龐國強(qiáng)　王建彬　林　陽　張金寶

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司)

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淺談基于ADAMS的磨機(jī)參數(shù)化建模及仿真

龐國強(qiáng)王建彬林陽張金寶

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司)

摘要以往磨機(jī)的性能優(yōu)化一般通過制作實(shí)體模型、反復(fù)修改模型參數(shù)后通過理論計(jì)算進(jìn)行比對調(diào)試，選擇所需性能對應(yīng)的參數(shù)值。不僅設(shè)計(jì)過程繁瑣、研究周期長，還存在性能優(yōu)化精度差的缺點(diǎn)。為確定影響磨機(jī)性能的主要技術(shù)參數(shù)，以溢流型球磨機(jī)為研究對象，基于ADAMS軟件對磨機(jī)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化建模，經(jīng)布爾運(yùn)算后獲得目的模型。調(diào)整模型內(nèi)各個(gè)滑塊，施加STEP函數(shù)驅(qū)動(dòng)，對變速磨機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)仿真。結(jié)果表明，基于ADAMS構(gòu)造的參數(shù)化軟件模型具有通用性，適用于不同筒徑、襯板高度、球或棒等磨礦介質(zhì)直徑的溢流型磨機(jī)；可用于各種工況下的特性分析，方便選擇滿足性能要求的磨機(jī)參數(shù)值，縮短了磨機(jī)性能優(yōu)化的周期；用戶無需考慮模型內(nèi)部構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)變動(dòng)，方便模型的快捷修改，建模效率高；動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果符合實(shí)際情況和要求。

關(guān)鍵詞ADAMS磨機(jī)建模參數(shù)化動(dòng)力學(xué)仿真

磨機(jī)是粉碎物料的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于礦山、水泥、玻璃陶瓷以及新型建筑材料、硅酸鹽制品等生產(chǎn)行業(yè)。大型化、細(xì)磨和超細(xì)磨且高效節(jié)能的設(shè)備是磨機(jī)主要的發(fā)展趨勢[1-2]。以往磨機(jī)研究都是通過制作實(shí)體模型，通過反復(fù)修改實(shí)體模型參數(shù)和理論計(jì)算進(jìn)行比對調(diào)試，最終確定最佳參數(shù)的磨機(jī)模型，研究工期漫長，而采用仿真軟件優(yōu)化磨機(jī)性能的研究仍相對較少。

采用ADAMS軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，在所建模型上對磨機(jī)滾筒速度、介質(zhì)的破碎力等進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行性能比對和優(yōu)化，可使磨機(jī)球介質(zhì)和棒介質(zhì)輕松地相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)一模多用。

1磨機(jī)參數(shù)化建模

目前，在ADAMS中建模的方式有兩種，一是在ADAMS-View附帶的工具中建模，二是將Pro/E、UG、SolidWorks等三維軟件文件導(dǎo)入建模[3]。采用有利于模型參數(shù)化的第一種建模方式進(jìn)行建模，并將其參數(shù)化，輕松獲得各種規(guī)格的磨機(jī)模型，從而縮短新設(shè)備的設(shè)計(jì)周期。

1.1確定磨機(jī)技術(shù)參數(shù)

參數(shù)化點(diǎn)的確立原則：①所創(chuàng)建的參數(shù)化點(diǎn)能夠確定研究對象的位置和方向；②根據(jù)特征點(diǎn)可創(chuàng)建模型的可視化幾何實(shí)體。

由于溢流型磨機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，影響其性能的因素較少，根據(jù)以上原則，選擇市場上通用的溢流型磨機(jī)進(jìn)行建模。統(tǒng)計(jì)某廠MQYG系列球磨機(jī)的性能參數(shù)、鋼球直徑與給料粒度的關(guān)系，分別見表1、表2。

表1　MQYG溢流型球磨機(jī)性能參數(shù)

表2　鋼球直徑與給料粒度之間的關(guān)系

依據(jù)表1、表2，可獲得磨機(jī)的參數(shù)化表、各參數(shù)位置，分別見表3、圖1。

表3　磨機(jī)的參數(shù)化表

考慮到動(dòng)間隙和端面效應(yīng)，磨機(jī)產(chǎn)品為-5 mm時(shí)，磨機(jī)襯板高度為0.5～1.5倍介質(zhì)直徑。

圖1　磨機(jī)各參數(shù)位置

1.2創(chuàng)建參數(shù)化點(diǎn)及模型部件

創(chuàng)建參數(shù)化點(diǎn)方法有兩種：①通過主工具箱創(chuàng)建；②通過Tool菜單中的Command Navigator命令創(chuàng)建。

采用第一種方法創(chuàng)建參數(shù)化點(diǎn)，首先在ADAMS主工具箱中建立一個(gè)圓柱，然后在該圓柱上下左右四個(gè)位置建立特征點(diǎn)(Marker)，所建的Marker點(diǎn)見圖2。

圖2　三維實(shí)體上的Marker點(diǎn)

在4個(gè)Marker點(diǎn)上重新建立圓柱。由襯板高(xiang_jiao_dian_wai_ban_jing)建立相關(guān)性，參數(shù)化以后，小圓柱隨大圓柱移動(dòng)，形成磨機(jī)滾筒襯墊。在主菜單中，選擇Tools/ Dialog Box/Modify后，選擇參數(shù)化后模塊名稱，設(shè)計(jì)目的滑塊，參數(shù)化后可以自由控制滑塊模型。通過作布爾運(yùn)算，反復(fù)變換，可得到目的模型。布爾減運(yùn)算后的模型和棒磨機(jī)模型分別見圖3、圖4。

圖3　布爾減運(yùn)算后的模型

圖4　棒磨機(jī)模型

1.3注意事項(xiàng)

(1)兩個(gè)Part(構(gòu)件)不能共用1個(gè)Marker點(diǎn)。

(2)采用簡單的半圓柱狀襯墊，既有利于參數(shù)化設(shè)計(jì)，又可以對模型介質(zhì)起到提升作用。

(3)通過ADAMS計(jì)算模型的某個(gè)位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)的解不唯一，即多解現(xiàn)象，說明系統(tǒng)的約束方程是奇異的，系統(tǒng)解算失敗。

2磨機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)化模型的設(shè)置與仿真

為使系統(tǒng)仿真更加真實(shí)，模型各構(gòu)件間的相互約束關(guān)系被定義為基于接觸碰撞力的約束關(guān)系，即構(gòu)件間只通過法向的接觸碰撞力和切向的摩擦力相互約束，而不存在其他約束關(guān)系[4-5]?；贏DAMS創(chuàng)建的棒介質(zhì)磨機(jī)模型和球介質(zhì)磨機(jī)模型分別見圖5、圖6。

圖5　ADAMS棒介質(zhì)磨機(jī)模型

圖6　ADAMS球介質(zhì)磨機(jī)模型

通過調(diào)整球介質(zhì)磨機(jī)模型中的bang-jie-zhi-chang滑塊，可以將棒介質(zhì)變成球介質(zhì)；通過調(diào)整qiu-mo-ji-nei-ban-jing滑塊，可以改變滾筒直徑大?。煌ㄟ^調(diào)整xiang-jiao-dian-wai-ban-jing滑塊，可以改變襯板高度；通過調(diào)整gun-tong-chang滑塊，可以調(diào)節(jié)滾筒長；通過調(diào)整bang-jie-zhi-ban-jing滑塊，可以調(diào)整球(棒)介質(zhì)直徑。

該參數(shù)化模型可涵蓋該廠MQYG系列溢流型磨機(jī)的全部產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了磨機(jī)的仿真研究，達(dá)到了一模多用的目的。

常規(guī)恒速磨機(jī)存在“死區(qū)”現(xiàn)象，導(dǎo)致其在研磨過程中能耗浪費(fèi)較大。變速磨機(jī)滾筒驅(qū)動(dòng)角速度采用STEP函數(shù)，可以避免“死區(qū)”現(xiàn)象的發(fā)生，大大提高磨機(jī)研磨效率。筒體參數(shù)化模型建立后，加入介質(zhì)，施加STEP函數(shù)的驅(qū)動(dòng)(motion)，以控制滾筒驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速由停止到運(yùn)轉(zhuǎn)的不斷變化以實(shí)現(xiàn)磨機(jī)變速。

滾筒驅(qū)動(dòng)角速度見圖7。在該STEP函數(shù)角速度驅(qū)動(dòng)下，變速球磨機(jī)和棒磨機(jī)8#介質(zhì)與滾筒內(nèi)壁的撞擊力和撞擊次數(shù)分別見圖8、圖9[6-8]。

圖7　變速球磨機(jī)滾筒驅(qū)動(dòng)角速度

圖8　變速球磨機(jī)8#球撞擊力

圖9　變速棒磨機(jī)8#棒撞擊力

由圖7～圖9可知，滾筒驅(qū)動(dòng)角速度在平衡位置上下波動(dòng)，變化較大，可以滿足球(棒)磨機(jī)滾筒驅(qū)動(dòng)角速度的變速要求。球磨機(jī)介質(zhì)撞擊力超過 2 000 N，撞擊次數(shù)為5次，而棒磨機(jī)介質(zhì)在同樣位置的撞擊次數(shù)為11次，且撞擊力明顯大于球磨機(jī)。

3結(jié)論

基于ADAMS建立磨機(jī)參數(shù)化的模型可以方便地進(jìn)行磨機(jī)參數(shù)調(diào)節(jié)，無需考慮模型間的關(guān)聯(lián)變動(dòng)。根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的一系列可變參數(shù)，通過系列仿真可觀察到不同參數(shù)值下模型性能的變化，按照實(shí)際性能需求選擇對應(yīng)的參數(shù)，提高了建模效率；可以求出每個(gè)設(shè)計(jì)變量對結(jié)果的影響大小，計(jì)算出每個(gè)設(shè)計(jì)變量的影響關(guān)系，從而找出對結(jié)果影響最大的設(shè)計(jì)變量并進(jìn)行優(yōu)化。該研究為提高分析算法的運(yùn)算速度和可靠性奠定了理論基礎(chǔ)，對于與磨機(jī)離心式工作原理類似設(shè)備的參數(shù)優(yōu)化，具有借鑒作用。

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(收稿日期2015-12-01)

龐國強(qiáng) ( 1978—)，男，助理研究員，710077 陜西省西安市高新區(qū)錦業(yè)一路82號(hào)。