双齿辊破碎机破碎过程研究.pdf

2 0 1 7 年第1 期有色金属 选矿部分 5 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i S S I L1 6 7 1 _ 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．0 1 ．0 1 3 双齿辊破碎机破碎过程研究 常锡振，姚红良，高英华 东北大学机械工程与自动化学院，沈阳1 1 0 8 1 9 摘要为了研究双齿辊破碎机破碎物料的过程，首先对物料破碎理论进行分析，得出了双齿辊破碎机是准静压、剪切弯 曲组合破碎的结论。其次，运用S o l i dw o r k s 和L s D Y N A 建立了辊齿破碎煤块的三维仿真有限元模型，分析了物料颗粒在破 碎过程中的受力情况，得出了物料在破碎瞬时处于稳定的平衡状态的结论，并对破碎过程进行了动态仿真分析。最后，经过 分析可知，辊齿在破碎物料时，煤块的局部首先受到冲击和挤压作用而出现裂纹，随着齿辊的转动及辊齿切入煤块的深度增 加，裂纹扩展直至出现煤体崩落；得到了煤块在整个破碎过程中的应力变化情况及分布规律。研究结果为辊齿的结构参数优 化、物料破碎过程分析提供了一定依据。 关键词有限元；动态仿真；冲击；应力变化 中图分类号T I M 5 1文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 0 1 - 0 0 5 5 - 0 5 S t u d yo nt h eC r u s h i n gP r o c e s so fD o u b l eT o o t hR o l l e rC r u s h e r C H A N GX i z h e n ，Y H OH o n g l i a n g ，G A OY i n g h u a S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dA u t o m a t i o nN o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g1 1 0 8 1 9 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ep r o c e s so fd o u b l et o o t h e dr o l lc r u s h e rc r u s h i n gm a t e r i a l ，f i r s t l y ，a n a l y z e dt h e t h e o r yo fm a t e r i a lc r u s h i n g ，a n do b t a i n e dt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ed o u b l et o o t h e dr o l lc r u s h e ri st h ec o m b i n a t i o no ft h e p s e u d os t a t i cp r e s s u r ea n ds h e a rb e n d i n gc r u s h e r ．S e c o n d l y ，e s t a b l i s h e dt h et h r e e d i m e n s i o nf i n i t e e l e m e n tm o d e l w h e nc r u s h e rt o o t hc r u s h i n gc o a lb yu s i n gS o l i dW o r k sa n dL S D Y N A ，a n a l y z e dt h ef o r c eo fp a r t i c l e si nt h ec r u s h i n g p r o c e s sa n do b t a i n e dt h e c o n c l u s i o nt h a tt h ep a r t i c l e si si n as t a b l ee q u i l i b r i u mw h e nc r u s ha n dt h ed y n a m i c s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ec u t t i n gp r o c e s si sm a d e ．L a s t l y ，f r o mt h ea n a l y s i s ，i ti sk n o w nt h a tc r u s h e ri nc r u s h i n g m a t e r i a l ，t h el o c a lc o a lf i r s ti m p a c ta n dc o m p r e s s i o nt h e na p p e a rc r a c k s ，w i t ht h et e e t hr o t a t i o na n dt h ed e p t ho f b r o k e nt o o t hc u ti n t oc o a li n c r e a s e d ，t h ec r a c ke x t e n du n t i lc o a lc a v e ．T h es t r e s sv a r i a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fc o a li n t h ew h o l ep r o c e s sa r eo b t a i n e d ．T h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d eab a s i sf o rt h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no ft h eb r o k e n t o o t ha n dt h ea n a l y s i so ft h em a t e r i a lc r u s h i n gp r o c e s s ． K e yW o r d s f i n i t ee l e m e n t ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；i m p a c t ；s t r e s sc h a n g e 破碎机在工业生产中占据重要地位，特别是在 基建工程和选矿工业中，其作用更是不可替代。在 基建工程中，破碎机将砂、石等建筑原料破碎至合格 粒度以保障生产；在选矿工业中，破碎作为选矿工艺 的首个过程，其产品质量的好坏对后续生产有很大 影响。而辊齿作为破碎机的主要工作部件，是反映 破碎机破碎效率高低的关键；同时，辊齿也是整个设 备中最易磨损的零件，辊齿的使用寿命直接决定着 破碎机的无故障工作时间J 。分析辊齿破碎物料的 过程，不仅有助于研究物料破碎机理，而且有利于分 析辊齿的载荷、受力情况和应力分布，对辊齿的失效 基金项目国家高技术研究发展计划项目 2 0 1 2 A A 0 6 2 0 0 2 收稿日期2 0 1 6 - 0 8 - 0 2修回日期2 0 1 6 ．1 1 - 2 2 作者简介常锡振 1 9 8 9 一 ，男，河南安阳人，硕士研究生。 原因和破坏机理及改进辊齿的设计，具有重要意义。 1 双齿辊破碎机破碎机理研究 1 ．1 G r i f f i t h 假说 G r i f f i t h 根据对矿石从晶体和材料力学计算得到 的强度远比实测值大得多，于1 9 2 1 年提出了著名的 假说认为矿石除了晶体在质点排列上的缺欠及结 构缺欠 如错位 外，在脆性物料内部存在随机分布 的微裂纹，在外力 传统的挤压力 的作用下，某些微 裂纹的尖端发生高度的应力集中，当载荷所做的功 及矿物的弹性能释放满足裂纹扩展的需要时，裂纹 万方数据 5 6 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第1 期 开始扩展，并很快发展成宏观的破裂面，宏观破裂并 不可能是由单一裂纹扩展所致，而是大量微裂纹汇 合及相互作用的结果。 1 ．2 单颗粒破碎与料层破碎 德国K l a u s t h a l 技术大学的K ．S c h o n e a 教授，于 2 0 世纪7 0 年代，对单颗粒物料破碎进行了系统地研 究，通过高速摄影分析对G r i f f i t h 断裂判据进行了补 充修正。更为重要的是K ．S c h o n e a 教授还提出破碎 能量利用率问题，并指出，无论单颗粒物料破碎还是 后来提出的料层粉碎原理，破碎力为纯压力，施力过 程缓慢，作用时间较长，只有这样才能充分吸收破碎 力施予物料的破碎能量，满足物料内部裂纹扩展、汇 集并最终完成破碎，提高破碎能量的利用率。纯静 压能过满足提高破碎能量利用率的条件，但不能满 足连续生产的要求，所以，新型的破碎粉磨设备普遍 采用低速回转的准静压模式运行 例如英国的 M M D l 2 5 0 型破碎机的转速仅有2 4r ／m i n ，但是新 型双齿辊破碎机的能量利用率仍可以达到单颗粒破 碎的7 0 ％以上。 1 ．3 双齿辊破碎机破碎机理 双齿辊破碎机的破碎机理普遍被认为是剪切破 碎，忽视了弯曲破碎的作用。矿石本身固有的特性 是抗压强度比抗剪强度高6 1 0 倍，是极限抗拉强 度的2 4 倍，通过给岩石施加一个剪切力使岩石承 受剪切力和由剪切力产生的弯曲扭矩从而使岩石被 剪断或折断。另一方面，大部分岩石本身存在晶格 缺陷和纹理缺陷，使得岩石在承受剪切力时极易沿 缺陷、纹理、节面等方向断裂，这些都是基于剪切破 碎的分析。但是，当破碎物料的粒度小到截齿无法 进行切割时，剪切的作用力为零，只能靠弯曲破碎； 同时，随着破碎时间的推移，越来越多的大颗粒物料 将转化为不能够剪切破碎的颗粒，这部分物料的破 碎任务是不能忽略的，所以，当双齿辊破碎机破碎物 料到一定程度时，剪切破碎的比重在逐渐减少，而弯 曲破碎的比重在逐渐增加，所以说双齿辊破碎机是 准静压的剪切弯曲组合破碎，符合“裂纹产生一扩 展一汇合一崩落、破碎”这一物料破碎的变化规律。 2 建立有限元模型 2 ．1 三维建模 A N S Y S ／L S D Y N A 不具备建立复杂实体模型的 能力，需要在三维软件中完成建模并保存成中间格 式导入到A N S Y S 中求解和分析旧J 。本文以 M M D l 2 5 0 破碎机为实例，其结构参数见表1 ，以煤为 待破碎物料进行分析。由于辊齿表面为不规则曲 面，不适合在A N S Y S ／L S D Y N A 中建模，因此在S o l i d W o r k s 中构建辊齿模型再导入A N S Y S ／L S - D Y N A 中 进行分析，在L S ．P R E P O S T 中查看分析结果。破碎 辊的三维仿真模型如图l 所示，为了缩短计算时间， 取单个辊齿破碎物料的过程作为分析对象。 表1M M D l 2 5 0 破碎机结构参数 T a b l e1 M M D l 2 5 0c r u s h e rs t r u c t u r ep a r a m e t e r s 辊齿辊齿辊轴辊轴辊轴辊齿 主坚些竺盔型竺兰型竺量鏖￡竺整型竺尘墼 1 ．2 5l3 702 8l8 】2 44 0 图1 仿真模型 F i g ．1 S i m u l a t i o nm o d e l 2 ．2 单元及材料选择 采用S o l i d l 6 4 单元划分物料与辊齿模型。由于 辊齿的强度远大于物料的强度，因此设置辊齿为刚 体，以便于施加转速，同时假设待破碎物料为球形。 为了能够真实的模拟辊齿破碎物料的过程，显示物 料失效后的状态，因此必须考虑接触物体间存在侵 彻贯入作用，在仿真过程中，物料在冲击和碰撞的作 用下呈现明显的失效，属于典型的侵彻问题，因此， 通过修改关键字文件的方法定义煤的材料类型为木 M A T _ B R I T Y L E D A M A G E ，根据物料的属性和破坏形 式使用木M A T A D D E R I S I O N 定义失效准则。表2 所示为模型的材料属性一J 。 表2材料参数 T a b l e2m a t e r i a lp a r a m e t e r s 材料 嚣 弹嚣仙等仙警／㈣ 煤 1 5 0 0 1 ．4330 ．2 5 4 0 C r7 8 5 0 2 1 00 ．3 2 ．3 网格与约束 为了提高计算精度并模拟实际接触情况，必须 对主要接触区域进行网格细化处理，而非接触区域 自由划分网格。首先细化辊齿切入部位表面的线， 其次选用S o l i d l 6 4 单元并设置单元材料完成辊齿的 万方数据 兰坐7 生E 第1 期常锡振等双齿辊破碎机破碎过程研究 5 7 网格划分；最后设置物料的网格尺寸和单元材料完 成物料的划分。在辊齿破碎物料瞬间，粒径为d 的 物料在破碎腔内所处的状态如图2 所示，图中r 为 物料颗粒半径，r ，为齿辊大径，r 为齿辊半径，f 0 为 破碎机中心距的二分之一，h 为最大截割深度。根据 M M D 双齿辊破碎机辊齿的布置方式并分析物料的 受力情况可知，物料颗粒在截割力F 船、F 煳、F 舰和 支撑反力％、％。和』、『肥的作用下，处于稳定平衡 状态，即颗粒物料固定不动。其中F 黜．、F 艘分别为 左侧齿辊和右侧齿辊上处于切割位置的辊齿对物料 的切割力，％为辊轴对物料的支撑力，Ⅳ髓。、以晓为 左侧齿辊与右侧齿辊处于切割位置下部的两个辊齿 的齿背对物料的支撑力。辊齿随着齿辊回转截割物 料，当辊齿截割到B 点时，截割深度达到最大，物料 受到的破碎力也达到最大值即F 船。因此物料在被 破碎的瞬间被完全约束。辊齿可以通过设置刚体的 单元属性，约束其x 、y 、z 三个方向的自由度和绕X 、 l ，方向的 图2 物料受力分析 F i g ．2 M e c h a n i c a la n a l y s i so fm a t e r i a l s 2 ．4 定义接触与载荷 创建完P a r t 后，考虑物料发生失效，因此定义接 触算法为面面接触，类型为侵彻接触，设置辊齿为接 触对象，物料为目标对象。考虑到辊齿在破碎时的 冲击特性，辊齿和物料在初始状态下不能有初始穿 透，应尽量使辊齿贴近物料以减少破碎前的计算时 间。动、静摩擦系数分别为0 ．1 5 和0 ．3 。在S o l i d W o r k s 中测量辊齿的旋转中心坐标值，输入A N S Y S ／ L S - D Y N A 中并设置初始转速为2 ．5 1 2r a d ／s ，定义计 算终止时间为1 ．0s 。 3 仿真结果分析 当辊齿刚接触物料时，物料受到的冲击力较大， 物料局部产生较大的变形，应力增大，如图3 所示。 随着齿辊的旋转，辊齿继续挤压和接触深度的不断 增加，小范围内的最终变形破坏、脱落。随着辊齿切 入加深，煤体持续受到挤压直至出现裂纹，裂纹沿着 煤体的层理扩展，最终出现大块煤体的崩落，而且这 种崩落效应的产生就是弯曲破碎的体现，如图3 和 图4 所示。 2 832e052 517e052 203e051 888e05l 574e051 259e05963 0 3 e 0 4 ． ■ ． ■ ．J ． 一 ． ■ ． ■ ．4 J 4 8 e 0 4 ■ ．嚣 图3 0 ．1 6 95S 时应力云图 F i g ．3 S t r e s sn e p h o g r a ma t0 ．1 6 75S 2 6lOe052 320e052 030e051 740e051 450e051 160e058 705e0458 0 6 e 0 4 ． ■ ．J■ ． ■ ．J ． ■ J ．J ．舅 图4 0 ．7 5 45S 时应力应变云图 F i g ．4 S t r e s sn e p h o g r a ma t0 ．7 3 455 提取辊齿的三向分力曲线及合力曲线，如图5 所示。 由图5 可知，辊齿受到的三向力是波动的，而且 波动状态是相似的；随着煤体裂纹的产生、扩张和煤 体的崩落，辊齿所受的载荷也是波动的，且波动范围 较大，对辊齿的可靠性和使用寿命影响较大，因此合 理的选择齿辊转速，减小辊齿所受载荷的波动是提 高辊齿可靠性和使用寿命的关键。 提取辊齿破碎煤体的系统总能耗曲线，如图6 所示。系统总能耗随着辊齿切人煤岩的深入逐渐增 大，对系统总能耗关于时间进行求导，得到辊齿的破 碎功率曲线，如图7 所示。由于辊齿所受的载荷波 万方数据 5 8 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第1 期 动较大，所以辊齿的功率也出现较大波动。系统内 能曲线见图8 ，煤单元受力曲线见图9 。 { | ；舭≤ o 万1 丁百矿百万1 i ] 百 时间／s 6 l纺向 。矿百F 面广百厂石r 育 时间／s 2 |合力 图5 辊齿受力曲线 时间／s 图6 能耗曲线 F i g ．6E n e r g yc o n s u m p t i o nc t l r v e I t 寸l b ] ／s 图7 辊齿功率曲线 F i g ．7 B r o k e nt o o t hp o w e rc u r v e 图8系统内能曲线 F i g ．8 I n t e r n a le n e r g yc u r v e } | 、，| l _ i J 凡 图9 煤单元受力曲线 F i g ．9 F o I ‘c e u 1 、’e { fc o a le l e m e n t 从图8 可知，随着辊齿的切入深度的增大，系统 内能逐渐增大，相互作用力逐渐增大。从图9 可知， 煤体上某单元所受应力在崩落之前就已经超过了物 料的屈服极限，而且由于辊齿的持续作用，煤体单元 在崩落前就受到多次作用，以至于发生破碎。 4结论 通过对物料破碎理论的分析，认为物料的破碎 过程是外力造成微观裂纹产生、大量裂纹扩展、汇合 直至物料崩落的过程，而外力的施加是一个缓慢的 过程。而双齿辊破碎机的回转速度较低，因此其施 力过程缓慢。在破碎的初始阶段主要依靠剪切作 用，而当物料颗粒减小到一定程度时，剪切力的作用 逐渐减弱，此时主要依靠弯曲作用破碎。因此，双齿 辊破碎机可以认为是准静压的剪切弯曲组合破碎。 仿真结果表明，辊齿在破碎煤体时，煤体局部首 先受到辊齿的冲击力，出现较大变形，随着辊齿的继 续挤压和辊齿的切人，小范围煤体将变形、破坏从煤 而 铲 I 疗叶吨∞ 万方数据 2 0 1 7 年第1 期常锡振等双齿辊破碎机破碎过程研究 5 9 体上崩落；随着齿辊的转动，煤岩会因持续不断的受 到挤压而出现破裂，最终出现大块煤体崩落。 辊齿在破碎煤体时所受的三个方向的分力是波 动的，而且波动状态相似；系统总能耗随着辊齿切入 煤体的深度逐渐增大；辊齿的功率也出现波动，系统 内能逐渐增大；煤体上某单元在崩落前发生了破碎。 本文对双齿辊破碎机的破碎机理分析有助于研 究物料的破碎过程，能够为双齿辊破碎机的设计提 供一定依据，而仿真模拟又对整体研究破碎机破碎 过程中的动态特性和破碎机理提供了一种切实可行 的数值分析方法，对于合理设计辊齿，优化破碎机破 碎性能具有重要意义。 参考文献 [ 1 ] 盛金良，胡海鹤，宋世明．基于A N S Y S ．L S ／D Y N A 的垃圾 破碎机破碎过程的仿真分析[ J ] ．机电一体化，2 0 1 4 ，2 0 4 4 1 - 4 4 ． [ 2 ] 王峥嵘，熊晓燕，张宏．基于L S ．D Y N A 采煤机镐型截齿 截割有限元分析[ J ] ．振动、测试与诊断，2 0 1 0 ，3 0 2 1 6 3 ．1 6 5 ． [ 3 ] 何有钧．M M D 双齿辊破碎机参数及振动特性研究[ D ] ． 太原太原理工大学，1 9 9 7 3 6 3 7 ． [ 4 ] K A A P U RPC ，S C H O E N E R TK ．E n e r g y s i z er e l a t i o n s h i pf o r b r e a k a g eo fs i n g l ep a r t i c l e si n a r i g i d l ym o u n t e dr o l lm i l l [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lP r o c e s s i n g ，1 9 9 0 ，2 9 2 3 5 2 4 8 ． [ 5 ] E V A N SI ．B a s i cM e c h a n i c so ft h eP o i n t A t t a c kP i c k [ J ] ． C o l tf i e r yG u a r d i a n ，1 9 8 4 ，5 1 8 9 ．1 9 2 ． [ 6 ] H O O D M H ．A L E H O S S E I N H ．Ad e v e l o p m e n ti nr o c kc u t t i n g t e c h n o l o g y [ J ] ．I n t e m a t i o n a lJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n d M i n i n gS c i e n c e s ，2 0 0 0 ，3 7 2 9 7 - 3 0 5 ． 7G E H R I N GKH ，F U C H SM ．T h eI C U T R O CP r o j e c t ．r o a d h e a d e rf o rH a r dR o c kA p p l i c a t i o n sa n dI n f l u e n c e so nT h e i r C u t t i n gP e r f o r m a n c e [ J ] ． C M M I C o n g r e s s 2 0 0 2 ／ I n t e r n a t i o n a lC o d e s ，T e c h n o l o g ya n dS u s t a i n a b i l i t yf o rt h e M i n e r a l sI n d u s t r y ，2 0 0 2 l1 3 1 2 1 ． [ 8 ] 赵正军．煤岩冲击破碎过程的力学行为分析[ D ] ．太原 太原理工大学，2 0 0 5 5 3 - 6 5 ． 4结论 1 通过对矿石中主要铅锌硫等矿物进行工艺矿 物学研究，有利于合理选择铅、锌、硫分离流程方案 及相关工艺参数，有效地提高工作效率及选矿指标。 2 针对方铅矿嵌布粒度不均匀、粒度范围相对 较宽、黄铁矿与金嵌布关系密切等特点，采用全硫混 合浮选、混合浮选精矿再磨后铅锌依次浮选的工艺 流程，取得了较好的试验指标，证明该工艺可提高该 类矿石的综合利用率。 3 试验未采用阶段磨矿、阶段浮选工艺主要是根 据矿石本身特点，硫化矿物含量低，采用该工艺将大 幅度增加磨矿成本。而采用全硫混合浮选、混合浮选 精矿再磨后铅锌依次浮选工艺，可减少再磨量，将极 大低降低设备投资及运行成本，同时硫化矿物及金银 得到最大限度地回收，提高了资源综合利用率。 4 在条件试验的基础上，不断地优化工艺流程，闭 路试验指标较理想，产出了合格的铅精矿与锌精矿的同 时，还产出了含金黄铁矿精矿，达到了综合回收的目的。 参考文献 [ 1 ] 罗仙平，杜显彦，赵云翔，等．内蒙古某低品位难选铅锌矿 石选矿试验研究[ J ] ．金属矿山，2 0 1 3 1 0 5 8 - 6 2 ． [ 2 ] 张维佳，曹文红，卢冀伟．内蒙古某混合铅锌矿石优先浮 选试验研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 2 3 2 6 2 8 ． [ 3 ] 龚志华，刘毅鹏，景熙骅，等．内蒙古某难选铅锌多金属矿 选矿试验研究[ J ] ．云南冶金，2 0 1 2 ，4 1 2 3 7 4 0 ． [ 4 ] 陈志强，胡真，叶威，等．广东某铅锌矿铅锌分离试验 研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 1 2 8 - 1 1 ． [ 5 ] 蒋素芳．西藏某难选铅锌银硫多金属矿选矿工艺研究 [ J ] ．湖南有色金属，2 0 1 1 ，2 7 2 1 0 ．1 4 ，4 8 [ 6 ] 梁增永．某硫化铅锌矿的优先浮选分离工艺研究[ J ] ．矿 产保护与利用，2 0 1 1 4 1 8 2 0 ． [ 7 ] 林美群，魏宗武，莫伟，等．广西某难选铅锌矿石铅锌分 离试验研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 7 1 0 7 3 - 7 4 ． 万方数据