（矿物加工工程专业论文）基于plc的跳汰机新型排料装置模糊控制系统的研究与应用.pdf

摘要 摘要 到磁翻i i 某作为种应用厂琵的选煤方法，其洗选技术水平的高低对| 荣炭产品的质量和 产量有直接而重要的影响。我们以轻产物的排放为出发点，研制出种作用在跳汰机排料 部分的，能够跟随分选密度线的脉动对轻重产物送行强行分离的新型排料装置，并取得了 预期效果。 随着大规模集成电路技术、超大规模集成电路技术的发展，特别是微处理器的出现和 广泛应用，跳汰机的控韦岐术有了定的发展。控制技术的发展越来越成为跳汰洗选效率 提高的重要动力，本文就是在e 述的新型排料装置的基础e 建立套的与之相配套的基于 模糊推理算法的p l c 自动控制系统。 本丈首先介绍了尉酞分越泔睡删瓣品的分离理舱，并以j 比作为理论基础阐述了新 型排料装置的设计思想、结构特点及其工作原理。通过对新型排料装置运行机理的深入了 解，明确了拄哺蚜犯飘约特点及控卷崾求，并依j 比制订了基于穆啪嚏臻蝴u 里的p l c 自动拄滞4 方案。模期控制作为种智能控制方式，与传统控制方法相比( 如常规p i d 控制方多0 ，具 有不需要被窿砖象的精嘲踟学模型，鲁棒性强，喜鲁瞑仿 工思维等优点，尤其i 看台具有非 线性、强耦合、难以建模等特点的跳汰分选的控制。 本文以西门子s i m a t i cs 卜2 0 0p l c 作为模瞄4 器，深入研究了新型排料装置模糊控 制系统应用时要考虑的实际问题。着重讨论了p l c 模糊控制系统中使用的的系统结构、硬 件组成、编程方式、通讯组网以及它们的综合应用。如何根据系统特性设计出合适的模糊 控制器是本文的核心内容，我f 储辣入了解摸糊控带晦i 理的基础匕，根据本系统的特点与 控锗蜉 求，对模糊辩幅g 的结构、模糊规则、模糊化策略等进行综合地设计与制定，并利 用m t i 。a b 仿真软件对其进行仿真与优化。 文章的最后对课题中的关键问题进行了总结。 图表【9 】 关健词：跳汰机：可编程序控制器；排料装置；模糊控制；凇几 b ：s i 帅l i n k 分类号：) 4 5 5 塑墨 a b s t r a c t a sa m 晌o d 谢d e i yu s e d 洫嗣期r 甜吼a l ，j i 萌i l g 幽l q 留l l a sd i r 呶锄d 油p 0 僦 m 雌m 恤q u a 时a n d 砌p mo f c o a l 眦e n 曲函咖g 哑d j s 峨0 f h 班眦 讹出咖a 酬孵d i 幽r g i d gd 妇谢c h 锻0 n 妇蝴脚唧群a n d c a n 则o w 船p i 妇o f 妞哪幽1 堍o f d c n 虹 a 5 妇出，e l c 唧懈哇0 f l s i 觚d & t e c 融) 1 0 岛e s p e c i a l 】y m e 孵脚撇锄d 锕n i 删0 i l o f l n j 叩r 删；雠。0 曲同戗龇科o f j i 嚣e r d e 惦i o p c s 删a n d b e 麟a i l 蛔唧盹呲唧 协蛔峨n l c 出d 哪o f j 瞬i 姗e a d d i 雠h l 恤黼忱龇赴眦删c 锨血ds y s 啪b a s e d o n 妇缈咖哟l a l g 舳w h 妯i s b i | i l t 向妇i 踟孵d i 9 峨d e v i c e 晦m 岫d d 峨l l l c 斌c b a i 妇o f j i 舀驾哪幽a n d 恤印硎蛔吐聊o f j i g g i l l g 撇b a s 。d 锄蜮啪删恤d e s 娥蛹伊蜘m a n d0 p e 删崦酬e o f m e i 删 卯e 蕊峨颤慨b y 耻d y 呱缸甲斌吨蝌0 f 位唧孵d i s 蛾曲魄 w e c 0 妇妇诧衄o f c o m 蝴m 觑【】b 日细d 坞叫妇删o f 伽岫d 印蛐m “垴c 0 幽g 协m 硅 w e 鹤扭b l i 血ap l c 孤衄i 捌【i c 嘶l 掣咖nk i s e d0 n 如曩扩i n f e 旧靴a l 群f i l z z yc o 哪向i s o 嘴o f 妇衲枷蜘c 0 曲同m 酣州s c i 舡删砌l 位曲凼岫lc o l 吐d 恤既明趔层p i d 。0 帅同h 唧c 0 址r o l i 础n o t 幻h 酊w 也e 咖朋鲥豫腑m o d do f o a 噍u o d m 唧b e r ，c a n 缸眦岫h m 啪恤峨a n dh a s 蛾曲l 呱椭b 她删缅船咖删o f j i g g i n g s q 肄面0 n 州d l i s n i i n 曲r 缸l d 岛珊l g 唧叫。d a d d 减幻懈d m 瞳| e 1 h i 恼粥呐峨位s 啪cs 7 锄p l c 踞妇蛳蛐础呻蚋位 舯蚵跚印幽岫蛐咖弘0 b 姗谢吼0 0 岫d 掣妇m j s 彻埘n 晷t h i sp a p e f 曲蝈妇 咖c 0 删峨b a 慨0 0 哪她脚够黜m 岫删硼n i 洳衄触o f 姗s 7 2 0 0 p l c a n d 岫姗嘲舰螂| 觚啦鼬咖龇o f 缸脚舔妊舒o f 】z 搿幔眦晒陆础n g 幻位鲫s 胁危吐聪b 姻。do n 船d c 印d e 咧舶曲唱0 f 矗】z z yc 0 曲同 眦蜮a n d 位锄n e o f 咖蚓咖啪d e s 密位缸妒鲫嘶峨妇i l l d 迪位 蠡聊诎f 畸n 崦她蛐础肌d 噬籼地诎砌删n 妇 i l 融p a r t 钿赫p 印盯s 邺叩t h e k c y p 目凼o f 妇w 娥删咀 f i 孵踟渊e 9 】 确 0 r 凼：弛，p l c ，d i s 凼| 玛吨d e v 波，缸珂。删m l ，m 舡u 也，陆删u i 证嫩 c b c n ：t d l 4 5 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞擞翌三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：和每签字日期：口g 年彩月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽壅三太堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阕。本人授权塞徽堡工 友堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：界房 导师签 签字日期：d 多年g 月扩日 签字日期：口年月乃p 引言 引言 本论文来源于安徽省教育厅重点课题“跳汰机新型排料装置”。我们已经在实验室和现 场做了大量的试验，并已设计了剞降腔制装置，并在理论上提出了相应的控制系统， 在本文中称之为原新型排料控制系统。 基于对该课题国内外发展状况的了解，以及对新型排料装置工作机理的深入分析，本 文课题的研究目的主要是：在原新型排料装置控制系统中加入模糊控制机理，建立套基 于模糊推理算法的自动控制系统，并对该控制系统进行实验和仿真，通过计算柳模拟仿真 和试验调试来调整系统各部分的结构和参数，并加入原控制系统所不具备的人栅交互平台， 加强搐啸系统各智能设备之间的数据传输和通讯，对该系统进行不断地改进与完善，最终 得到一个能良好地满足系统控带嘈球的智能控制系统。 本课题的研究范围主要集中在跳汰机的自动控制领域，如伺鞭据黟蝴的分选柳理建 立套合适的新型排料装置自控系统是捌门主要考虑的问题。我们以跳汰分选机理及跳汰 产品的分离理论作为理论基础，深 分析了跳汰选煤控制过程中的各个影响因素，并结合 系统自动控审i 原理，提出了利用模糊控制策略对薪型摊律鼢豉蚧智能陉制的研究设想。 在研究方法目笼们采用理论构造，实验室横拟、仿真试验相结合的方式对模糊控制系 统进行整体设计和优化，以期得到个最优的模糊控制系统，达到通过应用本系统稳定精 煤灰分，减少精煤流失，提高产品质量与分选效率这样俩结果。 本文课题的研究应用有两方面意义： 理论方面：在深入理论的基础匕将跳汰分选机理和自动控制理论及模糊控制机理紧 密结合；本模糊控制系统的设计研究，既验证了跳汰分选理论，又拓展了自动控审l 旌论及 楔黼辩蝴理拍割劫司疆深层次的应用。 应用方面：通过计算机的模拟仿真试验，可以为进一步改进跳汰机自动排料控制系统 积暴有价值的经验和数据，并理论转化为实际，为最终将本排料控制系统真正投入现场应 用，更进步地综合提高糟煤质量和产率，提供理论依据与验证。 l 绪论 1 绪论 1 1 煤炭洗选加工的现状和意义o 我i 羽煤炭储量丰富，是煤炭资源的产、销大国，整个煤炭1 ：业在中国的经济发展中发 挥了重要的基础和支柱作用。煤炭的洗选加工作为煤炭加工利用的基础是煤炭工业调整产 业和产品结构、促进产品质量升级、拓宽锵炭市场、提高墙唠拆0 用率的重要途径，依照“十 一五”的规划纲要，煤炭工业必须走深加工、整体自嘶的道路，转换能源开发模式，建立 可持续发展的清洁能源生产体系，而这系列煤炭资源战略的实施都离不开煤炭冼选加工 工业的进步与发展。 建国5 6 年来，我国逝始比共洗出 自煤约3 7 亿t ，为钢铁工业的大发展安嗲潞r 炭工业 翻保两琵做出了较大的贡献。到2 0 0 5 年表据不完全统计，全国原煤入洗能力为1 0 亿 t 以上，j 泵煤入洗量为8 5 亿t 左右，既保障了快速增长的钢铁工业的需求，又满足了煤 焦出口的需要。但是，我们囱青醒地看到煤炭生产企业历来是重开采轻加工、重生产轻利 用。从质量e 看，我国冶金精煤的灰分、水分都比国外高1 个百分点，动力煤质量也有差 踞尤其在发电用煤上，医勾价格问题电匀行业不粼洗后动力煤。从效率e 看，我国选 煤厂选畴墩率比国外先毪d 吖氐5 ，精煤产出率低约2 5 9 6 ，在国际市场e 竞争力较低，劳 动生产率相当于国外的1 2 0 ，用人多、效率低，管理成本较高。从设备角度来看，设备的 大型化以及自动化技术、计算机技术在设备中的集成与应用，与发达国家相比_ 肓定差距。 按照党中央提出的“建立资源节约型社会推动循环经济发展”，经济结构将进一步调 整，资源配置将进步优化，能源生产和消费模式将会进哆改变，这切都对我国的煤 炭洗勘口工工_ 唆出了更高的要求。选慊工艺、设备自嘴步完普与发展已成为提高我国 煤炭产品质量和竞争力的个重要目急待解决的问题。 1 2 跳汰洗选在选煤中的地位“2 跳汰冼选工艺绷单、技术成熟、发展时间长、使用范围广现阶段跳、汰逸勒，为我 国主要的选煤工艺。在新轮的技术更新过程中，个体资本介入选煤行业由于跳汰技术成 熟、生产成捌氐、投资省多数新建选煤厂世自隔硼了跳汰生产工艺。跳汰选煤工艺灵活， 既可以形鼬黝的5 镪缸艺，也可与其他工艺相互l 鳃绑睦商铀i k 的效益和资源回收率。近年 来重介质迸鹄目竞术及其装备日渐成熟，其推广范围变宽，因此剐嘞浏粗艺所占份额较以 前有昕下降但由于其系统简单可靠、生产成本l 氐、对较樾煤也有好的涨蜾所以跳 易k 选仍占大约6 嘶的份额。因l 比，跳汰选技术水平的高低对煤炭产品的质量和产量有直接 而重要的影响。 安徽理t 大学硕士学位论文 1 3 国内外跳汰机中自动控制技术的应用发展概况“” 跳汰机的自动控制技术其本质就是对跳汰机的各个重要参数的检测与控制，近年来各 国在跳汰重要参数的检测与控制方面做了大量的研究，目的是提高跳汰机的自动化水平并 = 逆歪螨意的分进效果。但影响砑酞分选效果的因素很多，如：原煤特性、入粒 量、排料量、 风压、水量、床层松散度、跳汰周期和频率等等，这些因素相互作用，相互影响，目前尚 未对它们建立起套成熟完善的数学关系模型，因此对些参数的控制模型还是建立在感 性认识或试验结果的基础e 。 对床层厚窝嗣黻的检测划空审 卜直是各国专家1 f 研究的重点。起初，检测跳汰机 床层状态的目的高黼蜩降 量，现在，为了实现跳汰机的智能化，需要控榭暾汛的风水 制度、给煤量和产品灰分等。波兰的b o s s _ 2 0 0 0 型跳汰机自动排料装置能能够硷坝4 床层的 松散度，检测的数据直接控帛n 风量、筛下水、筛匕水和风阀。澳大利亚的a p i c 跳汰机可检 测：脉动速度。可画出位移分布图，而脉动波形正是操作人员历需要的；空气室中的 液位。可以提醒操作人员防l e 在排气时水位过高进入排气管中； 床层密度。过去检测床 层商蝴浮协过差置，但对入料的粒度、密赛删耪嘲嘭的影响不能删 ，所以他 研发 了能精确测量床层平均密度的j 亥测量计，测量计的读数是所测床层被的真实密度。日本 的跳汰帆能够测量来层脉动的波形、波高、频率、空气室中的压力以及给料量和排料量。 根据邈! ! 数据，可以控制高、低压风的进风最和频率，设计出能瞬蘸足各种煤贡的可变波 形跳汰机，使选煤效率大大提高。 另外，根据这蚴0 的数据，再配以数嬲的计算机，有些国家已经实现了跳汰机 的智能化管理，可不用人工操作，如：波兰的跳汰机，采用眺g 中心a s _ 2 0 0 0 型控制系 统技术，除对f 4 降限、床层轻潮嫂、筛下水、筛e 水、空气i 嬲翅瑚必行自动控制以外， 还对跳汰机及其所在工作绷工作状惫迸 亍j 弛翱铂检测，倒暾潮不需要 、工操作； 澳大利亚的a p i c 跳汰睁l 采用了j i 西c a n 空气脉动跳汰机控帛蠕，它的特点是按i 佥澳捶0 的数 据进行操作，将采集的大量数据进行睹存，这就为现场提供了可参照的历史数据，并能够 与现场已有的控甫蚴砰牛交换擞据。 b a t a c 跳呔机，他晰敬蚴能用p l c 控制系统，对所 有排料闸门和脉动空气室进行控制，通过团结振幅、频率进行闭环控制，时期对上限为 1 弛n 的煤炭进行全粒级分选。 我国在跳汰参数的检测手段蝌比较单，目前在生产中大量应用的主要还是利用 浮标崩簖黝蝴4 来层厚度铀勋阿嘣降匾和给料量的自动控制，还面噼斟朝趣缄测 灰仪，实现精煤灰分自动控制。目前我国的s i c r 型跳汰机和x 跳汰机，都采用p l c 和触摸 屏组成的智能控制系统，可分辨地调节和显示跳汰机地各种工作参数，还可实现与集控室 4 l 绪论 的通讯等功能。 我国选喇一一般都没有燃质化系统，许多选煤厂的来煤变化比较大。跳汰机所洗 原煤煤质并不致，这样基于常规p i d 的控带懈椎蜀刭蟒睫撇崾求，而且眺汰选煤过程 数学模型是困扰跳汰选煤的项难题，各变量参数多、变化范围宽，想通过求得一个完整 的数学模型来对跳汰机进行控制非常困难，因此模特时空制以及模糊神经网络，便成为了跳 汰市睫砩姗的首选，中国矿业大学，太湄舡六掣镯轺筑b 瓠酊l 故出了一定的应用研究。 1 4 问题的提出和依据 跳汰分选过程主要有两部分组成：物料的分层和产品的分离。目前，原煤分层的理论 分析较深入细致，已经提出了几种分层理论模型，但产品分离的理论基础尚不完善。跳汰 机的排料系统作为产品分离的主体是跳燃中重要的环，它性能的好坏直接影响最终 产品的质量和精煤产率。现代跳汰帆分离的最新技术，大多集中在排料装置结构t 的改进 和采用不同的工艺自动控帛l 琏薏术匕。通常认为跳汰产品的分离，使重产物的排放速度与床 层的分层速度及矸石( 中煤) 层的水平：沥办载卧日适应，若重产物排牧迂 慢则出现堆积， 不但影响整个床层松散情况，使得正常分层难以进行，而且污染精煤，影响精煤质量；若 重产轻猬尉隧嚏过快，又导黟【研石( 中煤) 层过薄，甚至出现排空，使整似彩层处于过度 松散的不稳定状态，会使原本分层好的床层遭到破坏，耩煤损失很大。而瑚代跳汰柄产品 分离理论的研究表明，跳汰产品分离技术必须遵循以下三个萋本原则： 1 密集同密度各粒级粒群的分布中心。 2 稳定跳汰产品分选密度的分界线。 3 统跳汰产品分选密度的分离线。 针对空何稳定床层厚度和分选密度，怎样将已经分层好的物料精确而快速连续地分离 成所需的产品，我导师根据多年的研究和丰富的经验，对传统的排料装置进行改进，设计 出了翻翟崩眯鞘蔚配。席敝中所设计的额蟹嘲降靼鹚副臣葩原有的擀糊夔置系统t 增加了可 随5 k 层厚度变化而上下运动的可调铲板，并设计了a i 嘟颧谨疽交变水流作用而进行波动 的可调铲板。这套装置更好的实现对排料道附近已经分层好的而尚未达到排料道匕方的轻、 重产物进行强制切割分离，降低了排料道匕髟扣剥犬 孵隘对产品分离的影响，实现了 水平运动的物眯斗在水平方向e 进行分离，提高了产品的分选精度和产率。大体e 解决了跳 汰物料水平移动与垂直分离的矛盾。 1 旦到目前为止，还没有配套的、完善的自动控帛岈i 统及时跟上，无法安现排料系统 的自动化。 2 我f f 瑚筘蝣步考察了解到，虽然般来说，糟煤密魔越大其灰分越高，但有时相 安徽理工大学硕士学位论文 同灰分的精煤有不同的密度，原煤性质也是波动、变化的，而且在生产过程中，床层并不 能按密度理想分层，其分层效果也是波动的，而由于原新型排料控制装置没有在线自适应 调整的功能，不能适应这种波动、变化，无法实现排料系统的智能化。 3 根据跳汰机工作机理假说，洗选效率及质量、床层厚度和风水审帔之间没有确切的 数学模型，影响分选效果的变化因素很多，是典型的时变性、非线性的复杂系统，传统的 拄喇理论和力、法难以列新型扫睇鞘封呈进行雨帮日空制。 针对以上j 字在的问题，我们充分利用模糊控相肌理无需知道数等白睁型、鲁棒性强等特 点，设计了新醐黼控制系统，该黎矫| 堋y 射毖蟛准线测灰系统，将精煤 灰分值引入黟姒潮排壮h 空制系统进行回控，倒群黼诙分黼鲠盼离i 舌i 麴嘞渤位置进行 调控；作为本控制系统的控制楱0 ，通过软件编程的方式使p l c 成为内含模糨陉串【舰理的 捌瓣群蟋；采用阱- y z 到斯觥为系统蒯斯撇，觌自蒯 附。实i 钨盱精煤灰 分的自动排料模黼空制系统，不但提高了跳汰机冼选精煤质薰和产率，丽目及时将已分层 好的物料快速连续地分离成所需的产品，维持了床层的稳定性。 本课题来源于安徽省教育厅重点课题“跳汰机新型排料装置”。在此之前，课蹶组其他 成员已经作了数据采集、方案探讨、实验室试验，本论文将对其回控机构的设计进行研究 和 试验。 1 5 研究的目标和主要内容 1 研究的目标 1 ) 在深入理解的基础上，将跳汰分选理论和自动控耕罾轮厦赞蝴期理紧密结合； 本测胡控制系统的设讨预究，既验i 正了跳恕艄整理论，又拓展了自魂瞄睢酗掘模糊控制 机理在选煤方匾更渫屡次的阙。 2 ) 通过计算机的漠拟仿真试验，为：进步改进自动排奉斗控制系统积累有价值的经验和 数据，薨睡 仑车韩哟实际，为= 黜本摔瑚蚓目系统真耐壁! 入现场应用，更进蹦b 综合 提高精煤质萤f 【】产窜，提供理论依据与泮学验证。 2 研究的主要内容 1 ) 利用计算机辅助仿真工具m 枷m 对新望岿荆装置盼蝴蛾搂襁雠9 系统进行系 统设计、优化和仿真，通过使用凇t l a b 中的f u z z yl o g i c 工具箱和s i m l i n l 【中的仿真模 块对我们的模糊控制系统进行仿真，并在仿真豹过程中调整和更改镤湖控制系统的结构和 参数，包括输n 俞出隶裙函数的形状、个数，解阔胡魄辫去等等，使系统达到最优。进一 步，我们利用仿真所得到的徽统，可得到个输入输出查海襄井陆僦p l c 中调试 使用，根踣p l j c 调试、使用的结果的反馈，对恻蝴的绵陶、参煅查海黼彳亍= 进一步 6 1 绪论 的调整，经过几个来回的反馈、调试，得到一个最优的，能满足实地使用控制要求的模糊 控制系统。 模拟、仿真试验方案：模拟仿真调试在系实验室通过电脑即可进行，利用辅助设计软 件m a l 、l a b 及其仿真组件s i 删l i n k 对模糊系统进行仿真调试。 2 ) p l c 控制器的软件编程，主要包括p l c 模糊控制器程序的编写( 主要是模糊控制查 询表的寻址与比较) ，眦与e 位机及其它智能设备的通讯程序的编写( 即合适的通i 飘协议 的编写) 和工作方式选择、报警等其它程序的编写。其中我们使用西门子公司的s t e p 7 - m i c r o w i k3 2 编程软件对s 7 2 0 0 型p l c 进行编程。 3 ) 基于p l c 的自动控制系统硬件部分的实现。尤其是p l c 的外围电路的布罱，p l c 扩 展模块的选择和使用以及与其它设备通讯的硬件实现，并进行实验室调试。 4 ) 运用北京亚控组态王k i n g 、，i e w 6 0 组态软件构造个操作者和控锚i 系统之间的交互 平台，通过它和p l c 之间建立通讯，并充分应用组态王的数据采集与处理、画面设计、动 画显示、报表处理、报警处理、流程控制等强大功能，制作出个全面、友好的人机交互 界面，使得工作人员自g 动态地、实时地、直观地监测排料装置控镥瞟统的运行情况。 7 2 跳汰分选机理 2 斟e 汰分选机理 2 1 概述8 “ 跳汰选是最重要的重力选矿方法之一，也是选煤方法中应用最广泛的习冲，跳汰分选 是指杨科主要在垂直e 开的变速介质流中，按密度差异进行分选的过程。对磅l 汰理论的研 究至今也已有一百多年的历史了，由于跳汰过程的影响因素较多，各种因素的变化大目复 杂，i 因而使得跳汰科学研究和理论分析更加困难。至今，对剧鳅浇鹾机理的认识仍不十分 充分，虽然提出了各科i 跳汰分层假说删暾趱唆；l 型，并目也对生产起至u 了一定的指导作 用，但这些理论仅仅反映跳汰过程的某个儇4 面，不能全面地描述在跳汰过程中矿粒按密度 分层的物理实质。尽管如此，这些假说和理论模型仍然是我1 门掌握、研究跳汰分选杌理的 理论指导，也为我们对跳汰机作进步改进、完善提供了理论依据。 跳汰选作为童蠹虹艺) 亨法之一，其分层理论仍然要受“颗粒及夥啪群的沉降理论”， “颗粒群按密度分层理论”等些基本原理的支配。在其基础上，前 、就眺汰松散分层机 理提出了不! 净理论见解，归纳起来主要有两种基本观点：一是椒个别颗粒盼送动差异( 速 度、加速度) 中探讨的分层原因，谓之动力学体系学说；另稀是，叭床层整体的内在不平 衡因数( 位能差，悬浮液密度差等) 中寻找分层依据，称之为静力学体系学说。 2 2g 雯粕l 丢累霹挂嗣鞠；，邓痒理沦旧喇 颗粒及颗粒群沉降理论，重要研究颗粒沉降的基本规律，矿粒在流体中自航降是跳汰 分选过程中最基本的运动形式。 z2 1 矿粒| 在_ 介质中的自由沉降 单令颗粒在无限宽广的介质中沉降，称为自由沉降，这是最简单的沉降运动形式。矿 粒在介质中运动要受至| j 介质阻力( 包括压差阻力、摩擦阻力) 作用。介质阻力的形式与流 体的绕流流态即雷诺数也有关。 当矿粒尺寸微小或矿粒相对于介质的运动韵速度较小，且其形状又易于流体绕流，附 面层没有分离时，摩擦阻力占口e 势，压差阻力可忽略( r 。1 ) ，运用斯托克斯公式计算， 即 只，= 3 掣咖或只，= 之 d2 p v 2 ( 2 一1 ) 。 r 一一介质对矿粒的摩擦阻力，n ： 一一介质的动力粘度，p h s ； v 一一矿粒的相对速度，s 。 9 安徽理一j ：人学硕七学位论文 当矿粒尺寸较粉尘大，速度也稍大时，目矿粒沉降后部开始出现黻分离，其孝占畦 摩擦阻力和压差阻力是相同的数量级( 1 n 5 0 0 = ，此时过渡区阻力用阿连公式计算， 即 r 一吐2 5 石届再1 5 或耻景 当矿粒尺寸或旷粒的相对速度较大，目形状又不易使介质绕流，导致较早的发生附 面层分离，在矿粒尾部全部形成漩涡区( 5 0 0 6 。则，v 。= v 。，d v ： 如， 铲象州 设两等沉颗粒，其粒度和密度分别 故 ( 2 _ 9 ) 铲等2 揣 c 枷， d ，2| l f ， 2 【6 1 一pj 由于等沉比通式中包含阻力系数1 i r ，故无法直接计算，但两个等沉比颗粒必须在同一 性质阻力范围内，对形状不规则得颗粒还应把球形系数x 考虑在内。 按斯托克斯公式拉e 。，对形状不j 舰| j 的矿粒当v 。= v 。：时即 = 鲁= ”( 等 “2 按阿连公式求e 。厉b 理得： = 磬= 等 ”3 p 切 按牛顷一雷廷智公式求p 。同理得： 一等= ( 鲁) 2 ( 学) 圆 按个别公式求p 。得统一形式为： 铲等= ” 等 “ 阻 孕 一一 o 安徽理1 = 大学硕士学位论文 可见，粒度d 大，速度亦大，则雷诺数r 就大，式中的指娄陆痢n 也相应变大。e 。的 大小在一定程度e 反映了两个等沉颗粒密度上的差异的大小；同矿石中不同密度矿粒的 p 。越大就越易分选。同时p 。大小也随着介质密度p 的增大而增大，且8 。还是阻力系数v 的函数。理论和实践均证明，e 。将随旷粒粒度变细而减小，p 。越大就意味着可选的粒级 范围就越宽 2 2 2 司 越在介质中的午抗浈：降 实际逸旷过程中，并非争们目科砬在无限介质中自由沉降，而是矿粒成群地在有限介质 空间里沉降，这种沉降形式称为干扰沉降。干扰沉降时，其沉降速度除受到自由沉降因数 j 莉 ，还受黼嘲鲤圾周围目触所引起的附加因数的影响。附加因数有：( 1 ) 流体介喷 的j 削帝i 缈曾加，引起的介质阻力变大。( 2 ) 颗嘲郦辇日寸与介质的椰嗽嘏增大，导致沉降 阻力增大。( 3 ) 在菇喇散卧觏下，颗 颤降受到的浮力作用变大。( 4 ) 由于羁啦之间、 颗粒与器壁之间摩朔稠曲辩吐的柳击邸目力。 门罗等人在研究跳汰过程中颗粒之间的相对运动，认为对于每个颗粒在粒群中匕升或 下降时，相当于在周围颗粒组成的细管中运动。门罗研究了这种干扰沉降的规律。 门罗试验是将直径为2 l 黼n 的球体( 雷诺数在适合于牛顿一雷廷智公式的范围内) 放在窄管中进行的，提出了下列经验公式。 r v 。甜5 1 式中，和k 一一球体自由沉膊和干执耖蹲釉够舟l 渡： d 和d 一一球体和窄管的壹径。 门罗公式表明：球体干扰沉降速度与自由沉降速度成线性函数关系，县随球体与窄管 的直径比值的= 嘞霞i i 日变化。介质为无限空间时，d 值为无陀犬，比值d d 趋近于0 ，球体获 得自由沉降条件。当球体直径越姗窄管直径时，其干扰沉降末逮粕随低。 窄管沉降理论对认识重蝴的启发是，颗嵌刊魁碟蹄速度随床层龋f 浓度 变化。 五= k 矿l o o ( p 1 6 ) u 一一是浮液中固饰莉疆立所占体积。 里弧申柯根据物体荏介目肿的有效重劝和介质的动压力平衡即可维持悬浮原理，利用 均匀粒群( 密度、粒度均相同的粒群) 在e 升水流中的韵翱硝皆时吻讲 规律。 当粒群在某一e 升流速达到稳定斟孚液对，其中每个颗粒的受力，应有睁艮由此 可求出颗粒干扰沉降速度u 为： 2 跳汰分选机理 v g 。 7 z 以( 占一p ) 百g ( 2 一1 7 ) 式中，。，一颗粒干扰沉降时的阻力系数。 里亚甲柯通过干扰沉降管的大量 试验，算出矿粒在不同v g 下的凡与v 。的对应值，即 2 矗万 ( 纠8 ) 代入上式得： v ；：1 ! ! ! ! 掣j g ( 1 i ) t ：。( 1 ，a ) t ，( 2 1 9 ) 、6 即“7 “” 令口= l 一五， = 2 贝u v，=vn p ” n 值求法可利用经验公式，变换坐标求得。 同样，干扰沉5 犟也具有等涉诫象，将组粒度不同、密度不同的粒群放入e 升介质流 中，等到沉i 蜂稳定，各颗粒按照干扰沉降末速度的大小而分层，各窄层中同样有不同粒度 的等沉颗粒，它们的粒度之比称为干扰沉降等沉比。以嗨表示，即= 孚 因是等沉颗粒，所以 v o 】( 1 一五1 ) m = v0 2 ( 1 一a 2 ) ”2 ( 2 2 0 ) 若两异类粒群的颗粒的自由沉降是在同叻范围内则，n i = 啦气l 。故， 铲睾= ( ( 。( 旨 。江z t ， 参考自由沉降系列公式得： 铲e 。( 旨卜。( 纠 蚴 对于涡流压差阻力范围内取n = 2 3 9 ，在摩擦e 臣力范圈内取n = 4 7 8 。 两种颗粒在混自铆蠡时，相对于同样尢4 讳朔粥口葡睡南粒度小的容移 浓度小，松散度 越大，而粒嚏大得容积浓窿大，松散度小，故总是 ( 1 一 2 ) ( 1 1 1 ) ，即82 b ，则缸 e d 。 干扰沉降等沉比总是大于自由沉降等沉比目随容积浓度的减小两降低。 2 3 粒群按密度分层理论嗍 2 3 1 按颗粒的自由滚降速度差分层学说 按颗粒自由沉降速度差分层学说是由雷廷智最早提出的，他认为在垂直流中，床层分 安徽理工大学硕十学位论文 层按轻、重矿物颗粒的自由沉降速度差进行。在紊流条件下，球形颗粒的沉降末速为 r = r = 1 v 。= 5 4 2 、f 壁 二型，等沉比为8 。= 芝 旦，沥濠明劂立耗痨c 于沉隋被有 v p d l p 同样重要的影响。切乔特将上式改写为。一。= 彳d = 血关系后，并予以延伸，给出不 同密度颗粒在同介质中沉降时，沉降速度随粒度变化的关系，如图1 所示。由图可见， 同粒度颗粒高密度沉降速度快沉在下部，低密度落在高密度e 部，高密度颗粒随粒度减小 速度降低与低密度大颗粒形成等沉颗粒。要使两密度不同的粒群在沉降中达至允层，必须 使给料中最大鄹醋立与最小蹴的耗渲比小于等沉颗粒的等沉比。 v0 1 v0 2 凰1 不同密睦颗曲嘲弼鞫髓嘣粥瞳銮化关系霉 f 远1 1 k d e i 翻妇耐1 0 f 文d 商d e c h e l o c 毋舯a 鄹聊h 时西积确缸d 呻闽6 d 按劂宜自由沉降速度差分层学说观点，要求煤炭在 洗前严格筛分分级，从而导致生 产流程复杂化，但对宽级别入选煤有较好的效果。但在实际跳汰过程中，入料并非单体颗 粒，介员蚓既限和静止的，颗粒沉降既不是自由的、沉降末遮也很难达到或根本不出现， 所以用单体颗粒自由沉降规律翻靖猁酬浏程是不合实际的，只能作为粗浅的认识。 2 3 2 按颗粒的干扰沉降速度差分层学说 为了解释矿石可按宽级别( 给料t 下限粒度比大于自由沉降等沉比) 入选问题，门罗 提出了按干扰沉鞍陂差分层学说。颗粒盼干扰沉降速度为v ，= v 。( 1 一五) 4 ，干扰 厂凸、” 沉降等沉比p g = e oi i ，由于e g e d ，由此可说明在干扰沉降条件下，可以分选宽 k 口i 级别物料的事实，且说明了随粒群容积浓度的增大，按密度分层的效果会越好。 2 3 3 按矿物悬浮体密度差分层学说 翅_ 蝴早由a 九赫尔斯特和t 汉考克提出，里亚申柯在谶的基础t 进步 1 4 2 跳汰分选机理 进行了验证。他们将混杂的床层视作由局部重矿物悬浮体和局部轻矿物悬浮体构成，在密 度方【酊具有与均质介质相同的性质。在勤作用下，悬浮体存在着静力不平衡，就像油和 水混合在遐，最终导致按密度分层，即在上升水流作用下，密度高黼浮液集中在一卜层， f i ：密度低的集中在上层。局部轻矿物和重矿物懋浮体的密度分别是： p ，i = 五l ( 占i p ) + p ( 2 2 3 ) 丰u p 。2 = r j ( 占2 一p ) + p( 2 2 4 ) 按此学说实现j 1 分层l 重矿物在f ) 的条件是 五2 ( 占2 一p ) + p 丑i ( 占】一p ) + p ( 2 2 5 ) 以某种方式改变1i 与 2 的相对值，使 五2 ( d 3 一p ) + p 五；占、。 从位能分层观点来说，麻压；在髟瞅a 立程中，由不同密度翱凇洄徽的 日群，其散密度 x6 的不同。是允层的基本依据，散密度高者处于最低层。粒群的散密度是矿粒的密度6 和粒群在自然堆积状态下的固体容积浓度 的乘积。 又是矿粒形成及粒群粒度组成的函 2 跳汰分选机理 数；所以，跳汰分层的结果，不仅取决予旷粒的密度，而且还与矿粒的粒度组成和形状有 关。在自然堆移 分层时，若粒发相同而密度不同的矿粒，高密度酽啦位于下层，低密度在 上层：若密度相同而粒度不问，分层结果自然是黻大的在下层，粒度小的在上层。在实 际谢鳅a 虫呈中，虽然原科中各矿粒的粒度差浔u 很大，但是各个密度级粒度组成基本上是相 近的。因此可以说，矿粒比较严格的按密度分层。根据位能假说，跳汰时床层中如果人为 地加入一些高密度细矿粒，则由于它们在分层中可填充到重矿粒的空隙中，从而提高重矿 粒脐：层的容积浓度，导致位能差增大，更利于加速允层和提高分层效果。 分层的位能学说属于静力学体系学说，这一理沧除了跳汰以外，其他虱疰分居过程都 可借此学说予以鸯琴驿，故将边耶尔位能学说视为重选基本原理。 2 5 分层过程动力学学说” 颗粒在垂矗交交流中运动分层，所受到的作用力有：矿粒在介质中的重力、介质阻力、 彳懒带动作由喇运动的附力呻喷性阻力、介蜃钵身作湖瘫隧动的附加推力及房谵中与其他 果蝴x 蚴产生的摩擦阻办嘲械阻力等。这些力关系又彳艮复杂。维矧削数猷以数 学的形式，对各项因数加以概括，列出力学微分方程式。 1 床层中颗粒在垂直交交流中的受力分析 假定取作用在颗粒e 的力，其作用方向以向下为正、向上为负。则各项作用力可表述 为： ( 1 ) 矿粒在介质中的勤，因其方向向下，故为正。即， 开j3 go = ! ：；上( 巧一p ) g ( 2 3 5 ) o 矿粒与水i 霾有相对运动而引起的介质阻力r 。当水流超越矿粒运动时，表现为介质推 动矿粒运动的动压力。b 口 胄l = 一缈d v ；p( 2 3 6 ) 式中，v c 为相i 恸速麽它等于旷粒速度v 与水流速度u 之差。介质阻力r 的方向与v c 方向相反，而v c 舫向又是变化的，当颗粒相对于介质的v c 方向向下时，r l 为负；v c 方向 向上时，r 为正。矿粒不论是在静止、上升或下降水流中，其沉降时所受到的介质阻力的 方向，最终都是向上的，故该项取负。 ( 2 ) 由于介质作自喇垂动，其加速发所产生的惯性力作用在矿粒匕，称为介质流对 矿粒的附船准力f 1 。f j 的方向与介质加速度方向相同，其疽等于矿粒摊刑司体积液体的质 量与该液体加速度d 的乘积，即 j 3 e = ! p n( 2 3 7 ) 安徽理工大学硕：七学位论文 矿粒所受到的介质附加阻力r 与矿粒在介质中所受浮力的原理相似，区别仅在于浮力是由 于介质的重力加速度所引起的，而惯性力f 则是由于介赁运动的力随度d 所产生的。 ( 3 ) 由于矿粒在介质中作加速运动，势必带动周围部分介质也随其作加速运动，于 是这爵盼价质便产生了与其方向相反阿偿稍力，此力反作用于矿粒e 。因此矿粒受到个 附加惯性阻力艮的作用，即 足。一，孚p 等 ( 2 _ 3 8 ) 式中，卜_ 为刚加质量系数。 i w | 力嘴i 性阻力心的方向，与相x 于力喇渡方向相反。由于相对加速度无论注静止、上升 或下【j 荜介质流中，最终女陧向下的，故相对由撇自钫向龊向下的，则r 为负。 ( 4 ) 蕨i 层中矿粒运动时，要受到机械阻力r j 。机械阻力r 的大小不仅与床层自争 公散 度有关，而且逝爱矿粒自身粒度和形状的影响。当床层处于悬浮松散状态时，r j 只能表现 在局部矿粒间的摩擦与碰撞上，运动颗粒的动耗。当床屡紧密时，通过颗粒闻的直 粼，阻力便来自床层整体，因而r j 达到极大，而目粒度下同蝴獬咿踵的力r 也不同。基于玛复杂性，当前没有数学麦达式可以表达，因i 盼塞里不将它计入。 1 矿粒在垂直交变介质流中运动微分方程式的建立 这和翱卿哺黝作用，麒他门种阻力加以合并，得州蛔镪i 醢姗中受力方程式 为： 历警= g o + 月，+ 曩+ 砖 ( 冽 或 警占鲁= 孚c 占刊g 一州联p 士孚一，孚p 等 悟删 上式只襄静耖卜嬲科蛀垂= 鲂向上的受士牖说，但是也可翰兰视作为莱胂同l 生觥的 远璇彩泐程式，可用以分嘟捌昧层的分层朝理。方断嗽绑象堋耐立的质量埘：型互j 得运动微分方程式为： 鲁= 篁g 一鲁詈声一- ，詈等 ， d t6 6 定d 。6 6 ” j 5m “1 l 从上式可以看出，在垂直交变介质流中，矿粒运动的加速度，除机械阻力的因数外， 主要由四：种加速度合成的。通过对跳汰过程中颗粒运动微分方程的分析，可归纳两个要点： ( 1 ) 矿粒运动状态除与密度有关外，还与粒度和形状有关。而粒度及形状的影响仅 2 跳汰分选机理 体瑚在介质阻力加速度上，其数值与相对加速度的平方成正比，因此尽量减小矿粒与介质 之间的相对运动速度是很重要的。 ( 2 ) 介质的运动状态( 速度和加速度) 对矿粒的运动或者对床层分层有重要影响， 因此选择合理恰当的水速和加速度可对床层分层创焰翔；b 条件。 2 6 影响跳汰分选的因素“叫“ 影响跳汰分选的因素很多，按其机能特点分为：入料数、量特性的工艺因素：表征压 缩蜘筛下水参数的水动力因素；与跳汰产品排卸方法有关的结构因素。如图3 所示。 l 跳汰机的给料 原煤入料影响因素不刊目因素粒度、筛分组成、浮汀瑚戚；可调因素：单位负荷。 物料颗粒在各自的平衡层运动时，粒度越大，受周围颗粒的不良影响越小。随粒度的 a 刹、，其单位表面积增大，与表面积成正比的粘着力的作用也相对增大，与质量成正比的 重力的影响却相对减小。这样，小颗眩匿渣度分选效率降低，所以说跳汰分选的总效率与 各粒级的含量有关。末煤薰越大，它们按密度分选精度越 氐，粒度和密度相差不大的粒群 分选精度会明显下降。此外，跳汰分选的精度随着单位负荷的增加而下降，而单位负荷过 小，则不经济，分选过程也难控制。入料性质的变化影响眺汰制度的变化，影响产品的质 量和产率，还破坏眺次床层结构的稳定性。 因此，要蹦制蛳拯谳0 。吼使八料性质变化的波动氐匿，l 、，使给 跳姗原煤 压缩空气 臣 可调因索 不可调因素 “r 1 1 筛f 水 图3 影响分选的赜 f 瞎3 耵虻硼h h 髓自咖稻o f s e l 瑚豳i 均质化，给料速度均匀，对于几种性质差别较大的原煤可采用配煤入选的方法，即可提高 9 安徽理工大学硕士学位论文 分选效率又提高r 经济效益。 2 物料分层与跳汰制度 跳汰分选过程要求矿物颗粒要按密度进行分层，因此我们要通过各种方法使颗粒的密 度在分层中起决定作用，尽量限制颗粒的粒度和形状对分屡的作用与影响。 彭敞靠啵包括：髟垃赶频率、髟娩友振幅、剧赶周期、肛勘才( 量等因素。 跳汰脉动水流的振幅决定了床层在e 冲期间扬起的高度和眺汰床层的松散条件。床层 必须扬起的高度与给料的粒度和床层的厚度有关，粒度大、床层厚，要日嘲呔晦删鬲， 以得到较好盼睑散分层。在风匝不变的条件下，降低频率，脉动水流的振幅可增大，床层 松散也增大。用低频( 3 5 4 0 冼，m i n ) 大喇嚼i 酞，床层松散嚏懒呔，分层毫快，跳放机 处理量大。但此时速度因素、粒度和形状因素对分选效果的影响皎大 操作时，对风水制 度和给料量的娈鼬湘当敏感，很难操作，故只适用于分级块筠翰落和易选焰5 分选。高频( 5 0 6 0 次m i n ) 彭随赶时，工作稳定，加速度影响大，粒度和形状影喻鞍卟，细粒能力较强，故 产品质量好而l 急定a 所以可以说，只要风医、风量和风阀构造等条件许可，能达到所需的 床层松散度要求，把跳汰频率提高些是有好处的。 跳汰鼹规匙嘲磷劫始魁眦的时间，取决于风阀周期特性，它与跳汰频率相对应的。 频率只能通过改变风阀转速粕嚼节。振幅主要通过改变风压、风量、风阀的进、排气 孔面积及频率等控甫蛹节。通常恻戳穗翻乏白明镌凇散压睐调节用风量。般从入料至喇 料，各段风室的风量依次减小。通常筛下空气室跳汰桃用的风压为o 0 2 5 0 0 3 5 m d a 。 跳汰机用水量包括筛下顶水和冲水。冲水用量是以使给料口的原煤充分润湿为准。筛 下顶水的作用是补充筛霄j ( 蠢由勺短缺，减小跳汰室秒型铷液位差，其目的是嘞口空气 室内压缩空气的有效压力。顶水倒分配也是由入料到排料各分室依次减小。通常顶水用量 占总水量的7 0 8 0 以上。 糊型锐反：l | 赡和风懒蹦蜘朔诟冰平移动黻，使乏与床尉嫩分层速度 相适应，使物料蛰越南 料闸门时按密度分妇层次；并使矸石和中燥床层的水平一定速度与 原煤中研石和中煤含量相适应，以保持适当的重产物床层厚度；同时延宽度和长度各点上 的水平移动速度应基本致，否则同样造成局部床层厚薄不均，破坏分层。 3 产品的排卸方式 最终产品的分选精度与产品排卸方式有关，按密度分好层次的床层，应及时、连续、 合理地排出跳汰机。产品的排卸方式应尽量不破坏分层，并减少污染。 3 跳汰产品的分离 3 跳汰产品的分离 产品的分离作为跳汰机的最基本工艺环节之一，在跳汰分选过程中是十分重要的，其 过程是把已经按密度分层的物料排出机外，分离成浮物和沉物两种产品。产品的分离在分 选过程中主要表现在三个方面：l 、为物料迸步分层仓糙了条件；2 、分离速度直接影响 跳汰机的处理量；3 、对产品的质量和回收率有直接影响。 3 1 跳汰产品分离的理论基础”i 跳汰过程主要由两部分组成：入料分层和产品分离。入料的精确分层是产品分离的前 提；及时、合理的产品分离既给 料精确分层仓i 瞪! 黼要条件，也提高了跳汰机的处理量和 产品质量。 在产品分离的过程中要求满足以下原则： 1 各粒级的分选密度符合最大回收率原则； 2 在产品分离过程中不产生或少产生新污染； 3 尽量减少床层波动，保持分选密度相对稳定性； 4 在产品质量符合要求的情况下，适当增加分离速度。 跳汰床层的分布j 降性，奠定了跳泌潮产品分离理论的基础。跳汰床层分布性质可用 正态函数密度曲线表征，其表达式： 1= ! ! = 竺2 ： 厂( x ) = 丢一p 2 一 ( 3 1 ) o qz a 式中 ，( x ) 概率密度函数； x 随柄a 量( 床茬 深度) ： 盯 一随机变量偏离中值的标准离差； 擞学期望，随机变量的平均值； e 自然对数的底。 如图4 所示，正态密度函数是条钟形曲线，根据它 揽跳汰过程，可以看出，正态 密度函数曲线的最高峰就是某筛分浮沉级粒群蒯姒溯摆