基于EDEM的回收沥青混合...筛筛分效率与运动参数的关系_马成林.pdf

1462023 年 3 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备基于 EDEM 的回收沥青混合料滚动筛筛分效率与运动参数的关系马成林（长安大学，陕西 西安 710000）摘要：为了研究圆筒滚筛筛网对回收沥青混合料的最佳筛分方式，笔者建立了回收沥青混合料的不同筛分模型，利用离散元软件对不同情况下的圆筒滚筛进行了仿真对比。结果表明：随着圆筒滚筛的倾斜角度的增加，圆筒滚筛对回收沥青混合料的筛分效率经过一个先升高后降低的过程；随着圆筒滚筛转速的增加，圆筒滚筛的筛分效率经过先降低后升高，然后又降低的过程；而且圆筒滚筛的转速过大会影响机械的稳定性，同时大大提升机械的磨损程度，降低机械的寿命，故转速的设计不宜过高。关键词：回收沥青混合料；圆筒滚筛；筛分效率；筛分参数；EDEM仿真中图分类号：U415.52+2 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.06.043随着中国道路建设的日臻成熟，中国的道路建设逐渐走向以养为主，养建并重的阶段1。而就地厂拌热再生是一种新型的、能够兼顾厂拌热再生与就地热再生两种再生方法优点的养护方法。就地厂拌热再生需要对原沥青路面进行清扫、铣刨，然后对回收沥青混合料进行筛分、称重，并将各档料称重配料后与配好的RAP回收料混合2。混合料进入移动式加热设备中进行加热、搅拌，再进行摊铺等操作。其中，对铣刨料的筛分从根本上影响了级配的效果，影响了后续搅拌后混合料的质量。而在对回收沥青混合料的筛分中，滚动筛分作为一种通用的筛分黏性颗粒的筛分方式被提出。但还没有文章详细讨论滚动筛分中运动参数对筛分效率与筛分速度的影响，本研究致力于探究滚动筛运动参数对回收沥青混合料筛分效率的影响。1 圆筒滚筛结构分析1.1 圆筒滚筛圆筒滚筛结构图如图1所示，主要由外壳1、圆筒滚筛2、驱动辊3、结构骨架4组成。驱动辊的右端接电机驱动圆筒滚筛旋转，筛分时可改变其安装倾角调节筛分效率和筛分速度。图1中，右端为进料口，筛网从内到外的筛孔孔径越来越小，最内层的筛网筛孔孔径最大。圆筒滚筛单层筛网结构示意图如图2所示，在筛分过程中，由电机带动的驱动辊驱动圆筒滚筛进行旋转，滚筛与地面有一定的安装倾角。待筛分的回收沥青混合料从滚动筛分装置（即驱动辊一端）进入滚筛，物料在滚筛内进行翻转筛分，在离心力和重力的作用下从筛孔掉落，黏附在筛网上的RAP在旋转到上方时在重力的作用下形成料帘，实现物料的有序连续筛分。图1圆筒滚筛结构图图2圆筒滚筛单层筛网结构示意图1.2 筛分效率分析将物料根据公称粒径的大小进行分类，以保证后期级配的准确性的操作叫做筛分。故筛分的最终目的是，使大于所需公称粒径的物料无法穿过相应的筛网，小于所需公称粒径的物料全部穿过相应的作者简介：马成林（1998），男，河北青县人，硕士研究生，研究方向为回收沥青混合料筛分。2023 年 3 月下147Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备筛网。但是在现实中，由于颗粒之间具有一定的黏结力，物料供应的速度可能过快导致物料的堆积，小于筛孔的颗粒并不会全部穿过筛网，尤其是略小于孔径的颗粒，故实际的筛网的筛孔会略大于所需筛分的粒径，采用的是近似筛分的方法。筛分效率由式（1）确定3。=(-)(-)(-)(100-)100%（1）式中，为筛网筛分总效率；为入料小于规定粒度的细粒含量；为筛下物中小于规定粒度的细粒含量；为筛上物中小于规定粒度的细粒含量。1.3 筛分装置的运动参数对筛分效率的影响随着筛分装置运动参数的改变，筛分装置对物料颗粒的筛分效率也会随之改变。影响圆筒滚筛对回收沥青混合料的筛分效率的运动参数主要有圆筒滚筛的转速与圆筒滚筛的倾斜角度。当滚筛倾斜角度较小时，物料的堆积会加剧。因为物料主要依靠重力的作用，沿着滚筛滑落至物料箱，故过小的倾斜角度会导致物料的大量堆积，影响颗粒的筛分效率。而当滚筛倾斜角度较大时，物料的堆积问题虽然得以解决，但是颗粒与筛分装置的接触力过小，下滑速度过快，会导致大量的物料没有经过完整的筛分就直接滑落至物料仓4。滚筛的转速会影响到颗粒与筛网的作用力。当滚筛作用力足够大时，颗粒会产生足够的离心力从筛孔中穿过。但是由于采用的是近似筛分方式，故当转速过大时，会有一定不符合需求的大颗粒穿过筛孔。2 仿真模型与参数设置2.1 颗粒与圆筒滚筛设备的参数设置回收沥青混合料的物料颗粒间有非常复杂的接触力。为了模拟回收沥青混合料的黏附性，选择EDEM 软件汇总具有凝聚力的 Hertz-Mindlin with JKR接触模型5，这一模型可以有效地体现回收沥青混合料颗粒与颗粒之间的黏聚特性6-7。回收沥青混合料颗粒与搅拌装置的本征参数与接触参数，分别如表1、表2所示。表1颗粒与搅拌装置的本征参数材料密度/（kg/m3）剪切模量/GPa泊松比钢7 850700.30RAP142 692230.25表2颗粒与搅拌装置的接触参数设置接触对恢复系数静摩擦系数动摩擦系数钢-RAP140.200.800.50RAP颗粒间0.060.800.322.2 圆筒滚筛的建模采用EDEM软件建立滚动筛分设备的筛分模型，为了提高仿真速度，保证仿真效率，增加显示效果，选择对圆筒滚筛进行多层协同仿真，其中圆筒滚筛长度为5 050 mm，从内而外三层筛网的半径分别为750 mm、850 mm和950 mm。通过改变仿真模型中重力的方向来模拟现实中圆筒滚筛的倾斜角度8-10。模型中右方悬浮在滚筛中间的平板为模型中的颗粒工厂，设置RAP颗粒从进料口到滚筛的垂直距离为0.2 m，考虑到颗粒与导料口和颗粒间的碰撞，将物料的初始下落速度设置为1 m/s。采用EDEM软件建立筛分设备仿真模型，实际生产时，RAP一般筛分为34种粒径，采用近似筛网孔径，因此仿真将物料粒径设置为19 mm26 mm、9.5 mm19 mm、4.75 mm9.5 mm和3 mm4.75 mm，分别命名为集料1、集料2、集料3、集料4。筛孔孔径设置为21 mm、11 mm和5.5 mm。3 仿真结果分析与结论3.1 倾斜角度对筛分效率的影响设置圆筒滚筛的倾斜角度分别为 12.5、15、17.5、20、22.5，转速为90 r/min。其中回收沥青混合料颗粒的产生速度为3 mm4.75 mm为8 000粒/s、4.75 mm9.5 mm为2 000粒/s、9.5 mm19 mm为500粒/s、19 mm26 mm为250粒/s。每个粒径范围内的集料分布为随机分布，出料为2 s，仿真时间为25 s，保证所产生的物料被圆筒滚筛充分筛分。结果表明，圆筒滚筛各层筛网的综合筛分效率与倾斜角度的关系如表3所示，圆筒滚筛各层筛网的综合筛分效率与转速的关系如表4所示。综合筛分效率为各层筛网的筛分效率的平均值。表3倾斜角度与综合筛分效率的关系倾斜角度/12.51517.52022.5筛分效率/%70.6670.8971.4071.4870.36表4转速与综合筛分效率的关系转速/（r/min）607590105120筛分效率/%70.9870.7471.4869.5569.053.2 结论1）对于回收沥青混合料（RAP），（下转第150页）1502023 年 3 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备104105106107350400450500550600 2026-T3511铝合金疲劳试验数据 50%可靠度 96%可靠度预测带应力水平/MPa疲劳寿命/N图32026-T3511缺口试样寿命试验值与预测带参考文献：1 邬华芝，高德平，郭海丁.概率疲劳破坏寿命特性研究综述J.湖北工学院学报，2002(4)：18-22.2 LAMBERT S,PAGNACCO E,KHALIJ L.A probabilistic model for the fatigue reliability of structures under random loadings with phase shift effectsJ.International Journal of Fatigue,2009,32(2):436-474.3 夏勇波，宋绪丁，万一品.随机载荷作用下的疲劳寿命估算J.南方农机，2019，50(11)：109+111.4 赵丙峰，廖鼎，朱顺鹏，等.机械结构概率疲劳寿命预测研究进展J.机械工程学报，2021，57(16)：173-184+197.5 ZHAO B,XIE L,SONG J,et al.Prediction of multiaxial fatigue life for complex three dimensional stress state considering effect of additional hardeningJ.Fatigue&Fracture of Engineering Materials&Structures,2019,42(11):156-159.6 LIAO D,ZHU S P,CORREIA J A F O,et al.Recent advances on notch effects in metal fatigue:A reviewJ.Fatigue&Fracture of Engineering Materials&Structures,2020,43(4):637-659.7 MURAKAMI Y.Metal fatigue:effects of small defects and nonmetallic inclusionsM.Elsevier,2002.8 LI J,LI C,QIAO Y,et al.Fatigue life prediction for some metallic materials under constant amplitude multiaxial loadingJ.International Journal of Fatigue,2014,68(5):10-23.9 LIAO D,ZHU S,CORREIA J A F O,et al.Computational framework for multiaxial fatigue life prediction of compressor discs considering notch effectsJ.Engineering Fracture Mechanics,2018,202(5):37-42.10 李东.应力集中因子和应力比对2026-T3511铝合金型材高周疲劳性能的影响J.轻合金加工技术，2021，49(8)：25-28.随着圆筒筛网倾角的增大，滚筛的筛分效率呈现先升高再降低的趋势，并且由于车身高度的限制与筛网直径的要求，滚筛倾斜角度的取值不能过大。所以滚筛的倾斜角度为20时筛分效率最高。2）对于回收沥青混合料（RAP），圆筒滚筛转速的增加会使筛分效率呈现先降低后升高，随后又下降的趋势。参考文献：1 孙晨.沥青路面以及水泥混凝土路面的再生利用技术探讨J.南方农机，2017，48(14)：79.2 张晓芳.浅谈矿粉在沥青混合料中的应用J.江西建材，2015(3)：2-3.3 王金生，王雷.基于滚筒结构的生活、工业垃圾渣土物料筛分机械设备设计方法J.中国新技术新产品，2018(1)：115-116.4 李宏宝.对间歇式沥青混合料搅拌设备振动筛的分析J.科技视界，2017(4)：240+251.5 赵利军，申岩，邓欣.基于EDEM的沥青混合料搅拌机叶片参数匹配J.郑州大学学报（工学版），2019，40(3)：79-84.6 范倩倩.小型煤粉制样装置技术方案研究及动力学特性分析D.太原：中北大学，2016.7 赵立武.浅谈沥青混合料搅拌设备振动筛的关键技术J.民营科技，2016(7)：194.8 贺朝霞，胡明建，杨龙飞.沥青搅拌设备多层振动筛分效率计算及影响规律研究J.噪声与振动控制，2018，38(3)：203-209.9 雷勇.热拌沥青混合料的筛分机理及试验研究D.武汉：武汉工程大学，2015.10 张路霞，王晓伟.基于AC-13C型沥青混合料的直线振动筛配筛分析J.濮阳职业技术学院学报，2014，27(6)：143-145.（上接第147页）