基于离散元法的反击式破碎机反击板材料分析与研究.pdf

1 1 2 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第4 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 2 0 ．0 4 ．0 2 0 基于离散元法的反击式破碎机 反击板材料分析与研究 李双成，陈兴媚，董兵兵 广东理工学院工业自动化系，广东肇庆5 2 6 1 0 0 摘要为降低反击式破碎机反击板的磨损，延长其使用寿命，根据R a b n o w i c z 方程，以反击板所受载荷作为其磨损的 评价标准，对反击式破碎机反击板材料成分的含量进行优化研究。对P F 一1 3 2 0 型反击式破碎机、铜矿石进行实体测量，建立 P F 一1 3 2 0 型反击式破碎机u G 模型导人E D E M 软件中，并建立铜矿石颗粒模型进行分析，采用二次回归正交旋转组合试验设 计，运用离散元软件E D E M 对反击板的载荷进行正交虚拟试验。对试验结果进行回归分析并应用S P S S 软件得到各个试验因 素的回归方程，利用M a t l a b 绘制三维等值线图，确定了各参数对性能指标的影响规律。对试验因素进行优化计算，得出最优 参数组合当T i c 含量为3 ．5 8 ％，T a c 含量为2 ．7 7 ％，N i 含量为o ．3 3 ％时，反击式破碎机反击板所受载荷为2 4 ．7 6k N 。通过 试验得到了T a c 、T i c 含量对P F 一1 3 2 0 型反击式破碎机反击板磨损的影响趋势，验证了仿真的结论。从而为反击板的优化以 及降低其磨损量提供了研究基础。 关键词反击式破碎机；离散元；旋转正交试验；反击板 中图分类号T D 9 2 l ．2文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 2 0 0 4 1 1 2 一0 6 A n a l y s i sa n dR e s e a r c ho nt h e 】Ⅵa t e r i a lo fC o u n t e r s t r i k eP l a t eO fI m p a c t C r u s h e rB a s e do nD i s c r e t eE l e m e n tM e t h o d L JS “n n g c 矗P 靠g ，C H E NX i ，2 9 m P i ，D O N GB i ，z 9 6 i 行g D 已p 口r ￡，托已咒fo 厂J ，2 d 甜s ￡，．i n ZA “￡o ，扎口￡i o 靠，G “n 咒g d o ，z gf 咒s ￡i ￡“￡已。厂丁_ c n o Z o g y ， Z 口o q 幻2 94 3 D 0 7 4 ，G 越口咒g d o 咒g ，C i 咒口 A b s t r a c t I no r d e rt or e d u c et h ew e a ra n dt e a ro ft h ec o u n t e r i m p a c tc r u s h e rp l a t ea n dp r o l o n gi t s s e r v i c el i f e ，a c c o r d i n gt oR a b n o w i c ze q u a t i o n ，t h em a t e r i a lc o n t e n to ft h ec o u n t e r i m p a c tc r u s h e rp l a t ew a s o p t i m i z e db yt a k i n gt h el o a do nt h ec o u n t e r i m p a c tc r u s h e rp l a t ea st h ee v a l u a t i o nc r i t e r i o no fi t sw e a ra n d t e a r ．T h ep h y s i c a lm e a s u r e m e n to fP F 一1 3 2 0i m p a c tc r u s h e ra n dc o p p e ro r ei sc a r r i e do u t ．T h eU Gm o d e lo f P F 一1 3 2 0i m p a c tc r u s h e ri se s t a b l i s h e da n di m p o r t e di n t oE D E Ms o f t w a r e ．T h ep a r t i c l em o d e lo fc o p p e ro r e i sa n a l y z e d ．T h eq u a d r a t i cr e g r e s s i o no r t h o g o n a lr o t a r yc o m b i n a t i o nt e s td e s i g ni sa d o p t e d ．T h el o a do ft h e i m p a c tp l a t ei st e s t e db yt h ed i s c r e t ee l e m e n ts o f t w a r eE D E M ． T h er e g r e s s i o ne q u a t i o no fe a c ht e s tf a c t o ri s o b t a i n e db yS P S Ss o f t w a r e ，a n dt h et h r e e d i m e n s i o n a lc o n t o u rm a pi sd r a w nb ym a t l a b ，a n dt h ei n f l u e n c e r u l eo fe a c hp a r a m e t e ro nt h ep e r f o r m a n c ei n d e xi sd e t e r m i n e d ．T h eo p t i m u mc o m b i n a t i o no fp a r a m e t e r si s o b t a i n e db yo p t i m i z i n gt h et e s tf a c t o r s ．W h e nT i Cc o n t e n ti s3 ．5 8 ％，T a Cc o n t e n ti s2 ．7 7 ％，a n dN i c o n t e n ti sO ．3 3 ％，t h el o a do nt h ei m p a c tp l a t eo ft h ei m p a c tc r u s h e ri s2 4 ．7 6k N ．T h ei n f l u e n c et r e n do f T a Ca n dT i Cc o n t e n to nt h ew e a ro ft h ei m p a c tp l a t eo fP F 一1 3 2 0i m p a c tc r u s h e rw a so b t a i n e dt h r o u g h e x p e r i m e n t s ， a n dt h es i m u l a t i o n c o n c I u s i o nw a sv e r i f i e d ．T h er e s u l t sp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o r o p t i m i z i n gt h ei m p a c tp l a t eo ft h ei m p a c tc r u s h e r ，r e d u c i n gi t sw e a ra n dp r o l o n g i n gi t ss e r v i c el i f e ． K e yw o r d s c o u n t e r i m p a c tc r u s h e r ；d i s c r e t ee l e m e n t ；r o t a t i n go r t h o g o n a lt e s t ；c o u n t e r s t r i k ep l a t e 收稿日期2 0 1 9 一0 8 3 0 基金项目广东省高等教育教学研究改革项目 2 0 1 7 6 3 1 作者简介李双成 1 9 8 2 一 ，男，安徽泗县人，硕士，讲师，主要从事材料成型、机械制造、矿山机械设计研究。E - m a i l g d l i s c 1 6 3 ．c o “ 万方数据 2 0 2 0 年第4 期 李双成，等基于离散元法的反击式破碎机反击板材料分析与研究 1 1 3 反击板为反击式破碎机关键工作部件之一，其 工作条件恶劣，工况复杂，易发生磨损、变形等失效 形式u - 。采用相应方法降低反击板磨损量，提高耐 磨性，对于延长其使用寿命，减少生产成本具有很重 要的意义心。4 j 。 E D E M 是离散元法的一种应用软件，非常适用 于研究间断性的颗粒群体之间的运动行为与力学行 为，并且在不同的工程环境中有了很多的前瞻性应 用与研究口7 。C I 。E A R Y 等利用E D E M 软件对立轴 式破碎机破碎物速度、摩擦力与其破碎物的几何尺 寸之间的关系进行了研究[ 8 ] 。J H A N S S O N 等运 用E D E M 软件对反击式破碎机在不同外加激振频 率下的破碎效果进行了研究r 9 ] 。S C H A I E R 等运 用离散元法对反击式破碎机反击板与板锤之间距离 对破碎效果的影响进行了研究[ 1 ⋯。毕秋实等利用离 散元法对双齿辊破碎机破碎软、硬岩物料时的转速 进行了研究[ 1 1 I 。马彦军等通过离散元软件E D E M 研 究了圆锥破碎机在不同摆动行程、给料率时破碎效 果，为圆锥破碎机的运动参数选择提高了理论依 据2 I 。张子龙等通过离散元软件E D E M 对圆锥破碎 机转速、啮角与破碎程度、生产率之间的关系。13 。f 。本 文以P F - 1 3 2 0 型反击式破碎机为研究载体，对其破碎 铜矿石的过程进行离散元法研究，在此基础上，分析 反击式破碎机反击板的磨损量，运用离散元软件 E D E M 作二次正交旋转组合试验，旨在利用一定的计 算方法获得反击式破碎机反击板成分含量的最优组合。 1 模型的建立 1 ．1 离散元理论模型 本研究的离散元法中颗粒之间的相互作用主要 为径向力以及法向力，法向力可表达为 F 。一E R ’ 2 a w 2 1 在上式中，R ’为所有颗粒的半径均值，a 为颗粒 的接触范围，E 。为所有颗粒的弹性模量均值，其可 表达为 去一掣 掣 2 E E ，E ， ⋯ 在上式中，E ，为其中一个颗粒的弹性模量，v 。 为其中一个颗粒的泊松比，E 、v 的表达同理。 径向力可表达为 F 。一一8 G ”√R a 刀 3 在上式中，7 7 为相互作用颗粒之间的重叠面积， G ’为颗粒换算后的模量。 因此可以分析得知，在离散元法的研究中，颗粒 以及颗粒所接触物体的受力与其弹性模量、泊松比、 剪切模量等有着密切联系，而这些参数的取值又与 材料类型有着不可分割的关系。 1 ．2 颗粒模型及几何模型的建立 T ，T T ， 由R a b n o w i c z 方程告一K 妇告，式中K 。b ，为 。 几 磨损系数，V 为磨粒磨损量，m m ；S 为磨损距离， m m ；W 为载荷，k N ；H 为材料硬度，M P a [ 】廿15 I 。因此 反击式破碎机工作的过程中，一般在S 与H 确定的 情况下，反击式破碎机工作部件 如板锤、反击板 磨损与其所受载荷有关。 通过能谱分析仪 图1 对P F 一1 3 2 0 型反击式破 碎机反击板内部材料进行分析，并结合相关文献得 知对反击板磨损影响较大的主要材料成分为T i C 、 T a C 、N i 等口61 8 ] ，选择取而C 、T i C 以及N i 3 个因素进 行仿真试验。试验采用二次回归正交旋转组合设计。 图1F D S 分析仪 F i g ．1 F D Sa n a l y s e r 在矿业工程的离散元法中研究中，不论破碎的 对象为何种矿石，矿石外部的几何特征对与离散元 法的计算结果有着重要影响【1 ”2 ⋯。因此在本研究中 对铜矿石 图2 的几何尺寸进行分析，通过激光扫描 仪对其几何特征进行测量，分析其尺寸分布的范围 与规律，根据分析的结果在E D E M 中建立对应的铜 矿石的离散元模型用于后续的模拟研究。 图2铜矿石 F i g ．2 C o p p e ro r e 万方数据 1 1 4 ‘ 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第4 期 在离散元的仿真计算中，不需要建立完整的外 界模型，只需要将与颗粒接触的部件进行建模Ⅲ] 。 因此，在E D E M 中对破碎机的U G 模型进行相对的 简化 图3 。 图3反击式破碎机仿真模型 F i g ．3 S i m u l a t i o nm o d e lo fc o u n t e r i m p a c tc r u s h e r 2 基于E D E M 的辅助参数设计和优化 2 ．1E D E M 软件仿真 根据塌落实验测量休止角 图4 ，并结合文献，铜矿 石和反击式破碎机相互间的物理特性如表l 所示陋。2 “。 表1 T a b l e1 图4 塌落实验 F i g ．4C o l l a p s et e s t 仿真参数 S i m u l a t i o np a r a m e t e r s 由于铜矿石表面无粘附作用，加之前文对离散 元模型的研究得知选择H e r t z M i n d I 。i n n os l i p b u i l t i n 为仿真接触模型口5 I 。 2 ．2 仿真试验因素与指标 基于前文R a b n o w i c z 方程的分析，以反击板所 受载荷 Z 为评价指标。根据前述理论分析及实际 P F 一1 3 2 0 型反击式破碎机作业要求，合理的控制试 验因素变化范围，每号试验重复7 次，取其平均值作 为试验结果，因素水平编码如表2 所示，试验方案与 结果如表3 所示。 表2 T a b l e2 因素水平编码 F a c t o rh o r i z o n t a lc o d i n g 2 ．3 试验结果及分析 2 ．3 ．1 反击板载荷 运用s p s s 数据分析软件对表3 反击板载荷试验 结果进行回归分析，其回归方程检验数据如表4 所示。 表4反击板载荷回归方程检验表 T a b l e4T e s tt a b l eo fr e g r e s s i o ne q u a t i o n f o rc o u n t e r s t r i k ep l a t el o a d 万方数据 2 0 2 0 年第4 期李双成，等基于离散元法的反击式破碎机反击板材料分析与研究 1 1 5 查F 表得F 。．。l 1 0 ，1 3 一4 ．1 0 ，F 一23 3 4 ．6 3 F 。。。 1 0 ，1 3 ，因此回归方程高度显著，其二次回归 方程模型为 A 一1 4 2 ．2 9 6 2 3 ．0 2 8 X I 一5 6 ．0 8 8 X2 3 ．2 0 9 X 3 2 ．1 8 4 X 12 7 ．9 6 9 X 22 3 ．9 0 2 X 32 2 ．8 5 4 X lX 2 1 ．5 8 5 X lX 。 5 ．6 2 4 X 2X 。 运用M a t l a b 绘制j 维等值线图如图5 所示。 z3 5 衰3 0 籁2 5 2 0 3 ．2 0 3 0 堇2 8 挺2 6 耱2 4 2 2 1 ．0 5 1 8 z1 6 襄1 4 罐1 2 1 躲 图5反击板载荷等值线图 F i g ．5 I 。o a dc o n t o u rd i a g r a mo f c o u n t e r s t r i k ep l a t e 分析图5 可以得到，当T i C 含量位于零水平时， 随着T a C 含量的增大，反击板载荷呈现先下降后上 升的趋势；当T a C 含量位于零水平时，随着T i C 含 量的增大，反击板载荷呈现缓慢下降的趋势。当 T i C 含量位于零水平时，N i 的变化对反击板载荷影 响不大；当N i 含量位于零水平时，随着T i C 含量的 增大，反击板载荷呈现急剧下降之后稍有上升的趋 势。当T a C 含量位于零水平时，随着N i 含量的增 大，反击板载荷略有下降，但对其影响不大；当N i 含 量位于零水平时，随着T i C 的增大，反击板载荷呈现 急剧下降之后缓慢上升的趋势。除此之外，由回归 方程和三维等值线图可知，在试验范围内三因素对 反击板载荷显著性是T a C 含量、T i c 含量、N i 含量。 2 ．3 ．2 反击式破碎机反击板磨损优化 根据优化数学模型和反击式破碎机各性能评价 指标的回归方程，利用M a t l a b 中非线性优化 f m i n c o n 函数，以F ⋯一Z 即载荷最小为条件进行寻 优处理，所建立的建议约束函数如下 F 。。 Z f 2 ．1 ％≤X 。≤4 ．4 ％ s ．f ． 1 ．8 ％≤x 2 ≤3 ．2 ％ 4 l o ．3 1 ％≤X 。≤1 ．0 5 ％ 优化处理结果为取T i C 含量为3 ．5 8 ％，T a C 含量为2 ．7 7 ％，N i 含量为o ．3 3 ％。在此条件下进行 仿真验证试验，试验表明反击式破碎机反击板载荷 为2 4 ．7 6k N 。 3试验验证 为合理开展试验，且由于材料制备仪器精度的 要求，在N i 含量为o ．3 ％的情况下，分别应用U M T 一 3 磨损测量仪对不同T a C 含量 1 ．8 ％、2 ％、2 ．5 ％、 3 ％、3 ．2 ％ 以及不同T i c 含量 2 ．1 ％、2 ．6 ％、 3 ．2 ％、3 ．8 ％、4 ．3 ％ 板锤的磨损量进行测试分析， 每种情况重复1 0 次试验，试验所获板锤的磨损量如 图6 所示。 图6不同T a C 、N i 含量时板锤的磨损量 F i g ．6 W e a rl o s so fh a m m e rw i t hd i f f e r e n t c o n t e n t so fT a Ca n dN i 从图6 得知，当T i C 含量相同时，随着T a C 含 量的增加反击板磨损量逐渐减少，当T a C 含量达到 2 ．5 ％附近时候，反击板磨损量达到最低，之后随着 T a C 含量的增加反击板磨损量逐渐增加。当T a C 含量相同，T i C 含量不同时，除在T a C 含量为 1 ．8 ％，T i C 含量为3 ．8 ％的磨损量大于T i C 含量为 2 ．6 ％的磨损量，其余试验结果均反映出反击板磨损 量从小到大所对应的T a C 含量均分别为3 ．2 ％、 3 ．8 ％、2 ．6 ％、4 ．3 ％、2 ．1 ％。试验所得T a C 、T i C 含 量对反击式破碎机反击板磨损的影响趋势与离散元 万方数据 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第4 期 法仿真结果相同。 4结论 1 运用E D E M 作正交铜矿石虚拟破碎试验，通 过二次回归正交旋转组合试验建立了以反击板受力 为考察指标的回归方程。运用M a t l a b 绘制该考察 指标的等值线图，得到了试验因素对反击板受力的 影响趋势并确定了影响反击板受力的材料主次因素 为T a C 含量、T i C 含量、N i 含量。 2 确定了降低P F 一1 3 2 0 反击式破碎机反击板磨 损成分的最佳参数组合，当T i C 含量为3 ．5 8 ％，T a C 含量为2 ．7 7 ％，N i 含量为o ．3 3 ％时，反击板磨损最 小，此时反击式破碎机反击板所受载荷为 2 4 ．7 6k N 。 3 通过试验得到了T a C 、T i C 含量对反击式破 碎机反击板磨损的影响趋势，说明通过离散元法分 析反击板的正确性。 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 赵丽梅，陈伦军，苏明，等．反击式破碎机破碎过程建模 与仿真分析[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 3 ，3 8 8 1 4 9 6 1 5 0 2 ． Z H A 0L i m e i ，C H E NL u n ju n ，S UM i n g ，e ta 1 ．M o d e l i n g a n ds i m u l a t i n ga n a l y s i so fc r u s h i n gp r o c e s so fi m p a c t c r u s h e r [ J ] ．J o u r n a lo fc o a lI n d u s t r y ，2 0 1 3 ，3 8 8 1 4 9 6 1 5 0 2 ． 梁国栋，夏晓鸥，张峰，等．振动破碎机负载工作特性的 仿真研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 8 1 7 8 8 3 ． L I A N GG u o d o n g ，X I AX i a o o u ，Z H A N GF e n g ，e ta 1 ． S i m u 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n a lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，2 0 1 7 ，3 4 4 7 9 5 8 0 2 ． C I 。E A R YPW ，M ．D ．S I N N O T T ，M O R R I S O NRD ， e ta 1 ．A n a l v s i so f c o n ec r u s h e rp e r f o r m a n c ew i t h c h a n g e si nm a t e r i a lp r o p e r t i e sa n do p e r a t i n gc o n d i t i o n s u s i n gD E M [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 1 7 ．1 0 0 4 9 7 0 ． J O H A N S S O NM ，B E N G T S S O NM ，E V E R T S S O NM ， e ta l - Af u n d a m e n t a lm o d e lo fa ni n d u s t r i a l s c a l ej a w c r u s h e r [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 1 7 ，1 0 5 6 9 7 8 ． 毕秋实，王国强，黄婷婷，等．基于D E M F E M 耦合的双 齿辊破碎机辊齿强度分析[ J ] ．吉林大学学报 工学版 ， 2 0 1 8 ，4 8 6 1 7 7 0 1 7 7 6 ． B IQ i u s h i ，W A N GG u o q i a n g ，H U A N GT i n g t i n g ，e ta 1 ． T o o t hs t r e n g t ha n a l y s i so fd o u b l et o o t hr 0 1 l e rc r u s h e r b a s e do nd e n l - f e mc o u p l i n g [ J ] ．J o u m a lo fJ i l i nu n i v e r s i t y E n g i n e e r i n gE d i t i o n ，2 0 1 8 ，4 8 6 1 7 7 0 一1 7 7 6 ． 王立平，蒋斌松，张翼，等．基于E v a n s 截割模型的镐型 反击板峰值截割力的计算[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 6 ，4 1 9 2 3 6 7 2 3 7 2 ． W A N GL i p i n g ，J I A N GB i n s o n g ．Z H A N GY i ，e ta 1 ． C a l c u l a t i o no fp e a kc u t t i n gf o r c eo fp i c k a x ec o u n t e r a t t a c kp l a t eb a s e donE v a n sc u t t i n gm o d e l [ J ] ．J o u r n a l o fC o a lI n d u s t r v ，2 0 1 6 ，4 1 9 2 3 6 7 2 3 7 2 ． 马彦军，范秀敏，何其昌．适用于多种物料的圆锥破碎 机腔型时变磨损预测[ J ] ．中南大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 6 ．4 7 4 1 1 2 卜1 12 7 ． M AY a n j u n ，FANX i u m i n ，H EQ i c h a n g ．W e a r p r e d i c t i o no fm u l t i m a t e r i a lt i m } v a r y i n gc h a m b e r o f c o n ec r u s h e r [ J ] ．J o u r n a lo fC e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n ，2 0 1 6 ，4 7 4 1 1 2 1 1 1 2 7 ． 张子龙，任廷志，程加远，等．考虑粒形转化特性的圆锥 破碎机层压破碎行为研究[ J ] ．机械工程学报，2 0 1 7 ， 5 3 1 6 17 3 1 8 0 ． Z H A N GZ i l o n g 。R E NT i n g z h i ，C H E N GJ i a y u a n ，e ta l _ S t u d yonl a m i n a t e dc r u s h i n gb e h a v i o ro f c o n ec r u s h e r 万方数据 2 0 2 0 年第4 期李双成，等基于离散元法的反击式破碎机反击板材料分析与研究 c o n s i d e r i n gp a n i c l es h a p et r a J l s f o n n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s [ J ] ． J o u r n a Io fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，Z 0 1 7 ，5 3 1 6 1 7 3 1 8 0 ． [ 1 4 ] B E N NDI ，A s T R O M ，J A N ，z w I N G E RT ，e ta I ．M e l t u n d e r c u t t i n g a n d b u o y a n c y d r i v e nc a l v i n g f r o m t i d e w a t e rg l a c i e r s n e wi n s i g h t sf r o md i s c r e t ee l e m e n t a 1 1 dc o n t i n u 啪m D d e ls i m u l a t i o n s [ J ] ．J o u m a lo fG 1 a c i o l o g y ， 2 0 1 7 ，6 3 2 4 0 1 1 2 ． r 1 5 ] W 1 E R N A S ZE ，K A L I S Z E W S K AA ，B R U T K O W S K I W ，e ta 1 ．T t y h lp r o t e i ni se x p r e s s e di ng l i ai nv i t r oa n d s h o w se l e v a t e d e x p r e s s i o ni n a c t i v a t e da s t r o c y t e s f 0 1 l o w i n gs t a t u se p i l e p t i c u s [ J ] ．N e u m c h e m i c a lR e s e a r c h ， 2 0 1 4 ，3 9 1 2 2 5 1 6 2 5 2 6 ． [ 1 6 ] H w UJR ，H A K I M E L A H ls ，M 0 0 s A v l 一M O V A H E D I AA ，e ta 1 ．C o n c e p to fc o u n t e r a t t a c kr e a g e n t s i n t r a m 0 1 e c u l a r c o u n t e r a t t a c ks t r a t e g yi nt h es y n t h e s i so fb i o l o g i c a l l y a c t i v ei s o p e n a m s [ J ] ．C h e m i s t r y - AE u r o p e a nJ o u r n a l ， 2 0 1 5 ，5 9 2 7 0 5 2 7 1 1 ． [ 1 7 ] 0 L S H E V S K I YA ，K I MCw ，Y A N GHI ，e ta 1 ．w e a r s i m u l a t i o nf o rt h ec e n t r ep l a t ea r r a n g e m e n to faf r e i g h t c a r [ J ] ．V e h i c l eS y s t e mD y n a m i c s ，2 0 1 5 ，5 3 6 8 5