潮湿煤炭变振幅等厚弹性深度筛分机理研究

摘要

煤炭是我国的主要一次能源，选煤是实现煤炭高效清洁利用和可持续发展的基础和前提，是洁净煤技术最经济有效的方法，筛分作业是选煤工艺的关键环节。采用传统等振幅刚性筛分方法进行潮湿煤炭干法深度分级时，入料端物料堆积、筛面堵孔严重、分级效果差、筛分作业难以顺利进行，难以满足现代大型选煤厂高效集约化的生产要求。为解决上述问题，本文将变振幅等厚筛分方法与多自由度弹性筛分方法相结合，提出变振幅等厚弹性筛分方法，优化筛上料群分布，提高筛面的利用率，强化粘湿煤炭的松散与分层，消除筛面的堵孔，从而实现潮湿煤炭的高效干法深度筛分。
　　通过理论分析建立了大跨距变振幅等厚筛动力学模型，基于多自由度振动理论建立了质心运动的三自由度振动微分方程，得到了质心和筛体任意位置的位移方程式。通过振动测试分析了大跨距变振幅等厚筛不同运行阶段运动学特性及稳态运行时沿料流方向筛体不同区域的空间运动轨迹。振动筛启动和停机阶段出现较大振动和摆动；过渡运行阶段，出现拍振现象，振幅逐渐降低至工作振幅；稳态运行时筛体各区域的运动轨迹均为椭圆，自入料端至出料端，平行筛面方向振幅差异较小，垂直筛面方向振幅逐渐减小，椭圆长轴与平行筛面方向的夹角逐渐减小。采用大跨度不平衡激振方法可以实现沿料流方向筛面振幅的递减，且随激振力系数、激振梁相对跨距增大，筛体各区域平行筛面方向振幅均逐渐增大，垂直筛面方向入料端振幅逐渐增大，出料端振幅逐渐减小，且两者差异逐渐增大。
　　基于高速摄像及图片分析技术研究了变振幅等厚筛筛面不同区域颗粒运动学特性及料群分布特性，揭示了变振幅等厚筛分形成机理：入料端振动强度大，强化了料群颗粒的松散和运移，料群在筛面上迅速铺展，出料端振动强度小，颗粒运移速度变慢，料群停留时间增长，因而使得筛上料层趋于等厚。提出了多段采样分析方法，分析了不同粒级物料在筛面各区域的透筛规律，揭示了变振幅等厚筛分强化料群分级机制。激振力系数、激振梁相对跨距的变化引起了料群筛分时间、运移速度及透筛分布的改变，促使了筛上料层分布的时空演变：入厚出薄→近似等厚→入薄出厚，进而影响了物料的筛分效果。基于上述研究，通过对变振幅刚性筛分颗粒运移速度及筛上料层分布进行调控，可以实现低水分煤炭的变振幅等厚高效深度筛分。
　　设计了刚柔耦合弹性杆筛面，分析了简谐位移激励下刚柔耦合弹性杆运动学特性，给出了弹性管位移幅值表达式及料流方向筛孔尺寸值域。借助高速摄像捕捉分析了弹性筛分过程中刚柔耦合弹性杆运动行为、潮湿煤炭料群空间分布及行为特征，进而揭示了堵孔消除机制：刚性杆与侧板圆孔及弹性管的接触碰撞引起了弹性管加速度幅值统计平均值的增大，强化了料群的松散，使得粘附的细粒物料从粗颗粒表面脱除；弹性管的空间旋转对粘附成团颗粒及覆盖膜产生剪切作用；相邻弹性管空间位置的改变及其弹性变形，使得筛孔尺寸值产生类周期性波动，加之弹性管对与其接触的物料作用力方向随机，使得成团颗粒及覆盖膜破裂、卡堵颗粒从筛孔脱离。研究了工艺参数及入料特性对等振幅刚柔耦合弹性杆筛6 mm分级效果的影响规律，确定了操作参数的最佳取值范围。
　　提出了变振幅等厚弹性筛分方法，采用单因素试验研究了激振力系数、激振梁相对跨距对变振幅等厚弹性筛分效果的影响并确定相应的最佳因素水平。通过分析选取了对变振幅等厚弹性筛分影响显著的试验因素，采用多因素响应面筛分试验分析了各因素对筛分效果的影响显著性及交互作用，建立了筛分效率与上述因素之间的关联模型。根据关联模型分析确定了最佳操作条件，对内蒙古鄂尔多斯潮湿煤炭进行了6 mm变振幅等厚弹性筛分试验，筛分效率为87.79%，总错配物含量为6.77%，筛分效率试验值与模型预测值接近，验证了关联模型预测结果的准确性，表明采用变振幅等厚弹性筛分技术可以实现潮湿煤炭的高效干法深度筛分。

目录

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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筛分过程料群运动行为(Motion Behavior of Materials during the Screening Process)

2.2物料透筛概率研究(Researches on the Penetrating Probability of Materials)

2.3等厚筛分理论与技术(Theories and Technologies of Equal-thickness Screening)

2.4弹性筛分理论与技术(Theories and Technologies of Elastic Screening)

2.5本章小结(Brief Summary)

3 试验系统与材料

3.1筛分试验及测试分析系统(Screening Experiment and Test Analysis System)

3.2试验物料特性(Properties of Experimental Materials)

3.3本章小结(Brief Summary)

4 变振幅等厚筛动力学及空间运动轨迹

4.1不平衡激振变振幅等厚筛动力学模型及方程(Dynamic Model and Equation of Variable-amplitude Equal-thickness Screen with Unbalanced Vibration )

4.2变振幅等厚筛运动学参数时频响应特性分析(Analysis of Time-frequency Response Characteristics of Kinematic Parameters of Variable-amplitude Equal-thickness Screen)

4.3料流方向筛体不同区域空间运动轨迹(Spatial Trajectory of Different Areas of Screen Box along the Direction of Material Flow)

4.4激振系统参数对变振幅等厚筛运动学特性的影响(Influence of Exciting System Parameters on the Kinematic Characteristics of Variable-amplitude Equal-thickness Screen)

4.5本章小结 (Brief Summary)

5 变振幅等厚筛分料群运动特性及分级机理

5.1变振幅等厚筛分料群运动特性分析(Analysis on Kinetic Characteristics of Materials during Variable-amplitude Equal-thickness Screening Process)

5.2多段采样分析及筛分效果评价方法(Analysis of Multi-section Sampling and Evaluation of Screening Performance)

5.3变振幅等厚筛分料群透筛分布及效果分析(Analysis on Distribution of Materials and Classification Performance of Variable-amplitude Equal-thickness Screening)

5.4激振系统参数对料群变振幅筛分效果的影响(Influence of Exciting System Parameters on the Performance of Variable-amplitude Screening)

5.5本章小结 (Brief Summary)

6 刚柔耦合弹性杆运动行为及堵孔消除机制

6.1 振动筛分过程刚柔耦合弹性杆运动学响应(Kinematic Response of Rigid-flexible Coupled Elastic Rod during Vibrating Screening Process)

6.2多自由度弹性筛分颗粒行为及堵孔消除机制(Particle Behavior and the Mechanism of Plugging Elimination during Multi-degrees-of-freedom Elastic Screening)

6.3操作及结构参数对潮湿煤炭弹性筛分效果的影响(Influence of Operation and Structural Parameters on Elastic Screening Performance of Moist Coal)

6.4 入料性质对潮湿煤炭弹性筛分效果的影响(Influence of Feeding Material Properties on the Elastic Screening Performance of Moist Coal)

6.5本章小结(Brief Summary)

7 变振幅等厚弹性筛分多参数耦合作用机制及优化

7.1 激振力系数对变振幅等厚弹性筛分效果的影响(Influence of Exciting Force Coefficient on the Performance of Variable-amplitude Equal-thickness Elastic Screening)

7.2 激振梁相对跨距对变振幅等厚弹性筛分效果的影响(Influence of Relative Span of Exciting Beams on the Performance of Variable-amplitude Equal-thickness Elastic Screening)

7.3 变振幅等厚弹性筛分多参数响应面试验研究(Experiment Research on Variable-amplitude Equal-thickness Elastic Screening with Multivariate Response Surface Methodology)

7.4 变振幅等厚弹性筛分参数最优条件确定及试验验证(Determination of the Optimal Parameters of Variable-amplitude Equal-thickness Elastic Screening and Experiment Verification)

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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