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太原理工大学硕士研究生学位论文 基于松散度检测的风阀参数调控系统 摘要 跳汰选煤是煤炭行业的重要选煤方法。电磁风阀作为跳汰机 的关键设备，其工作可靠性直接影响到跳汰机的整机运行，其自 动化控制是跳汰机整机自动化的重要组成部分。由于跳汰过程极 为复杂，而且各影响因素之间互相牵连，在生产操作过程中，跳 汰司机需要根据入料原料、入料量、工作风压以及床层厚度等条 件的变化，凭借经验，不断的调整风阀参数。人为主观因素参与 到控制过程，这对于跳汰过程来说，应用一般的控制方法会存在 一定的困难。因此，风阀的自动控制需要一种智能化的控制方法， 需要将专家知识和智能行为融入到控制系统中，从而得到更为有 效的控制效果。 本论文提出了一种跳汰机风阀的专家系统自动调控方法。专 家系统是基于知识的智能推理系统，集人工智能和领域知识于一 体，涉及到知识获取、知识库、推理机制以及智能人一机交互界 面的研究，已在众多领域获得广泛应用，大大提高了工作效率和 工作质量，促进了人类智能和机器智能的相互补充和相互渗透。 本专家系统的专家知识来源于选煤专家经验及跳汰机操作人员 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 长期积累的经验、现场数据分析和实验总结等。专家系统会根据 实时采集反馈回的现场床层的密度和浮标等信号，基于获取的专 家知识，调用推理规则，进行智能推理，实现对风阀参数适当的 修改，从而得到合理的风阀参数。 本专家系统以w i n d o w s2 0 0 0 为开发平台，以面向对象的编程 工具v i s u a lb a s i c6 0 为开发工具，实现了整个专家系统的软件 编程。使用面向对象的数据库编程技术，以m i c r o s o f t 数据访问 对象( d a o ) 模型为基础，结合使用m i c r o s o f ta c c e s s 数据库创建 工具，创建了专家系统的知识库。同时，论文中还介绍了本专家 系统的使用方法和相关说明。 本系统具有界面友好、操作简单、人机交互性能好、自动化 程度高、具备一定的推理能力等特点，具有广阔的应用前景。 关键词：专家系统，人工智能，彩汰，风阀，床层分层，松散 n 奎垦堡王盔堂堡主婴耋生兰堡丝苎 a u t o m a t i ca d j u s t i n g a n dc o n t r o l s y s t e mo fa 1 1 0 、缎l v ep a r a m e t e r s b a s e do nl 0 0 s ed e t e c t l 0 n a b s t r a c t j i g g i n gs e p a r a t i o n i sa ni m p o r t a n tw a yo fc o a lp r o c e s s i n g a st h ek e y d e v i c eo f j i g g e r , t h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r o m a g n e t i ca i r - v a l v ea f f e c t st h ef u n c t i o no f t h ew h o l em a c h i n e ，a n dt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fa i r v a l v ei st h ei m p o r t a n tp a r to t t h ea u t o m a t i cc o n t r o lo ft h ej i g g e r j i g g i n gp r o c e s si sv e r yc o m p l e x ，a n da l lt h e f a c t o r sa f f e c te a c ho t h e r , j i g g e rd r i v e rm u s ta a j u s tt h ea i r - v a l v ep a r a m e t e r sb a s e d o nm a t e r i a l ，v o l u m e ，晰n dp r e s s u r e ，b e dt h i c k n e s sa n dh i so w ne x p e r i e n c e p e o p l ea r ec o n c e r n e d w i t ht h ec o n t r o lp r o c e s s ，w h i c hi sd i f f i c u l tf o rt h en o r m a l c o n t r o lm e t h o d s ot h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fa i b v n v en e e di n t e l l i g e n tc o n t r o l m e t h o d ，a n dn e e di m p o r th u m a nk n o w l e d g ea n di n t e l l i g e n c ei n t oc o n t r o ls y s t e m t h i sa r t i c l eg i v e se x p e r ts y s t e mc o n t r o lo f j i g g i n ga i r - v a l v e e x p e r ts y s t e m i sa ni n t e l l i g e n tr e a s o n i n gs y s t e mb a s e do n k n o w l e d g e ，w h i c h c o m b i n e sa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e 、i t hd o m a i nk n o w l e d g e ，a n di sr e l a t e dt ok a ，d a t a b a s e ，r e a s o n i n g s y s t e ma n di n t e r f a c eb e t w e e nh u m a na n dc o m p u t e r , e x p e r ts y s t e mi sw i d e l y u s e d ，a n dc a ni m p r o v e t h ew o r k i n g e f f i c i e n c ya n dq u a l i t y t h ek n o w l e d g e c o m e s f r o me x p e r te x p e r i e n c e 、f i e l dd a t aa n de x p e r i m e n t s e x p e r ts y s t e md e d u c e s i n t e l l i g e n t l y b a s e do df e e d b a c k b e d - l a y e rd e n s i t ya n db u o y a g e ss i g n a l s a n d e x p e r tk n o w l e d g e ，a n d t h e nm o d i f i e st h ea i r v a l v ep a r a m e t e r sa c c o r d i n g l y , s ow e c a ng e tt h ef i g h ta i r v f l v ep a r a m e t e r s i l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 w i n d o w s2 0 0 0i st h e d e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h i se x p e r ts y s t e m ，a n d v i s u a lb a s i c6 0i st h ed e v e l o p m e n tt o o l ，s ow e g e tt h ew h o l ee x p e r ts y s t e m w e m a k eu s eo fo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n i q u eb a s e do nd a om o d e la n d s e tu pt h er e p o s i t o r yo f e x p e r ts y s t e mu s i n gm i c r o s o f ta c c e s sd a t a b a s e a tt h e s a m et i m et h i sa r t i c l eg i v e st h eo p e r a t i n gm e t h o do f t h e e x p e r ts y s t e m t h i ss y s t e mh a ss o m ec h a r a c t e r s ，s u c ha sf r i e n d l yi n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i o n ，g o o d i n t e r c o m m u n i o nb e t w e e nh u m a na n d c o m p u t e r , t o p p i n ga u t o m a t i s m ，g o o d r e a s o n i n ga b i l i t y s ot h es y s t e mh a sb e a u t i f u lf u t u r e k e y w o r d s ：e x p e r ts y s t e m ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，j i g g i n g ，a i r - v a l v e ，b e dl a y e r , l o o s ec o n d i t i o n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 煤炭是世界一次能源生产与消费中重要的组成部分，而且蕴藏量极为丰 富。从产业革命到6 0 年代中叶，煤炭一直占据着世界一次能源消耗量的首 位，虽然从5 0 年代初到7 0 年代末，石油消耗量跃居首位，煤炭退居次席， 但是，世界一次能源生产结构中化石能源仍处于绝对优势，占到9 0 以上， 在未来的几十年中仍将处于主导地位。因此，进入8 0 年代后，世界各国一 直在研究解挟如何使本国的煤炭资源得到合理有效的利用，以推动本国经 济的持续发展。我国是世界煤炭第一生产大国，煤炭在国民经济的发展中 占有举足轻重的地位，与此同时，煤炭在开发和利用过程中也造成了严重 的环境污染，危害生态平衡和人民的健康。近十年来，世界各国尤其是发 达国家积极致力于洁净煤的开发和利用。目前，洁净煤技术的开发已成为 世界潮流，它的出现与发展，己被专家们誉为是一种划时代的煤炭开发利 用技术，开创了煤炭开发与利用的新纪元，是可靠能源的未来希望。 洁净煤技术，是指煤炭在开发和利用过程中减少污染与提高利用率的 加工、燃烧、转化及污染治理等技术，使煤炭作为一种能源达到最大限度 的利用，而使其造成的污染降低到最低水平，达到煤的高效、洁净使用。 洁净煤技术涉及面很广，贯穿煤炭生产、运输、加工、利用的全过程。选 煤技术作为洁净煤技术研究中的重要组成部分，其发展得到了前所未有的 重视。目前，中国洁净煤技术的重点在于燃烧前的洁净生产，即对原煤进 行洗选加工，提高煤炭质量。在我国，5 0 以上的入洗原煤是采用跳汰分选 的工艺。跳汰选矿，是指物料主要在垂直升降的变速水流中，按密度差异 太原理工大学硕士研究生学位论文 进行分层和分离的过程。跳汰分选的优点在于：工艺流程简单，设备操作 维修方便，处理能力大，洗选成本低，且有足够的分选精度，另外，跳汰 选煤处理的粒度级别较宽，在1 5 0 0 5 m m 范围；既可不分级入洗，也可分 级入洗，跳汰选煤的适应性较强。正因为跳汰分选有上述的优势，虽然在 过去的近二十年中，重介分选技术和浮选技术都得到了迅速发展，但跳汰 分选仍然占据着主导地位。但由于种种原因，跳汰分选的自动控制水平一 直很低，分选效率和处理能力均不理想。 随着微电子技术、控制理论、检测技术的飞速发展，跳汰机自动化、 智能化问题正在受到国内外选煤界的广泛关注。跳汰机的自动化和智能化， 己成为现代选煤厂的需要和我国未来发展的必然趋势。 1 2 风阀控制的国内外研究现状 多年来，国内外专家、学者一直致力于跳汰选煤过程中床层的分层机 理研究，从不同的研究角度提出了多种不同的解释，如按自由沉降末速分 层假说、按干扰沉降速度分层假说、吸啜分层理论、初加速度分选假说、 重介理论、位能理论、运动学方程、概率理论等等，但是问题仍未解决， 尽管一些假说从各个不同侧面已经接触到问题的核心，但始终未能解开跳 汰分选机理的实质。相对于跳汰机型的不断更新和控制系统的不断进步来 说，跳汰理论已经远远落后于生产实践，不能有效指导实际的跳汰生产。 跳汰分选过程主要由两大过程组成，一是床层的分层过程，应使选取 的风水操作制度能满足床层按密度进行分选，二是重产物的排出过程，需 要保证床层的厚度稳定。目前，重产物排出过程采用了由太原理工大学机 械电子工程研究所开发的模糊排料系统，已得到了良好的控制效果。而分 层过程因为受很多因素的影响，控制的难度很大。 床层按密度分层是一个非常复杂的液固两相流相互作用的过程，受到 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 很多因素的影响( 如风阀工作制度、脉动水流的速度、加速度、风压、顶 水量等) ，加上检测环节不完善，所以控制的难度很大。控制的现状是，跳 汰周期和跳汰频率等参数均通过人工设定，操作工人完全依赖手工探查和 自己的经验来做调整。这样的控制很难实现合理的风水制度以确保分层效 果达到最佳状态。为了提高洗煤过程的分选准确度，对跳汰机自动化的关 键一风阀控制自动化的研究成为了一个热点。 近年来，国内外在跳汰机风阀控制方面做了许多工作。1 9 9 8 年，日本 i k e s h i m a 煤矿为了获得更高的分选精度，提出了一种变波形的跳汰机控制 方案，通过测量床层脉动的波形和波高，调节进气阀的开启时间，以控制 高、低压风的迸风量和频率，改变脉动波形，使洗水脉动达到最佳化。由 太原理工大学机械电子工程研究所研制开发的跳汰机多参数自动寻优模糊 控制系统，1 9 9 9 年在邢台洗煤厂、2 0 0 3 年在东庞洗煤厂投入使用，它可以 根据操作人员的设定，自动控制进气和排气系统工作，控制系统除进行程 序控制及正常操作控制外，能进行参数修改及工作状态显示等。中国矿业 大学杨小平及河南焦作矿务局涂必训等共同研制开发跳汰机控制系统， 2 0 0 2 年在朱村矿选煤厂正式投入使用。此控制方法是以一种逻辑控制模块 为中心，具有2 4 v 的晶体管输出，能够根据内存中的程序对风阀动作直接 加以控制。河北煤炭科学院的李洪庆等在洗煤技术上发表“跳汰机风 阀自动控制”一文，提出利用空气室水位信号进行风阀参数自动调节的方 法。凡此种种，都在一定程度上实现了风阀的自动控制。 跳汰过程的复杂性，决定了其控制要采用智能化的控制技术，方能取 得良好的控制效果。智能技术是解决复杂系统优化控制的重要途径。工业 过程控制的智能化正朝着两大方向前进，一是称为专家系统的智能控制策 略，二是称为人工神经网络的智能控制策略。由于跳汰机风阀参数的调整 依赖于跳汰司机的经验，因此，利用基于知识智能推理的专家系统作为风 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 阀自动化控制的方案，是对风阀控制的一种理想方向。 1 3 课题任务 1 3 1 研究目标 本课题主要研究基于床层松散度检测的风阀自动控制专家系统，提出 了一种闭环的风阀控制方法。它根据床层的密度信息和跳汰浮标的振幅、 速度及加速度等信息来反映床层的松散及分层效果，综合专家知识，通过 现场采集数据的分析和实验室试验，建立知识库，导出控制规则，以床层 的实时密度信息和跳汰浮标信息作为反馈参数，实现对风阀参数的自动调 整。 1 3 ，2 研究内容 跳汰床层松散和分层的相关理论。主要介绍床层的松散度、床层的分层 状况对分选效果的影响、影响床层分层状态的因素以及跳汰制度对床层 松散和分层状况的调节关系等知识。 跳汰过程状态参数问关系的实验室研究。介绍本课题实验所用装置以及 实验研究的内容，主要包括风水操作制度对脉动水流特性的调节作用、 脉动水流特性对床层松散的调节作用和床层松散与床层分层的关系等 问题。 跳汰现场采集数据的分析与处理。数据采集于洗煤厂跳汰工作现场，包 括床层的密度信号和浮标信号等能够反映床层松散的中间过程参数，通 过对数据的分析、统计和处理，可以得到床层分层较好时这些参数的分 布规律，为专家系统知识库的建立作准备。 风阀自动控制专家系统的软硬件实现。主要介绍专家系统的基本原理和 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 本专家系统的实现过程，具体包括专家知识与控制规则的建立、数据库 的建立与访问、软件编程、软件使用以及硬件组成等。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章跳汰机风阀及床层松散分层的原理知识 风阀是跳汰机的关键部件，也是本课题研究的控制对象，床层的松散 和分层效果都与风阀有着直接的关系。本章主要介绍跳汰机风阀以及床层 松散和分层的相关理论。 2 1 跳汰机风阀 跳汰是在垂直升降的变速介质流中颗粒按密度分选的过程。跳汰机是 实现这一过程且使这一过程得以连续进行的设备。跳汰机的介质可以是水 或空气，目前，选煤工业一般采用水介质跳汰机。 风阀是跳汰机的重要部件，功能是周期性的使空气室与风包、风机和 大气相连或隔绝，在跳汰室形成脉动水流，因而又称脉动源。风阀的结构和 工作周期对水流在跳汰机中的脉动特性有很大影响。风阀的结构不但直接 影响跳汰机的分层效果，同时对跳汰机的生产能力影响也很大。目前国内 外使用的空气脉动跳汰机风阎主要有滑动风阀、旋转风阀和电磁风阀三种。 下面介绍常用的电磁风阀。 电磁风阀是七十年代设计的一种新型风阀。这种风阀调整灵活，可以 任意调整跳汰频率和跳汰周期，并且进气、排气的变换速度极快。因此， 可以精确地控制脉动周期和吸啜过程的时间，获得良好的床层松散度和精 度较高的分选效果。 电磁风阀的工作系统由三部分组成： 气路系统。包括高压风管至气缸的气动管路。 数控装置。通过控制电磁风阀的通、断电时间，实现大范围内无级 调节频率和跳汰周期特性。 进、排气阀。进、排气阀由气缸和阀盖组成。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 1 为电磁风阀进气时的情况，此时进气阀打开，排气阀关闭。 两个电磁风阀的动作过程是：进气电磁风阀的电磁线圈断电，铁芯被弹簧 推下，关闭上部进气道，同时打开上部的排气道，放出阀体上部的气体， 而下部则给入高压空气于进气阀( 如图中箭头方向所示) ，推动进气阀的活 塞向上运动，打开进气阀使分配箱内的低压空气经进气管进入空气室。这 时，排气电磁阀的动作与进气电磁阀的动作相反，即电磁线圈通电吸上铁 心，关闭上部排气道，打开上部迸气道，高压空气进入排气阀内，推动活 塞向下运动，关闭排气管。空气室的排气过程与上述过程相反，排出的气 体经消音排气包排至大气。 卜油雾器2 一调压阀3 一滤气器 图2 - 1 电磁风阀工作系统示意图 f i 9 2 1t h es k e t c hm a po f e l e c t r o m a g n e t i ca i r - v a l v es ”t e m 风闽工作压力( 低压) 为0 0 3 5 0 0 5 m p a ，风阀打开时间小于0 0 2 s ， 最快达0 0 1 3 s ，这样可以提高水流上升初加速度，延长膨胀期，有利于物 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 料按密度进行分选。 电磁风阀的主要优点是可以无级调节跳汰频率和周期特性，对可选性 不同的原煤适应性强，阀门开关迅速，可自动调节。缺点是系统较复杂， 需另配一套高压供风系统，气缸加工精度要求较高，维修工作量较大。 2 2 床层的松散及分层状况的相关理论 床层松散是实现跳汰分选矿粒的必要条件，也是调整跳汰过程的基本 因素之一。床层松散度是以床层中悬浮体内分选介质所占的体积百分数来 表示，也可用小数表示，又称为松散系数，公式为： 掰：生量1 0 0 、 v 式中：矿床层中矿粒及水的总体积 k 床层中矿粒的体积 床层松散是联接跳汰工艺参数和水动力学参数的环节，跳汰过程的分 选效率在很大程度上决定于整个跳汰周期中床层的松散程度及其变化特 点。研究床层松散的目的就在于确定床层的最佳松散度和水流脉动参数( 振 幅、频率、跳汰循环) ，以及筛下水速等。 跳汰时床层的平均松散度为0 5 o 6 ，细粒物料跳汰时可达0 7 。 2 2 1 床层松散度的计算 床层是由均匀矿粒组成时，可由下述方法计算床层松散度。 设在某瞬间水平面x 和z + a x 限定薄层，经某一时间段后位于一和 x + 出如图2 2 所示。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 工 j + a 一 心心心埘沁沁蕊沁 z - i - 缸 沁蕊沁黼蕊粼 薛+ 图2 - 2 床层松散示意图 f i 9 2 - 2t h es k e t c hm a po f l o o s e c o n d i t i o no f j i g g i n gb e d 若令x 层面的位移等于亭e ) ，则孝g ) = x - x 。x + 出层面的位移为 孝0 + 。d x ) = x + 出一g + 出) = 孝g ) + 出一a x 该层体积的相对增大值s 为 占：l i 脚垒竺：孽( 2 - 2 ) 弘。婴t 2 蔷 设缸层的矿粒不会转入相邻层，则 0 一m k 血= 0 一m a m ) a x 式中m ，a m 分别为该层松散度及其增量。 由式( 2 2 ) 得a m 与占间的关系为 a m = ( 1 一m ) ( 2 3 ) l + 占 于是，厚度为出的分层的运动方程为 j - m ) s 出擎= e ( 2 _ 4 ) 式中 只作用于该分层上所有力之和 s 床层的断面积 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于床层松散度随颗粒层高度和时间而变化，因此可采用每循环整个 床层的平均松散度表明跳汰过程的进行条件“3 。 床层平均松散度可由式( 2 3 ) 得出。对于整个床层 a m = o 嘞) 忐( 2 - 5 ) 而 占；量二! ! h o 式中s 25 ，整个床层上、下边界的位移 ( 2 6 ) h 。，m 。紧密状态下床层高度和松散度 由式( 2 - 5 ) 及式( 2 - 6 ) 得 m = + 二三 ( 2 7 ) 硼。+ 冱 旺。7 s2 一s i 每循环( 床层松散期间) 的平均松散度为 聊一+ 1 乙- 一m _ _ 岛生o ，+ 互, i t ( z s ) s i s | 式中b ，屯床层运动开始和结束的瞬时时间。 除松散度外，表示床层松散特征的另个参数是跳汰周期( 循环) 利 用系数p ，表达式为 p ：毕( 2 - 9 ) r 式中r 水流脉动周期。 床层上下边界位移s ，与s ，的确定如下。 l0 太原理工大学硕士研究生学位论文 假定，床层上、下边界从f 。和f ，开始运动，该边界相对( 器壁) 移动速 度等于该瞬时水流速度“与b 和t ，使水流的速度之差，即 d s ， - - y f = b i - - l d o 珊， j = u 一“ 西 1 ( 2 1 0 ) 式中 ，“，分别为和r j 瞬间的水速。于是 驴肛伽l沼 驴i ( u - u r ) d t j 2 2 2 床层分层状态对分选效果的影响 1 ) 跳汰床层的分布规律 跳汰产品的分离是按跳汰床层水平高度进行的。物料在床层中受脉动 水流的作用按密度分层，低密度级物料向床层表层运动，高密度级物料向 床层底部运动，其理想情况为同一密度级物料无例外地进入床层中某一 特定的区域，形成理想分选的床层分布，分布为不同区间的平均分布，但 是，由于受到各种随机因素的影响，在经过一段时间的跳汰后，同性颗粒 不可能全部进入其理想分布区，不可避免的要有一些同性颗粒离散到上下 层去。显然，如能确定同性粒群在跳汰床层中的分布中心和向周围离散的 程度即可掌握该同性粒群的基本规律。数理统计和概率论的基本原理表明， 像跳汰床层这样由无限个颗粒组成的物料，在分选过程中各同性颗粒粒群 的分布规律，一般属于正态分布或逼近正态分布。 2 ) 分层状态对分选效果的影响 由上可知，各同性颗粒粒群在跳汰床层中的分布呈正态分布。 】 、， 太原理工大学硕士研究生学位论文 在正态密度函数中，数学期望是一个重要特征量，它标志着在跳汰床 层中某一同性粒群的分布中心的位置，即该粒群最集中的那个床层深度。 数学期望值随时间的变化反映了同性粒群分布中心的移动，即分选密度的 波动。 正态密度函数的另一个特征量是标准离差，在床层分布中它表征该密 度级粒群中个别颗粒向邻近层的离散程度。某浮沉级粒群在分布中心处最 为集中，离开分布中心越远该浮沉级颗粒的含量越少，标准离差即为表征 这个变化程度的特征量。 床层分布的标准离差决定于分层效果，其值的大小直接表征了分层的 优劣。标准离差小，曲线陡峭，表明具有良好的分层效果，不同密度的物 料间的污染较轻，容易实现良好的产品分离：标准离差大，曲线平缓，表 明分层效果差，不同密度物料间的污染较严重，给产品分离带来困难。 显然，正态床层分布的数学期望和标准离差都直接影响到产品质量。1 。 2 2 3 影响分层状态的主要因素 1 ) 松散度对分层状态的影响 床层松散是实现跳汰分选矿粒的必要条件，也是调整跳汰过程的基本 因素之一。我们可以从两方面说明床层的全部松散过程都是物料分层的必 要条件。 首先，从整个跳汰过程看，当物料刚进入跳汰机的时候，其筛分浮沉 组成较为均匀，必然将一些低密度物料压在最下层，而部分高密度物料存 在于最上层。它们要在跳汰过程中经历床层的一定高度由下面升上来或由 上面降下去，进入与它们密度相同的平衡层。因此要求床层有较大的松散 度，以减小颗粒运动中的摩擦与碰撞，使其交换位置的过程能较通畅地进 行。在这段时间里，粗细颗粒分选密度的差值虽然较大，但分层过程快， 】2 太原理工大学硕士研究生学位论文 适合于分层初期大量颗粒需要换位的要求。以后随着颗粒换位距离的缩小 以及换位颗粒数量的减少，床层松散度即可逐渐减小，使床层下部悬浮体 密度逐渐升高。这一点不仅为物料分层所需要，也是产品分离所必要的条 件。 其次，在每次脉动中，床层首先由紧密转向松散，在此过程中床层悬 浮体产生两种现象：一方面，它将前一脉动末期由于偶然原因混入各等压 强颗粒层中的非等压强颗粒释放出去，使其回到与它压强相同的平衡层中， 从而纯化该颗粒层的组成；另一方面，松散后的床层悬浮体密度降低，必 然会增大每个等压强颗粒层粗细颗粒的分选密度差，还给路经该层的其它 颗粒创造有利的过渡条件，减少对他们的摩擦和碰撞。由此可见，每个脉 动中床层最松散的时段相当于物料的预选期，紧接着出现床层由松到紧的 过渡过程，此时全部物料向筛板沉落，颗粒所占空间逐渐压缩，床层悬浮 体的密度逐渐上升，使每个等压强颗粒层的粗细颗粒的分选密度逐渐接近， 改善松散期的预选结果，达到精选目的。概括地说，床层松散期为误入每 个平衡层的颗粒提供畅通的运动条件，使其在预选中离去，继之的床层密 实期使预选到各层的颗粒得到精选，再细分为粗细颗粒分选密度更为接近 的分层。在如此多次反复的预选和精选中完成跳汰过程。 上述过程表明，床层的松与紧是跳汰选煤的必要条件。松散度小时固 然粗细颗粒的分选密度接近，但持续不变的低松散度不仅得不到理想的分 选结果，而且会使颗粒的换位过程不能顺利进行，增加产品的污染。反之， 床层持续松散，粗细颗粒分选密度差值大，同样得不到理想结果。因此， 床层松散度的大小在每个脉动中的作用是相辅相成的，缺一不可。 2 ) 排料对分层状态的影响 分选精度不仅与原煤能否顺利的按密度分层有关，而且还与最终产品 的排卸有关。排料过程对床层分层状态的影响非常大。排料的目的实际是 l3 太原理工大学硕士研究生学位论文 从跳汰机中排出已经形成的矸石层和中煤层( 含有许多污染量) ，并且尽量 不破坏分层过程。目前采用的排料方式主要有排料轮和闸板两种方式，排 料控制基本上都是基于单片机或p l c 系统的自动排料，控制算法大多采用 p i d 或简单的逻辑控制。虽然连续排料是稳定产品分选密度的原则，但其连 续性一般都不够完善，特别是采用闸板方式排料的系统，连续性根本得不 到保证，底流床层厚度波动幅度较大，从而导致各同性粒群的分布中心位 置忽高忽低，使本来已分好的床层产生错动，造成重新污染。 3 ) 吸啜作用对床层分布的影响 吸啜作用所产生的影响，随物理性质的不同而有很大的差别。首先是 各筛分浮沉级颗粒受到的流态化程度不同。洗粒流态化程度高，运动速度 大，可随液流一起穿越粗粒间隙，所以粒度越细受吸啜作用越大。 其次是受吸啜作用而运动的颗粒受到的运动阻力不同。液流吸啜造成 颗粒之间的相对运动。粗粒运动需要较宽阔的通道，但吸啜产生在床层密 集期，不具备这种条件，粗粒之间不仅因相互碰撞和摩擦而阻力很大，而 且会彼此卡住而不能运动。细粒在粗粒之间穿行时虽然也受到形状和长短 等随时间而变的通道阻力影响，但仍有运动的余地。 再者是距离筛板越近吸啜作用越强烈。原因是越靠近底部，颗粒运动 所经过的通道越短，形状及变化越简单，所以沿程阻力和局部阻力就小。 尤其是小于筛孔的颗粒，因底部细粒已被透筛而使通道更为通畅。 4 ) 脉动水流对分层状态的影响 为了研究水流脉动特性对分层过程的影响，我们从分析一个跳汰周期 内脉动水流的运动过程入手。 一个脉动周期分为上升初、上升末、下降初、下降末四个阶段。脉动 水流的上升初期包括上升水速从零升至最大水速时整个上升过程的加速阶 14 太原理工大学硕士研究生学位论文 段。在上升过程中，跳汰床层具有最大的上举力。由于颗粒自身所受压力 的不同，这时低子分选密度的颗粒，包括粒度大的低密度颗粒，从上升初 期就开始持续地上升，而密度高的重颗粒的上升过程比轻密度颗粒可能晚 一些，同时上升速度也得小一些。在此过程中，应尽可能的保证高密度颗 粒在筛板上产生一些位移，这样有利于床层的松散及重颗粒在筛面的运动 和排放。 脉动水流的上升末期，即上升水速由最大逐渐减小至零的阶段。在此 过程中，脉动水流的上升力逐渐减小，水流的加速度方向也由向上转为向 下；床层中颗粒的上升速度也逐渐降低，密度和粒度相对较大的颗粒也会 从上升转为下降，此阶段床层的底部也将会回到紧密状态，但此时一部分 粒度和密度相对较小的颗粒仍处于上升状态，较上层的床层仍会处于松散 状态。 脉动水流的下降初期，即水流的加速下降阶段，在此过程中，水流速 度和水流加速度的方向都向下，所有颗粒都先后转为下降，床层的各部分 都会逐渐回到紧密状态。 脉动水流的下降末期，即水流的减速下降阶段，在此过程中，床层大 都仍处在紧密状态。虽然粗颗粒己不可能随水流继续向下运动，但由于吸 啜作用的存在，细颗粒仍可穿过床层中的缝隙继续向下运动。 在跳汰过程中床层的松散是由于在脉动水流作用下床层中性质不同的 颗粒运动状况间的差异引起的，颗粒在床层中运动的基本方程如式( 2 1 2 ) 所示： 15 太原理工大学硕士研究生学位论文 妄= 赤瞰 班+ 等警， ( 。叫z ) 其中：v 颗粒运动速度 o 介质的密度 d 。颗粒的密度 e 床层的松散度 u 一水流运动速度 a 水流运动加速度 g 重力加速度 d 颗粒粒度 从式( 2 一1 2 ) 的颗粒运动方程可以看出，使床层向上运动的作用力是水 流上升速度以及上升期的加速度或下降期的减加速度产生的上举力。床层 的松散与颗粒的上升运动就是靠这两种作用力。床层何时开始松散由上升 水速与方向向上的水流加速度( 在水流的下降期则是负加速度) 两者的综合 效应所决定。在一般情况下，床层开始松散的时间发生在脉动水流的上升 初期，因为这段时期水速与加速度都是向上，在上升末期与下降初期床层 的松散度达到最大，随着上升水速的减小，特别是下降水速的不断增加， 床层逐渐恢复紧密。 对上述影响分选的四个阶段的分析后可以看出，上升水流是影响分层 的重要因素。由于水流加速度对颗粒运动的影响只与颗粒的密度有关，与 颗粒的粒度无关；而水速对颗粒运动的影响则不但与颗粒的密度有关，也 与颗粒的粒度有关，因此在上升初期，应尽量利用水流加速度对分层产生 的作用。在水流脉动的上升初期与下降末期，脉动水流的加速度方向向上， 在上升期它可以使低密度颗粒获得比高密度颗粒更快的上升运动；在下降 期则可以使低密度颗粒获得比高密度颗粒更大的减速下降运动。因此在这 l6 太原理工大学硕士研究生学位论文 两个阶段希望脉动水流具有较大的加速度。反之，在脉动水流的上升末期 与下降初期，水流的加速度将会促使低密度颗粒比高密度颗粒更快的下降， 对按密度分层不利。所以希望在这两个阶段脉动水流具有较小的加速度。 所以比较理想的脉动水流速度波形应是两头陡( 有较大加速度) ，中段平缓 ( 有较- j , ；b n 速度) 的不对称波形。 水流速度对完全按密度分层是不利的，它对分层的影响具体表现在：在 上升期，水速会使细颗粒上升得比粗粒更快，可能会使一部分高密度细粒 污染到上层中去；但在下降期，水速会使细颗粒下降得比粗粒快，特别是 当床层处于较紧密状态时，吸啜分选作用将有利于将上升期被冲到上层去 的一些高密度细颗粒重新回落到下层来，这样可在一定程度上克服由水流 速度带来的负面影响。 2 2 4 跳汰制度对床层松散及分层的调节关系 所谓跳汰制度是指风水压力及其用量、跳汰频率、周期和洗水振幅等 基本参数的使用方法。研究床层松散的目的就在于确定床层的最佳松散度 和跳汰制度( 水流脉动参数和筛下水速) 的关系。 床层松散是利用水流的脉动来实现的。跳汰分选过程中床层的松散状 况在很大程度上取决于跳汰机中脉动水流的运动状态，因此要想通过调节 床层松散度来改善跳汰分选效果，就必须分析脉动水流的运动状态与床层 松散之间的关系。 跳汰过程中床层的松散是由于在脉动水流作用下床层中性质不同的颗 粒运动状况间的差异引起的，床层松散又为分层创造了有利条件，因为只 有床层处于松散条件下颗粒才能相互转移。所以跳汰过程中床层的松散与 分层是相互依存的两个过程。在跳汰过程中，最有效的分层发生在水流与 颗粒相对速度最小的时刻。因此，为了增加有效分选时间，改善分选效果， 17 太原理工大学硕士研究生学位论文 水流运动应满足下述条件： 为了保持床层在整个过程中能达到必要的松散度，需使床层能举到 一定的高度，为床层中物料的充分松散作好准备。该高度根据经验或试验 来确定。 上升前期矿粒与介质问的相对速度较大，它对物料按密度分层不 利，因此，应尽量缩短这个阶段的时间，并且希望此时床层有较小的松散 度。对细粒级来说，可以提高跳汰频率，对粗粒级则只能改变跳汰周期， 采用短而促的上升水流来实现。 床层在上升期被举离整个筛面后，为使床层能够迅速松散，水流不 应马上转为下降，应该有一个暂息时间。在此期间，水流应作缓慢的上升 和缓慢的下降，使床层能够充分的松散和分层，否则床层在上升期间整体 上升，在下降期间又整体落下，得不到松散，从而失去分层的可能。 上升后期和下降前期床层最松散。为了提高跳汰机的处理量和改善 分层效果，应该延长这个阶段，并且在这个期间尽量保持矿粒和介质问具 有最小的相对速度。由于上升后期矿粒的上升速度已逐渐减低，为使矿粒 和介质间保持有最小的相对速度，这时水流也应具有较小的上升速度：矿 粒转为下降时，水流也应跟随下降，为了配合矿粒的运动，下降前期也应 采用较小的下降水速。随着矿粒下降速度的增加，下降水流速度也应该逐 渐增加，但是不应该增加太快，否则又将导致矿粒和介质问相对速度加大。 从介质加速度对分选的作用来看，下降前期加速度很大也是不利的。此外， 下降前期的下降水速增加得过快也会造成床层过早紧密，从而缩短了一个 周期有效分层的时间，降低跳汰机的处理量。因此，应该采用缓而长的下 降水流。 在下降后期大部分床层已经紧密，分层作用几乎停止，所以这段时 间应尽量缩短。但由于这时还有吸啜分层作用存在，而它对于不分级物料 l8 太原理工大学硕士研究生学位论文 的选择是有利的。因此，应根据原料的性质，尤其是其中重矿物细颗粒j 多少来控制吸啜作用的强度和对阃的长短，方面要保证重矿物绍颗粒镦 够充分吸啜到层底，另一方面又要防止轻矿物细颗粒进入层底，造成精矿 损失。 现场已安装使用的跳汰机，风阀结构是一定的( 现广泛应用的为数控风 阀) ，风压、水压一般都相对稳定，跳汰时脉动水流的运动状态主要取决于 跳汰周期和跳汰频率。 跳汰机的各分选室工作在共同的跳汰频率下。跳汰频率高时，跳汰振幅 小，物料运动时间短；跳汰频率低时振幅大，物料运动时间长。跳汰周 期是调整床层松散规律的基本措施，在数控风阀的可调参数中，对物料分 层过程的影响最大，脉动水流特性主要决定于风阊周期特性，应根据分选 物料的性质和风阀结构的特点选择风阀周期。 跳汰周期是由进气期、膨胀期、排气期和压缩期组成的。 进气期：进气阀电平打开，排气阀电平关闭。压力风进入跳汰室，使 水具有一定的压力，当水流上升时，床层被托起，呈现松散及悬浮的状态。 此时床层中的颗粒按照其本身的特性( 密度、粒度和形状) 彼此作相对运 动，进行分层。托起的速度取决于风压和迸气阀开度，托起的高度取决于 进气期( 进气时间) 。通常，入选物料粒级越宽。要求托起的速度和高度越 大；反之，粒级越窄，要求托起的速度和高度越小。进气期的作用是保证 物料被整体有序地托起，且形成足够的沉降分层距离，同时迸气过程也具 有某些分层作用。总之，第一阶段的作用主要是抬起床层，占据一定的空 间高度，为下一步的分层运动创造条件。 膨胀期：迸气期结束后，迸气阀电平关闭，排气阀电平仍关闭。在膨胀 过程中，空气室内的水位处于低位，振荡趋稳。筛板的上升水流停止，物 料依其密度在水介质中按不同的速度沉降分层。密度越大，沉降速度越快： 19 太原理工大学硕士研究生学位论文 反之，密度越小，沉降速度越慢。膨胀期( 膨胀时间) 是物料最主要的分 层过程，应保证重物料( 该分选段的产品) 沉降停止。 排气期：排气阀电平打开，进气阀电平关闭。在排气过程中，空气室 内气体排至大气，室内水位上升。筛板的水流下降，在这阶段床层仍保持 充分松散的状态，这一阶段仍是矿物按密度分层的有利时机，是第二阶段 上升后期的继续。在膨胀期未充分沉降的上层较轻物料迅速落下，少部分 细颗粒高密度物料透箍排出。排气期( 排气时间) 应保证空气室水位恢复 到进气期开始时的位置。 压缩期：排气期结束后，排气阀电平关闭，进气阀电平仍关闭。它包 括床层恢复到筛面后的整个阶段。这个时期的特点是床层比较紧密，分层 作用几乎停止，粗大的和中等粒度的颗粒己基本停止运动，只有细小颗粒 在下降水流的吸缀作用下仍然可通过周围床层的间隙向下移动，使在前期 被冲到上层的细粒重矿物重新进入床层底部，甚至可以通过筛面进入跳汰 机底部成为重产物排出。从而改善分选效果。这是本阶段特有的分选形式， 对分选宽级别物料是有利的。在同一个产品段内，各分选室间的进气期、 排气期分别圉相动作，以免打乱床层。不同的产品段( 如矸石段、中煤段) 间可以同相或反相动作。 总之，不同的煤质对一个跳汰周期中各阶段的时间要求以及跳汰频率的 要求是不同的，应根据具体情况来确定适当的跳汰制度。 20 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章选煤过程状态参数间关系的实验室研究 前面我们对跳汰选煤原理进行了探讨。本章的任务是在上述研究的基 础上进行跳汰过程参数的实验室研究。具体包括： 研究脉动水流特性对床层松散的作用。 研究床层松散度与分层状态的关系。 寻求跳汰机风水操作制度对床层松散、床层分层的调节关系。 3 1 实验装置 实验室装置是用来模拟工业跳汰机的工作过程，主要是模拟跳汰机的 水流脉动过程，从而为研究床层的松散度与分层状态的关系及其风水操作 制度对床层松散度的调节关系提供必要的手段。 3 。1 1 单室跳汰机的结构 单室跳汰机实验装置的结构如图3 - l 所示。 单室跳汰机主要由跳汰室、活塞室、筛板、油缸、伺服阀、大活塞等 部件组成，筛板和水箱构成上机体，脉动水通道称为下机体，脉动水流由 伺服阀控制下的油缸推动水缸大活塞产生。另外，还需要位移传感器和浮 标传感器。 1 ) 上机体结构 上机体模拟的是现场跳汰机的跳汰室。筛板尺寸( 长x 宽) ：6 8 0 m m x 4 8 0 r a m 。水箱尺寸( 长x 宽x 高) ：6 8 0 r a n x 4 8 0 m m x 5 0 0 m r n 。筛板上的煤层在 脉动水流的作用下，被托起或落下，从而实现物料按密度进行分层。 21 太原理工大学硕士研究生学位论文 l 一位移传感器2 一油缸3 一油管4 伺服阀5 大活塞 6 一跳汰室7 脉动水通道8 工作台9 筛板 图3 1 单室跳汰机实验装置结构图 f i g3 - 1t h ec o n f i g u r a t i o no f e x p e r i m e n t a le q u i p m e n to f s i n g i e c e l l j 追g e r 2 ) 下机体结构 下机体是一个直径为6 3 0 r a m 的曲柱体，用作脉动水通道，它是连接上 机体和加压水缸的腔体。当油缸活塞向下运动时，推动水流通过下机体流 向跳汰室；当油缸活塞向上运动时，水因自重而下降，从上机体流回下机 体。 3 1 2 实验系统的组成 系统的硬件组成框图如图3 2 。模糊p i d 控制是采用v b 语言编写，利 用工业控制计算机来实现，工控机装有计数器，数模转换和模数转换卡等， 采集液压缸活塞位移信号。 2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 - 2 系统硬件组成原理图 f i g 3 - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs