

8 结论与展望

8.1结论(Conclusions)

8.2创新点(Innovation Points)

8.3展望(Prospects)

参考文献

作者简历

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