基于DEM的预磨机性能试验研究与分析.pdf

2 0 1 5 年第2 期有色金属 选矿部分 8 3 d o i 1 0 3 9 6 9 ，j j s s n ．1 6 7 l 9 4 9 2 ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 1 9 基于D E M 的预磨机性能试验研究与分析 蔡改贫，王俊，熊洋，夏刘洋 江西理工大学机电工程学院，江西赣州3 4 1 0 0 0 摘要本文介绍了一种新型预磨机的结构与工作原理，为了分析磨机的性能，对预磨机几个主要工作参数 转速、 填充率、球配 的影响与选择范围进行了分析。通过离散单元法来确定预磨机上述各工作参数对破碎效果的单因素影响，并 提出可运用黏结键断裂数作为衡量破碎效果的指标之一；通过对各主要工作参数进行正交试验，得到预磨机在平均粒径下最 佳工作参数组合是上层线速度为9 舶、下层线速度为1 0m ／s 、填充率为3 0 ％、球配为0 ．7 ．与仿真结果基本一致。 关键词预磨机；离散单元法；黏结键断裂数；正交试验 中图分类号T D 4 5 3 ．1文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 5 0 2 0 0 8 3 - 0 5 T h eA n m y s i s 锄dm 髓a r c ho fP r e I n i U ’sP e r f o 珊粕c eB 舔e do nD E M C mG n 印￡叼，W 么ⅣG 如n ，X 的ⅣGl 咖，皿aH 叼口叼 s c ‰Zo 厂皿醯h n t r D n 记卫n 讲n e e r i 叼，批嘲戚【m f l ，P 悠{ 匆。厂S 觇叭c e 田以‰h 加Z 嗍， 仇耐l o u 垅口，l 鲥融I D D o ，傩i n 动 A 晰a c t T h es t n l c t l l r ea I l dw o r k i n gp r i n c i p l eo fan e wt y p eo fp r e m i l lh a v eb e e ni n 呐d u c e di n t h i sp a p e r ．I no e rt oa n a l y s i st h ep e r f b n 啪c eo ft h er n i l l ，t l l ei n n u e n c ea n dr a n g eo fs e l e c t i o nf b r s e v e r a lm a i nw o r k i n gp a r 锄e t e r s m U i n gs p e e d ，6 Ur a t e ，出eb a Um a t c h o nt h em i l lh a v eb e e na n a l y z e d ． A n db a s e do nt h eD E Ms i m u l a t i o na J l a l y z e dt l l ec m s h i n ge 矗．e c to fs i n d ef a c t o r sf o rw o r k i n gp a r a m e t e r s ．P u t f o r w a r dm a d eu s eo ft h en u m b e ro fb o n db r e a k a g ea s am e 鹊u r eo ft l l ec r u s h i n ge 丑b c t ．U s ep r e I I l i Ut ot e s t t h em a i nw o r k i n gp a r a m e t e r so nt h eo n h o g o n a le x p e r i m e n t ，g o tt h eb e s tp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o ni n a V e r a g e p a I t i c l e s i z eo ft l l ep r e m i ui s t h eu p p e rl i n e a rs p e e df o r9 r I l ／s ，l o w e rl i n e a rs p e e df o r1 0n 1 ／s ，f i Ur a t e f o r3 0 ％，t h eb 8 Um a t c hf o r0 ．7 ．C o n s i s t e n tw i t ht h es i r n u l a t i o nr e s u h sb a s i c a l l v ． K e yw O r d s p r e I I l i U ； d i s c r e t ee l e m e n tm e 山o d ；n u m b e ro fb o n db r e a k a g e s ； o n h o g o n a le x p e r i m e n t 预磨机主要是针对球磨机人料粒度大引起磨矿 效率低、能耗大而研制的一种新型预粉磨设备。试 验证明，预磨机的运用降低了球磨机人磨矿石粒 度，能大幅度地提高球磨机生产能力，降低产品单 位能耗[ 1 】，提高矿山的经济效益。影响预磨机工 作性能的因素主要有结构参数、工作参数、动力参数 与物料特性等。在一般工况下，结构参数与物料特性 都是基本确定的，研究预磨机工作参数对预磨机破碎 效果的影响成为提高预磨机工作性能的首选方式。 目前，基于离散元方法的数值模拟软件在碎矿 与磨矿领域广泛应用。高红利等人利用离散单元法 对球磨机内介质运动进行了模拟，得到不同填充率 下最大有用功率对应的最佳转速【2 ] 。母福生等人基 于E D E M 对单颗粒物料的压缩破碎和能耗进行了 分析阳】。为了研究预磨机工作参数对破碎效果的 影响与最佳参数配合，本文采用离散元软件E D E M 对预磨机工作过程进行模拟与试验研究。 1 预磨机结构与工作原理 如图1 所示，预磨机主要由机架8 、电机 1 、 1 1 、传动机构 9 、1 3 、破磨机构 3 、4 、5 、 6 、进排料机构 2 、7 组成。预磨机工作原理 为由电机通过转轴带动拨料盘转动，拨料盘与定 环之间形成破磨腔，当物料经人料口进入预磨机， 在离心力的作用下沿筒壁分布，物料与磨矿介质在 破磨腔内发生冲击、剪切、挤压、研磨作用使物料 基金项目江西省高校科技落地计划项目 1 J ] L D l 3 0 4 5 ；省研究生创新基金 Y c 2 0 1 3 一s 1 9 3 收稿日期2 0 1 仙2 2 0修回日期2 0 1 4 0 9 1 0 作者简介蔡改贫 ．1 9 6 } 2 ，．男，江西赣州人，博士，教授，硕士生导师。主要研究方向 近 净成形新技术研究与装备开发、物料高效破碎 先进技术研究与装备开发。 万方数据 8 4 有色金属 选矿部分2 0 1 5 年第2 期 磨碎，当物料粒度被破磨到小于拨料盘与定环间间 隙时，被排出预磨机外。 图1预磨试验机结构简图 F i g ．1 S t l l l c t u r ed i a g r a mo fp r e m i u 1 一上电机；2 一入料口；3 上定环；4 一上拨料盘；5 一下定环； 6 下拨料盘；7 排料口；8 一机架；9 一下转轴；1 0 一下简体； 1 l 一下电机；1 2 上筒体；1 3 上转轴 2 工作参数的影响与选择范围 要达到好的破磨效果，就要使物料在腔体内充 分地进行冲击、磨剥、挤压与剪切，从而让物料获 得更大的破碎能。在众多工作参数中，转速、填充 率与球配是直接影响物料所受到的破碎能与磨机破 碎效果的重要因素。 2 ．1 转速 转速是立磨机最重要的运动参数之一，转速的 大小直接决定冲击速度、冲击能量与剪切力的大 小，影响磨矿介质与物料在腔体内的碰撞次数与碰 撞强度，对物料破碎能的获取与磨机的磨矿效果有 着至关重要的作用，在一定范围内转速越大，则碰 撞强度越大，物料破碎效果越好。 预磨机中，冲击为主要的破磨形式，有磨矿介 质对物料的撞击、物料与物料间的碰撞。根据动能 定理与体积学说，导致颗粒破碎的速度可由 1 式来计算c ] y 墨 1 V p E 式中旷物料密度，k g ／m 3 ； E L 物料杨氏模量，N ／m 2 ； 一碎强度，M P a ； y 一物料的速度，耐s 。 而物料破碎的临界条件为 盯≥、／盟 2 将 1 式代人 2 式得 秽≥侮 ㈤ 式中俺面能，J 佃2 ； 旷晶格常数，c m ； 通过查找文献知[ 5 l ，钨矿表面能0 ．1 6J ，m 2 ，a 约为4 ．7 1 0 { c m ，密度为73 0 0k 蜀／m 3 ，将数据代人 式 3 得到使物料破碎的最小速度为口 9 ．3I I l ／s 。 介于介质运动的情况，根据预磨机的腔内结 构，我们选取拨料盘圆周线速度代替立磨机转速进 行分析计算，已知设备转盘半径为1 9 5 咖，经换 算我们选取的转盘线速度范围为6 ～1 0m ／s 。 2 ．2 填充率 填充率是指磨矿介质的堆积体积占磨机有效容 积的百分数。填充率的大小关系到介质与物料是否 能充分接触与碰撞，直接影响介质与物料之间的磨 剥与挤压效果，在一定条件下，介质填充率提高， 单位时间内介质与物料碰撞的概率也会增加，一定 程度上增加了碎磨效果及磨矿效率。 立式离心磨机如雷蒙磨等由于其立式结构所需 料位高低不同，转速快、排料速度快等特点，一般 立式离心磨机的填充率要比球磨机略低，其取值范 围在1 5 ％～3 0 ％。 2 ．3 球配 球配比例指的是大球的体积在整个预磨介质体 积中所占的比例。生产过程中，在填充率一定时， 不同的球配能大幅提高破磨效果与能量利用率，使 大块物料更好破碎、小块物料更易磨细，使破碎能 充分利用。实验室现有直径4 0 、3 0 、2 0 砌三种 钢球介质，根据上下破磨腔物料粒度大小不一样， 在上层选取鳓0 、西3 0 咖的介质，下层选取 咖3 0 、西2 0m m 的介质。 根据质量直径等比法[ s ] 型哮至孛 4 唧酲p 如 一 式中口厂- 大球个数；口，_ _ ／J 、球个数；d 广大球 直径；如一小球直径；p 一密度。 根据式 4 将上层球径西4 0 、中3 0n l l l l 代人 得n 。忙0 ．5 6 ，在根据大球体积占所有介质球的体 积比例 即球配 为 锊 器观5 7 5 根据等个数法 万方数据 2 0 1 5 年第2 期蔡改贫等基于D E M 的预磨机性能试验研究与分析 8 5 口l ／口2 l 代人下层球径咖3 0 、西2 0I n I I l 可得球配比 锌 精一 6 l 所示。 表1 7 T a b l e1 通过以上计算求得主要配比处于5 7 ％～7 7 ％。 3 离散元仿真分析 3 ．1 建模思想 E D E M 是最新开发的离散元软件，可用于工业 生产中的颗粒处理及其制造设备的生产过程的仿真 和分析[ 7 | 。其破碎建模思想主要是在某一个时间 点把周围的小颗粒黏结起来，而小颗粒之间的黏结 力可以根据模拟的物料性质进行相应设置，只要当 外界的作用力大于黏结力时，黏结键才会破裂，小 颗粒脱离黏结体，实现对颗粒破碎过程的模拟 如 图2 所示 。 L i U 图2 颗粒黏结替换示意图 F i g ．2 P i c t u r eo fp a r t i c l e sb o n d i n g 而黏结键断裂个数作为E D E M 物料破碎仿真 的特有功能数据，可作为衡量颗粒受破坏程度的一项 指标，运用到预磨机工作参数对磨矿效果的研究中来。 3 ．2 仿真模型与仿真方案 运用三维建模软件建立预磨模型 其中上层破 磨腔的一部分如图3 所示 ，导人E D E M 进行参数 设定，根据上文中参数的选择范围进行单因素的仿 真试验。 为了便于分析，只取两层破磨腔中的一层进行 仿真，设置由半径3n 蚰物料黏结成的半径1 5m m 物料6 0 0g ，仿真时间为8s ，具体仿真方案如表 图3 预磨机仿真模型 F i g ．3 n es i n “a t i o nm o d e lo fp r e I l l i U 仿真试验方案 S i r n u l a 上i o nt e s t 项目数值 线速度“ “m ．s - ， 入料总质量，g 磨矿介质填充率 磨矿介质配比 仿真时间，s 3 ．3 仿真结果分析 仿真完成后通过E D E M 数据导出得到的黏结 键断裂数与时间的数据，对断裂数趋于稳定前的数 据进行描点绘图可得以下结论 根据图4 所示当线速度由6I I l ，s 增加至1 0m ／s 时，颗粒黏结键断裂数的产生速度也随之增快，数 量也越多。将图4 中黏结键断裂数与时间的线性关 系拟合出直线，计算出其斜率K ，结果如表2 所示 0 ，系统就不稳定； 如果有R e A i 0 ，系统稳定性需要进一步分析； 只有当全部R e A i 0 ，系统才会稳定工作。这对 摆同步以及行星转子自同步振动讨论较有意义。若 干振动系统以及相应的计算机模拟说明了计算的合 理性。 2 多转子振动系统自同步过程中，是对输入 的能量进行重新分配。若激振器转子超前，振动系 统对其的作用作为负载加载到其转子电机上；若激 振器转子滞后，振动系统对其作用作为驱动力矩作 用在其转子上，最终使激振器转子转速相同。实现 的方式是通过振动力矩进行调节。 参考文献 [ 1 ] B l e kh 眦nII ．T h e s y n c h r o n i z a t i o n i ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g r [ M ] ．N e wY o r k A s M EP r e s s ，1 9 8 8 2 0 二．3 6 ． [ 2 ] 闻邦椿，赵春雨，苏东海，等．机械系统的振动同步与控 制同步[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 3 l l 1 9 ． [ 3 ] 熊万里，闻邦椿，段志善．自同步振动及振动同步传动的 机电耦合机理[ J ] ．振动工程学报，2 0 0 0 3 3 2 5 3 3 1 ． [ 4 ] 王得刚．双机与多机驱动振动系统的若干特殊自同步理 论[ D ] ．沈阳东北大学，2 0 0 9 ． [ 5 ] 侯勇俊．三振动电机自同步椭圆振动筛的同步理论[ J ] ． 西南石油大学学报。2 0 0 7 ，2 9 3 1 6 8 一1 7 2 ． 万方数据