Исследование эффективности оптимизации вторичной вибрационной сортировки на основе моделирования в EDEM

Почему важна сортировка камней для крупных плотин

Когда инженеры строят массивные каменно-насыпные плотины или железнодорожные насыпи, они не просто сваливают камни кучей. Соотношение размеров этих камней должно тщательно контролироваться, чтобы конструкция была прочной, устойчивой и не пропускала воду. Проверка этого состава в полевых условиях опирается на машины, которые встряхивают камни над металлическими ситами, чтобы отделить крупные фракции от мелких. В этой статье рассматривается, как повысить эффективность работы таких вибрационных грохотов, чтобы инженеры могли доверять измерениям и тратить меньше времени и энергии на их проведение.

Как вибрационные грохоты сортируют груды камней

Стандартные вибрационные грохоты выглядят просто: короб с одной или несколькими металлическими решётками, которыми управляют моторы. Камни подаются с одного конца и движутся по поверхности сит. Мелкие частицы проходят сквозь отверстия, тогда как крупные едут поверху. В реальности процесс представляет собой сложный «танец». Частицы сталкиваются друг с другом и с металлом, подбрасываются в воздух, скользят или катаются в поисках отверстия. На то, сколько времени каждая частица проводит на решётке и насколько вероятно она найдёт подходящее отверстие, влияют наклон сита, амплитуда колебаний и направление вибрации.

Виртуальные камни вместо метода проб и ошибок

Поскольку каменная насыпь ведёт себя как миллиарды отдельных частиц, а не как однородная жидкость, авторы использовали вычислительный подход — метод дискретных элементов (DEM), реализованный в ПО EDEM. В этой виртуальной модели каждая частица представлена как отдельный объект, который может двигаться, сталкиваться, подпрыгивать и катиться под действием силы тяжести и вибрации. Исследователи воссоздали цифровой аналог четырёхслойного сита с размерами отверстий 100, 60, 40 и 20 миллиметров, соответствующим требованиям каменно-насыпных плотин. Они прогнали тысячи цифровых «камней» разных размеров и отслеживали, сколько из них оказывалось в нужном бункере в сотнях имитационных прогонов.

Поиск оптимального режима тряски

Команда сначала изучила, как базовые конструктивные решения влияют на эффективность. Увеличение числа слоёв сит оказалось ключевым: однослойный грохот оставлял многие фракции смешанными, с общей эффективностью около 81%, тогда как четырёхслойная конструкция повысила её почти до 94%. Затем они настроили саму динамику движения. Установлено, что умеренный наклон порядка 15 градусов, амплитуда вибрации 10 мм и частота около 24 Гц дают наилучший результат. Слишком слабая тряска приводит к слипанию камней и закупорке отверстий; слишком сильная — к тому, что куски выбрасываются с такой силой, что меньше контактируют с решёткой, либо мелкие частицы вновь поднимаются в поток. Направление вибрации, отклонённое примерно на 30 градусов от вертикали, обеспечивало лучший баланс между подпрыгиванием и скольжением, повышая общую эффективность до примерно 96% в идеальных условиях.

Дать каждому камню второй шанс

Даже хорошо настроенные однопроходные грохоты пропускают часть мелких частиц вместе с более крупными. Чтобы исправить это, авторы предложили простое, но эффективное решение: разместить небольшой «вспомогательный» экран внутри каждого приёмного бункера под основными секциями. Когда материал падает с основных сит, он встречает второй слой сетки с тем же размером отверстий. В виртуальных испытаниях эта вторичная проверка увеличивала время контакта камней с сеткой и давала пойманным мелким частицам ещё одну возможность провалиться. Для очень мелких частиц и некоторых средних и крупных фракций эффективность повысилась на 3–7 процентных пунктов, а общая производительность улучшилась с 92,4% до 96,5%.

Что это значит для реальных проектов

Для инженеров, ответственных за плотины, шахты и крупные земляные работы, эти результаты показывают, что скромные конструктивные изменения могут обеспечить более чистое разделение фракций без использования экзотического оборудования. Тщательный выбор наклона сита, силы тряски и направления вибрации — а также добавление простого дополнительного экрана в приёмные бункеры — позволяет существенно снизить число камней неправильного размера, проходящих через систему. Хотя исследование основано на подробных моделях, а не на полномасштабных полевых испытаниях, оно указывает путь к более надёжным и эффективным системам сортировки, которые помогут сделать критические объекты инфраструктуры более безопасными и долговечными.

Цитирование: Zhu, C., Long, H., Peng, Z. et al. Research on the optimization efficiency of secondary vibrating screening based on EDEM simulation. Sci Rep 16, 6746 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37230-6

Ключевые слова: вибрационный грохот, каменно-насыпная плотина, моделирование частиц, EDEM DEM, вторичная сортировка