EDEM數(shù)值模擬在垃圾處理機(jī)械滾筒篩中的應(yīng)用

施 昱，王慶海，葉 偉

（常州大學(xué)，常州 213164）

0 引言

滾筒篩是城市生活垃圾處理中的重要設(shè)備。其主要作用是將破碎的生活垃圾按粒度大小進(jìn)行分類，篩下物進(jìn)行資源化再利用，篩上物進(jìn)入磁選，彈跳選等后續(xù)處理工序。垃圾廢棄物中的玻璃片，玻璃渣，廢舊金屬塊，紙張，塑料薄膜等都可以重新利用[1]。如果滾筒篩的參數(shù)設(shè)計(jì)合理，能顯著增強(qiáng)整個(gè)篩分系統(tǒng)的分選性能，最大限度的將垃圾中可利用資源篩選出來，達(dá)到了垃圾處理的“減量化，資源化，無害化”的目標(biāo)[2]。因此滾筒篩是否高效就變得尤為重要。

生活垃圾成分十分復(fù)雜，目前尚無根據(jù)生活垃圾成分特點(diǎn)設(shè)計(jì)的模擬軟件，但運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行制造前的模擬計(jì)算已經(jīng)成為未來機(jī)械設(shè)備制造業(yè)的趨勢(shì)，故嘗試運(yùn)用其他行業(yè)軟件對(duì)垃圾篩分進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)降低成本。

煤礦機(jī)械，砂石篩分行業(yè)的離散元分析軟件EDEM是全球首個(gè)采用離散元素理論開發(fā)的軟件，主要用于工業(yè)大顆粒的模擬處理和分析，采用顆粒堆積的方式形成各種不同形狀的模型，且可設(shè)定每一個(gè)顆粒的密度，速度等物理屬性，最大限度的模擬實(shí)際工作狀態(tài)[3]。

本文針對(duì)某一地區(qū)的生活垃圾特征，對(duì)垃圾成分簡(jiǎn)要分類，采用EDEM模擬實(shí)際篩分狀況，在篩分處理量，篩分角度一定的前提下逐步確定篩筒的合理轉(zhuǎn)速，篩孔尺寸和篩孔形狀幾個(gè)參數(shù)，節(jié)約制造資本。

1 模型建立

1.1 生活垃圾成分在EDEM中的簡(jiǎn)化

首先將生活垃圾成分按照顆粒大小進(jìn)行分類，并對(duì)每一類的的質(zhì)量進(jìn)行稱重，將所含的垃圾成分劃分為四個(gè)粒度范圍，如表1所示[5]。

表1 生活垃圾成分分析

表1中的1類垃圾成分比較復(fù)雜，主要有土質(zhì)顆粒，塑料瓶蓋，橡膠塞，紙團(tuán)，金屬小零件，玻璃渣，煤塊，石塊，陶瓷，碎瓦片等。2類成分主要有碎布片，小包裝盒，飲料盒，清潔劑瓶等。3類成分主要有電路板，小玩具，碎稻草，樹枝，泡沫飯盒等。4類包括大件垃圾，如飲料瓶，書本，竹簽，塑料玩具，花盆托 盤等[4]。

由于生活垃圾成分極其復(fù)雜，完全按照外形進(jìn)行建模仿真難度巨大，因此，本次模擬是按照顆粒大小進(jìn)行簡(jiǎn)化，并根據(jù)每種尺寸的顆粒所占質(zhì)量比例設(shè)定密度，在EDEM中建立了對(duì)應(yīng)的4類垃圾模型，然后根據(jù)4類垃圾成分的尺寸大小，分別建立模型，第1、2、3類分別建立3種模型，編號(hào)為101，102，103，201，202，203，301，302，303；第4類為溢出類，故只建立1種模型，編號(hào)為401。每一種模型的粒度及形狀如表2所示。

初步設(shè)定滾筒篩的處理量為25t/h，約為7Kg/s，10種垃圾模型的質(zhì)量、形狀、密度及每秒下落數(shù)量如表2所示。4類垃圾成分大致符合生活垃圾的粒徑范圍。

表2 模擬垃圾成分的顆粒造型及參數(shù)

1.2 滾筒篩在Pro-E中的建模

根據(jù)滾筒篩的處理量，初步設(shè)定篩筒長(zhǎng)度為2m，直徑為1m，篩筒的傾角設(shè)定為6°，篩筒內(nèi)部采用三段孔徑不同的篩孔，篩孔直徑由小到大分別為Φ60、Φ100、Φ150。滾筒篩的三維模型如圖1所示。

圖1 滾筒篩三維模型

如圖1所示，左側(cè)為垃圾成分的入口；右側(cè)為不可篩分物的溢出口，不可篩分物進(jìn)入后續(xù)的磁選和浮選等處理環(huán)節(jié)。

滾筒篩下側(cè)設(shè)有三個(gè)收集盒，分別收集三段篩孔下落的垃圾成分，待收集滿后將其移出，放入空收集盒繼續(xù)收集。在實(shí)際制造中，可以安裝三條傳送帶進(jìn)行不間斷收集，運(yùn)輸，此處為方便模擬后期計(jì)算收集垃圾成分的數(shù)量，故采用收集盒裝置。

2 EDEM中的主要參數(shù)設(shè)定

2.1 通用設(shè)置（globals）

假設(shè)10種模型自身不可分解，無自身的相對(duì)滑動(dòng)，所以將particle to particle和particle to Geometry設(shè)置為無滑動(dòng)接觸模Hertz-Mindin(no-slip)；查詢文獻(xiàn)資料[6～8]，可得到鋼材、塑料、玻璃等的恢復(fù)系數(shù)，其他材料暫無法查到恢復(fù)系數(shù)，暫將Coefficient of restitution 設(shè)置為0.5；同時(shí)，根據(jù)不同顆粒的靜摩擦系數(shù)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)，分別將10種模型的靜摩擦系數(shù)(coefficient of static friction)設(shè)置為0.3～0.5之間[9]，滾動(dòng)摩擦系數(shù)(coefficient of rolling friction)設(shè)置為0.01～0.05之間。

2.2 篩筒旋轉(zhuǎn)設(shè)置

2.2.1 篩筒臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算

當(dāng)篩筒轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，垃圾物料下落的重力被離心力克服，物料不再脫離篩面，此時(shí)，垃圾物料沿篩筒軸線方向的運(yùn)動(dòng)不再發(fā)生，即不能繼續(xù)被篩分下來。故篩筒轉(zhuǎn)速應(yīng)小于臨界轉(zhuǎn)速[10]。臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算如下：

當(dāng)達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，物料的重力和離心力平衡，即：

m為任一物料質(zhì)量；

v為物料的圓周速度；

R為篩筒半徑；

α為脫離角。

由

可以得到，當(dāng)α=0時(shí)，物料達(dá)到最高點(diǎn)。此時(shí)臨界轉(zhuǎn)速為：

因此，當(dāng)R=500mm時(shí)，代入公式得到臨界轉(zhuǎn)速n=42.3r/min。

2.2.2 篩筒轉(zhuǎn)速的取值及設(shè)置

計(jì)算得知該尺寸篩筒的臨界轉(zhuǎn)速為42.3r/min，即桶內(nèi)垃圾物料不會(huì)發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)的最大轉(zhuǎn)速，初步設(shè)定5種不同轉(zhuǎn)速，逐一研究垃圾物料篩分情況，5種轉(zhuǎn)速分別為18r/min、24r/min、30r/min、36r/min、42r/min。

在EDEM中，設(shè)置篩筒繞定軸旋轉(zhuǎn)需要將旋轉(zhuǎn)軸向坐標(biāo)軸投影，計(jì)算旋轉(zhuǎn)分量，EDEM再將旋轉(zhuǎn)分量合成幾何的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向符合“右手定則”，即食指為旋轉(zhuǎn)軸指向，其余四指為幾何旋轉(zhuǎn)方向。由于旋轉(zhuǎn)軸投影落在xoz平面內(nèi)，且與x軸角度為6°，以P0點(diǎn)為原點(diǎn)，做旋轉(zhuǎn)軸的延長(zhǎng)線示意圖，向坐標(biāo)軸投影得到ωx，ωy。如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)投影

則有：

若轉(zhuǎn)速為18r/min，由公式：

ω為角速度（rad/s）；

n為轉(zhuǎn)速（n/min）；

得：ωx=1.874588rad/s

ωz= -0.1969779rad/s

將ωx，ωy的數(shù)值以及P0點(diǎn)坐標(biāo)值分別輸入到圖3中。其余四組數(shù)據(jù)如表3所示。

圖3 篩筒旋轉(zhuǎn)設(shè)置

表3 篩筒的5種不同轉(zhuǎn)速分量值

2.3 顆粒工廠設(shè)置

設(shè)置仿真時(shí)間為10s，每一種垃圾組分的下落速率按照表2的數(shù)值進(jìn)行設(shè)置。固定時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為30%。以5組不同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行5次模擬實(shí)驗(yàn)，利用EDEM觀察最后的模擬結(jié)果[11]。

3 模擬過程及優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過EDEM仿真之后，垃圾顆粒篩分情況如圖4所示，不同粒徑的垃圾顆粒掉落到下側(cè)的三個(gè)收集盒中。

圖4 垃圾顆粒篩分分布圖

3.1 篩筒轉(zhuǎn)速對(duì)篩分效率的影響

通過統(tǒng)計(jì)三個(gè)收集盒內(nèi)垃圾顆粒的數(shù)量來研究篩筒的轉(zhuǎn)速對(duì)于滾筒篩的篩分效率。5種不同轉(zhuǎn)速情況下，統(tǒng)計(jì)區(qū)域的垃圾顆粒數(shù)量如圖5所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下的顆粒統(tǒng)計(jì)量總和

由圖5可知，隨著滾筒篩轉(zhuǎn)速的不斷變化，篩下物的數(shù)量也是不同的，在速度上升的初期，篩下物的數(shù)量隨之上升，當(dāng)超過36r/min之后，篩下物數(shù)量不再上升，即當(dāng)滾筒篩轉(zhuǎn)速在36r/min時(shí)，篩下物數(shù)量最多，由此可以初步確定滾筒篩在該轉(zhuǎn)速下篩分效率最高，因此將篩筒轉(zhuǎn)速定為36r/min。

3.2 篩孔孔形對(duì)篩分效率的影響

確定篩筒轉(zhuǎn)速后還需要分析篩孔形狀、大小與篩分效率的關(guān)系，下一步擬采用四種不同的篩孔來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此次實(shí)驗(yàn)所用的篩筒如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)所用的篩筒示意圖

篩筒1為三段直徑分別為60、100、150的圓孔篩；篩筒2的篩孔直徑與篩筒1相同，篩孔密集度比前者有所增加。篩筒3為三段正方形的篩孔，邊長(zhǎng)分別為60、100、150。篩筒4篩孔邊長(zhǎng)與篩筒3相同，同樣增加篩孔密集度。

這四種不同的篩筒開孔率由計(jì)算公式：

φ為開孔率；

A為孔面積；

A0為總面積；

可得，具體如表4所示。

表4 四種篩筒的開孔率

篩筒1已經(jīng)模擬完畢，只需模擬其余三個(gè)，故將篩筒2、篩筒3、篩筒4分別建模，導(dǎo)入EDEM中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，模擬計(jì)算。

經(jīng)過一段時(shí)間的計(jì)算，設(shè)置與前述同樣的一個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域，進(jìn)行垃圾組分?jǐn)?shù)量的統(tǒng)計(jì)，可以得出圖7的數(shù)據(jù)。

圖7 不同篩筒篩下物數(shù)量比較

由圖7可知，篩筒2的數(shù)值比篩筒1的數(shù)值大，篩筒3的數(shù)值比篩筒1數(shù)值大，篩筒4比篩筒3數(shù)值大。即表示當(dāng)最大尺寸相同時(shí)，篩孔做成方孔比圓孔篩分?jǐn)?shù)量多；篩孔孔型同為圓孔或者同為方孔時(shí)，篩孔越密集，篩分?jǐn)?shù)量越多。

3.3 確定最終設(shè)備參數(shù)

通過上述EDEM的模擬計(jì)算，分別確定了篩筒轉(zhuǎn)速、篩孔孔型、篩孔開孔率四者與篩分效率的關(guān)系。最后的決定采用方孔密集型篩筒，并且將轉(zhuǎn)速設(shè)定為36r/min。

4 結(jié)論

通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際工作狀況，可以為制造滾筒篩提供模擬依據(jù)，有效減少設(shè)備制造成本以及實(shí)驗(yàn)的成本，提高設(shè)備的利用率[12]。通過以上仿真數(shù)據(jù)，可以得出：

1）相同尺寸條件下，方孔比圓孔的篩分效率高。

2）模擬計(jì)算中，當(dāng)篩筒轉(zhuǎn)速設(shè)置為36r/min時(shí)，篩分效率最高，最大轉(zhuǎn)速與合理轉(zhuǎn)速二者之間的比值為：。由此可推斷，滾筒篩的實(shí)際轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速比值為0.85左右較為合適。

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