唐友華，董為民，張寶勇

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100)

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基于EDEM的大型半自磨機(jī)襯板沖擊力與沖擊能量的分析

唐友華1，董為民1，張寶勇2

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100)

摘要：隨著磨礦技術(shù)的發(fā)展，半自磨機(jī)越來(lái)越大型化，襯板所受的沖擊力也隨之增大。采用離散元仿真軟件EDEM，對(duì)某φ10.37 m×5.19 m大型半自磨機(jī)襯板所受的沖擊力和沖擊能量進(jìn)行了研究，得到了襯板所受的沖擊力和沖擊能量的大小以及分布，為該半自磨機(jī)襯板的設(shè)計(jì)選擇提供了理論參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：EDEM；半自磨機(jī)；沖擊力；沖擊能量

我國(guó)從20世紀(jì)70年代初開(kāi)始在工業(yè)上應(yīng)用半自磨技術(shù)[1]，起初半自磨機(jī)規(guī)格比較小，隨著磨礦工藝的需求以及磨礦技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備越來(lái)越大型化。目前，國(guó)內(nèi)使用的半自磨機(jī)規(guī)格有φ5～φ10.37 m等系列、以及正處于設(shè)計(jì)制造階段的φ12.2 m系列[2]。雖然磨機(jī)規(guī)格大型化能提高磨礦效率和磨礦產(chǎn)量，但由此而帶來(lái)的襯板的沖擊問(wèn)題值得深入研究。本文首先應(yīng)用三維制圖軟件UG對(duì)半自磨機(jī)進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入EDEM軟件中進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，最后得出半自磨機(jī)襯板所受的沖擊力和沖擊能量的大小以及分布。

1半自磨機(jī)模型的建立

本次仿真只研究襯板的受力，為了便于仿真計(jì)算，將半自磨機(jī)的筒體簡(jiǎn)化為一個(gè)圓環(huán)柱模型，筒體厚度設(shè)置為5 mm,襯板提升條為5 190 mm×500 mm×300 mm的長(zhǎng)方體，一共20塊，均勻分布在筒體內(nèi)。由于EDEM軟件的建模功能比較弱，所以本次仿真先用三維制圖軟件UG進(jìn)行建模，然后轉(zhuǎn)換成STEP格式，最后導(dǎo)入到EDEM軟件中進(jìn)行仿真。半自磨機(jī)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　半自磨機(jī)相關(guān)參數(shù)

2仿真參數(shù)設(shè)置和仿真數(shù)據(jù)提取

仿真參數(shù)的設(shè)置位于EDEM軟件的模型創(chuàng)建模塊，仿真之前應(yīng)先設(shè)置仿真的全局變量，本次仿真的全局變量設(shè)置見(jiàn)表2。

表2　仿真模型全局變量參數(shù)設(shè)置

設(shè)置好全局變量后，定義原型顆粒，因?yàn)橐话阄锪系某叽绾托螤詈懿灰?guī)則，為了便于仿真，將物料定義為球形顆粒，直徑和材料都跟介質(zhì)一樣。定義好原型顆粒后，將建好的半自磨機(jī)模型導(dǎo)入EDEM軟件中，顆粒工廠設(shè)置為包含在筒體內(nèi)且與筒體同心的一個(gè)虛擬圓柱空間。為了縮短EDEM軟件仿真時(shí)間，仿真步長(zhǎng)取35%，保存時(shí)間取0.05 s，柵欄劃分取2R(R為介質(zhì)的半徑)[3]，總的仿真時(shí)間設(shè)為12 s，其中顆粒的總數(shù)為46 461，顆粒生成時(shí)間取1 s，半自磨機(jī)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間取1～12 s。

本次仿真的時(shí)間共12 s，即半自磨機(jī)轉(zhuǎn)2圈的時(shí)間，因?yàn)榈? s內(nèi)顆粒生成后是按自由落體下落到半自磨機(jī)筒體底端的，所以為了避免介質(zhì)自由落體的影響，仿真數(shù)據(jù)提取的是半自磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)第2圈的數(shù)據(jù)。半自磨機(jī)仿真運(yùn)行到第6 s和第10 s時(shí)的狀態(tài)如圖1所示。因?yàn)橥搀w所取的旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針，由圖1可知，所標(biāo)記襯板在第6 s時(shí)剛好開(kāi)始進(jìn)入受力區(qū)，第10 s時(shí)剛好離開(kāi)受力區(qū)，而且由所提取的數(shù)據(jù)也可以看出剛好是這個(gè)規(guī)律，所以所提取的數(shù)據(jù)是第6～10 s的數(shù)據(jù)。由于半自磨機(jī)襯板是均勻安裝在筒體上的，所以筒體每轉(zhuǎn)1周，每塊襯板所受的沖擊幾乎是相同的，在提取數(shù)據(jù)時(shí)，只需提取1塊襯板(見(jiàn)圖1中標(biāo)記襯板)在半自磨機(jī)旋轉(zhuǎn)1周時(shí)所受的沖擊力與沖擊能量的數(shù)據(jù)。

圖1　半自磨機(jī)的仿真狀態(tài)

3襯板所受的沖擊力分析

最大沖擊力是指半自磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后某一時(shí)刻單個(gè)介質(zhì)對(duì)襯板沖擊力的最大值。沖擊力分布是指半自磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后某一時(shí)間段內(nèi)所受的某一沖擊力的次數(shù)。該襯板在第6～10 s所受的最大沖擊力情況如圖2所示。

圖2　襯板在第6～10 s所受的最大沖擊力

由圖2可以看出，在第6 s時(shí)，該襯板剛好進(jìn)入受力區(qū)，此時(shí)介質(zhì)處于拋落狀態(tài)，該襯板承受來(lái)自筒體最上端的介質(zhì)拋落下來(lái)的沖擊力，此時(shí)所受的沖擊力最大，并且在第6.5 s 時(shí)，沖擊力達(dá)到最大值(1.31×106N)；第7.5 s后，該襯板進(jìn)入瀉落區(qū)和研磨區(qū)[4]，此時(shí)受到的大多都是介質(zhì)和物料的摩擦力和較小的沖擊力(主要為重力)，平均值為3 961 N；第10 s 后，該襯板離開(kāi)受力區(qū)，所受的沖擊力逐漸減小到0。在第6～7.5 s時(shí)，該襯板所受的沖擊力較大，為主要沖擊力，而在第7.5～10 s時(shí)，該襯板進(jìn)入瀉落區(qū)和研磨區(qū)，所受的沖擊力較小，所以沖擊力分布只需提取第6～7.5 s時(shí)該襯板所受的沖擊力。

該襯板從開(kāi)始進(jìn)入拋落區(qū)到離開(kāi)拋落區(qū)所受沖擊力的分布如圖3所示，在仿真中的時(shí)間為第6～7.5 s。由圖3可知，在這1.5 s中，該襯板承受6×104N的沖擊力次數(shù)為177次，承受6×104～6.113 3×105N的次數(shù)為260次(承受6.113 3×105～1.31×106N的次數(shù)為12次，不包括在圖3中)。由于每塊襯板是均勻安裝在筒體內(nèi)的，所以筒體每轉(zhuǎn)1圈，每塊襯板要承受>6×104N的沖擊力的次數(shù)為449次。

圖3　襯板在第6～7.5 s時(shí)所受的沖擊力分布

4襯板所受的沖擊能量分析

沖擊能量可由介質(zhì)與襯板碰撞的相對(duì)法向速度計(jì)算得出：

(1)

式中，m是介質(zhì)的質(zhì)量；v是介質(zhì)與襯板的相對(duì)法向速度，即沖擊速度。

該襯板在第6～10 s時(shí)所受的總沖擊能量如圖4所示。總沖擊能量即單個(gè)介質(zhì)對(duì)襯板的沖擊能量之和，通過(guò)提取介質(zhì)與該襯板的相對(duì)法向速度，便能得出總沖擊能量的大小。與圖2的規(guī)律一樣，襯板在第6.5 s左右時(shí)所受沖擊能量最大，此時(shí)物料對(duì)襯板的沖擊能量達(dá)到最大值(22 044 J)，而且在仿真的第6～7.5 s，鋼球和物料對(duì)該襯板的沖擊能量較大，所以沖擊速度的分布也是提取的第6～7.5 s時(shí)的數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖5)。

圖4　襯板在第6～10 s時(shí)所受的沖擊能量總和

由圖5可知，該襯板在第6～7.5 s時(shí)，所受的沖擊能量比較大，因?yàn)榇藭r(shí)介質(zhì)與襯板的相對(duì)法向速度較大。此次仿真中，介質(zhì)的直徑為150 mm，密度為78 000 kg/m3，所以質(zhì)量為13.783 7 kg。在第6～7.5 s時(shí)，此塊襯板所受的平均沖擊能量約為5 000 J，而單個(gè)介質(zhì)對(duì)襯板的沖擊能量最大也能達(dá)到820 J。

圖5　襯板在第6～7.5 s時(shí)所受沖擊速度的分布

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該半自磨機(jī)每轉(zhuǎn)1圈，每塊襯板都要承受>6×104N的沖擊力達(dá)449次，最大沖擊力為1.31×106N，襯板所受沖擊能量的最大值為22 044 J，平均沖擊能量約為4 986 J，單個(gè)介質(zhì)對(duì)襯板的最大沖擊能量為820 J。所以在選擇該半自磨機(jī)襯板材料時(shí)，應(yīng)增加對(duì)襯板的強(qiáng)度和剛度的考慮，而且應(yīng)綜合考慮半自磨機(jī)各工作參數(shù)的設(shè)計(jì)，例如，介質(zhì)大小、轉(zhuǎn)速率、填充率和料球比等，有效利用介質(zhì)的沖擊力以達(dá)到磨礦的作用，同時(shí)避免材料和經(jīng)濟(jì)的損失。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊琳琳，文書(shū)明. 自磨機(jī)和半自磨機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展[J]．國(guó)外金屬礦選礦，2005(7):13-16.

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[3] 胡國(guó)明. 顆粒系統(tǒng)的離散元素法分析仿真[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2010.

[4] 王國(guó)強(qiáng)，郝萬(wàn)軍.離散單元法及其在EDEM上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

責(zé)任編輯鄭練

Analysis of the Lining Board’s Impact and Impact Energy on a Large Semi-autogenous Mill based on EDEM

TANG Youhua1, DONG Weimin1, ZHANG Baoyong2

(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500, China; 2.Jinchuan Group Co., Ltd., Jinchang 737100, China)

Abstract：As the development of grinding technology, the semi-autogenous mill is more and more large,so the impact of lining board is also growing. Use the discrete element simulation software EDEM to research the impact and impact energy of lining board on a φ10.37 m×5.19 m semi-autogenous mill, obtainning the lining board’s impact and impact energy’s size and distribution. They can provide the theoretical basis for the material choose of lining board.

Key words:EDEM, semi-autogenous mill, impact, impact energy

收稿日期：2015-08-31

作者簡(jiǎn)介：唐友華(1992-)，男，碩士研究生，主要從事大型半自磨機(jī)磨礦工藝等方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TD 453

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B