基于EDEM仿真的二次振动筛分优化效率研究

为什么对大坝的石料进行分级很重要

当工程师建造大型石砌坝或轨道路堤时，并不是随意堆放石料。石料的粒度组合必须得到精确控制，才能保证结构的强度、稳定性并防止渗漏。现场检查这种粒级通常依赖将石料在金属筛面上振动分离的设备，将大块与小块分开。本文探讨如何提高这些振动筛的工作效率，以便工程师能更信赖测量结果，并用更少的时间和能量完成筛分。

振动筛如何对石料进行分选

典型的振动筛看起来很简单：一个带有一个或多个金属格栅的箱体，通过电机产生振动。石料从一端进入，沿筛面移动。细小颗粒会通过孔隙落下，而较大颗粒则沿表面通过。实际过程却是一个复杂的动力学过程。颗粒之间和与金属表面的碰撞会把它们抛向空中，随后在寻找孔隙时滑动或滚动。屏体的倾角、振幅大小以及振动方向等因素都会影响每块石头在筛面上的停留时间和找到合适孔径的概率。

用虚拟石料替代反复试验

由于真实的石料堆由数十亿个独立颗粒组成，不像连续流体那样可用简化模型描述，作者采用了离散元方法（Discrete Element Method），并在EDEM软件中实现。在这个虚拟环境中，每个颗粒被建模为能在重力和振动作用下运动、碰撞、弹跳和滚动的独立对象。研究者建立了一个四层筛网的数字模型，开孔尺寸为100、60、40和20毫米，以匹配石砌坝工程的需求。他们向模型中输入数千个不同尺寸的“石块”，并在数百次仿真运行中跟踪有多少颗粒落入了正确的分仓。

寻找最佳振动参数

研究团队首先考察了基本设计选择如何影响性能。增加筛层被证明至关重要：单层筛会导致许多粒级混杂，总体效率约为81%，而四层设计将效率提升到近94%。接着他们对振动参数进行了调优。结果显示，约15度的适度倾角、10毫米的振幅和约24赫兹的频率能取得最佳效果。振动不足会导致颗粒结块并堵塞孔隙；振动过强则会把颗粒抛得过猛，降低与筛网的接触时间，或者将细颗粒再次搅入上层流中。振动方向相对于垂直约倾斜30度能在弹跳与滑动之间取得最佳平衡，使在理想条件下的总体效率提升到约96%。

给每块石头再一次机会

即使调校良好的单程筛分仍会有部分细料随粗料流出。为此，作者提出了一个简单而有效的改进：在主筛下的每个收料斗内安装一块小型“辅助”筛。当物料从主筛落下时，会遇到尺寸相同的第二层筛网。虚拟试验中，这一二次筛分步骤延长了颗粒与筛网的接触时间，给被困的细料另一次落下的机会。对于极细颗粒以及部分中、大粒级，效率提高了3–7个百分点，总体性能从92.4%提升到96.5%。

对现实工程的意义

对于负责大坝、矿山和大型土方工程的工程师而言，这些结果表明通过适度的设计调整即可实现更清洁的粒级分离，而无需采用昂贵或复杂的设备。通过合理选择筛面倾角、振动强度和振动方向，并在收料斗内增加一块简单的辅助筛，操作人员可以大幅减少“错级”石块的通过。尽管该研究基于详细仿真而非全尺寸现场试验，但它为实现更可靠、更高效的筛分系统指明了方向，有助于延长和提高关键基础设施的安全性和寿命。

引用: 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

关键词: 振动筛, 石砌坝, 颗粒仿真, EDEM DEM, 二次筛分