任國強(qiáng)

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，四川 遂寧　629000）

基于正交實(shí)驗(yàn)規(guī)劃的球磨機(jī)介質(zhì)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

任國強(qiáng)

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，四川 遂寧629000）

球磨機(jī)是靠工作介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的沖擊與研磨來完成物料的破碎和細(xì)磨，磨機(jī)中影響介質(zhì)運(yùn)動(dòng)及磨礦效果的要素中，最首要有介質(zhì)尺度、形狀、填充率和轉(zhuǎn)速率、筒體直徑等.對(duì)球磨機(jī)進(jìn)行以介質(zhì)尺度、介質(zhì)填充率和磨機(jī)轉(zhuǎn)速率為中心的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)研討，不但能夠進(jìn)一步探討清楚有關(guān)磨礦進(jìn)程中的有關(guān)規(guī)則，并且對(duì)于提高球磨機(jī)的功率和改善生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具有重要含義.本文在分析介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，找到合理的球磨機(jī)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀況，建立球磨機(jī)離散單元模型，應(yīng)用PFC3D軟件對(duì)工作介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真，最后得出最優(yōu)參數(shù)組合，這樣的實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)球磨機(jī)的實(shí)踐具有較強(qiáng)的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義.

球磨機(jī)；介質(zhì)參數(shù)；正交實(shí)驗(yàn)規(guī)劃；優(yōu)化設(shè)計(jì)

球磨機(jī)是物料被破碎后再進(jìn)行粉碎細(xì)磨的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于粉磨各種礦石和其它物料，被廣泛應(yīng)用在建材、礦廠、冶金、化工、及電力等若干基礎(chǔ)行業(yè)中.球磨機(jī)中物料的破碎是靠介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的沖擊與研磨來完結(jié)，球磨機(jī)的磨礦作用跟介質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀況有著直接關(guān)系，而球磨機(jī)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀況是由其介質(zhì)作業(yè)參數(shù)所決定.

1　影響球磨機(jī)工作介質(zhì)運(yùn)動(dòng)因素分析

對(duì)球磨機(jī)破碎力影響的因素較多，主要影響因素主要有：筒體直徑、轉(zhuǎn)速率、磨球直徑、裝球率、球磨機(jī)內(nèi)襯板構(gòu)造與形狀等，下面主要分析影響球磨機(jī)工作介質(zhì)的主要因素.

1.1介質(zhì)尺度

球磨機(jī)的介質(zhì)尺度是指磨球直徑的大小或者是圓柱鋼鍛的大小.

球磨機(jī)的工作原理就是靠工作介質(zhì)對(duì)物料進(jìn)行沖擊和研磨，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的破碎和細(xì)磨.工作介質(zhì)的幾何尺度大小決定著介質(zhì)攜帶的能量的大小，也就決定介質(zhì)對(duì)物料實(shí)施的破碎力的大小，最終決定著球磨機(jī)粉磨的功率以及其質(zhì)量特性，從另一個(gè)方面也將影響球磨機(jī)粉磨的能量消耗和工作介質(zhì)耗費(fèi)，因而，工作介質(zhì)幾何尺度的大小是一個(gè)影響球磨機(jī)粉磨的首要和關(guān)鍵要素.

1.2裝球率

球磨機(jī)筒體內(nèi)研磨體填充的容積與球磨機(jī)筒體的有效容積之比的百分?jǐn)?shù)，稱為磨礦介質(zhì)的裝球率.

裝球率越大，在球磨機(jī)的筒體容積相同的情況下，參與粉碎和研磨的有用磨球的個(gè)數(shù)就會(huì)增多，這樣就可以增加球磨機(jī)的產(chǎn)能.但是如果裝球率過高，同時(shí)參與粉碎和研磨的內(nèi)層磨球的數(shù)量增多，從而導(dǎo)致內(nèi)層的破壞效果較??；另一方也會(huì)導(dǎo)致在粉碎和研磨的過程中磨球的堆積較高，從而降低了磨球拋離點(diǎn)與拋落點(diǎn)之間的距離，也就降低了磨球的有用沖擊高度，減緩了磨球的沖擊和破壞的效果，由此可見，當(dāng)球磨機(jī)的裝球率過大時(shí)，對(duì)于磨礦的效果反而不利.

1.3轉(zhuǎn)速率

當(dāng)球磨機(jī)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，工作介質(zhì)隨著筒體一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值的時(shí)候，介質(zhì)由于作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力等于其本身的重力，這時(shí)，介質(zhì)被升舉至脫離角為零的位置，此時(shí)，研磨體將緊貼附在筒壁上而不會(huì)降落下來，這個(gè)轉(zhuǎn)速就稱為球磨機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速.介質(zhì)的提升高度和提升力大小、介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)是由球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定；球磨機(jī)轉(zhuǎn)速不一樣，介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就不一樣.

2　正交實(shí)驗(yàn)規(guī)劃

通常實(shí)驗(yàn)優(yōu)化可以用實(shí)驗(yàn)規(guī)劃和回歸規(guī)劃的方式進(jìn)行.而其中離散優(yōu)化的最佳方式便是實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，即通過一系列的步驟，使用拉丁方、均勻表、正交表等方式來進(jìn)行實(shí)驗(yàn).作規(guī)劃時(shí)，利用表格的方式處理實(shí)驗(yàn)設(shè)定和數(shù)據(jù)，更有利于實(shí)驗(yàn)的開展.

正交實(shí)驗(yàn)規(guī)劃的進(jìn)程包含規(guī)劃實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和處理實(shí)驗(yàn)成果兩步.規(guī)劃實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的具體步驟如圖1所示.接下來通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其中重要的步驟作詳細(xì)說明：

圖1　正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)流程

試驗(yàn)過程中會(huì)產(chǎn)生三個(gè)重要因素:填充率、轉(zhuǎn)速率、磨球尺寸（鋼球尺寸），待試驗(yàn)的球磨機(jī)磨球工作參數(shù)與相應(yīng)水平情況如表4.1所示，取水平3.

表1　待試驗(yàn)的球磨機(jī)磨球工作參數(shù)與相應(yīng)水平

所選用的三因素三水平的正交表如下表2所示：

表2　選用的正交表

從上表中可以看出，通過正交表實(shí)驗(yàn)，可以體現(xiàn)水平均勻，搭配均勻的原理.雖然試驗(yàn)次數(shù)少，但是實(shí)驗(yàn)效果明顯.

3　球磨機(jī)工作介質(zhì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在程序中運(yùn)用histwal l power指令，當(dāng)結(jié)束球磨機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)后，在同目錄中找到相應(yīng)文件，這個(gè)文件記錄了運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)部件功率的數(shù)據(jù)變化，即鋼球和筒體以及提高條之間的能量轉(zhuǎn)換.這些數(shù)據(jù)反應(yīng)出不同時(shí)間各個(gè)墻體的功率差異.因此，下一步就是處理這些數(shù)據(jù)，以便得到球磨機(jī)的有效功率.

3.1試驗(yàn)點(diǎn)仿真

對(duì)φ40mm、裝球率0.2、轉(zhuǎn)速率0.4情況運(yùn)動(dòng)分析，記錄筒體及提升條功率數(shù)據(jù)變化的程序如下所示：

筒體及提升條功率數(shù)據(jù)記錄程序

以φ20mm、裝球率0.2、轉(zhuǎn)速率0.4情況為例，得到某一時(shí)刻鋼球的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及磨球速度矢量圖如下圖2所示：

圖2　某一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及磨球速度矢量圖

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

當(dāng)球磨機(jī)仿真結(jié)束后，在相同目錄中找到后綴為.his的文件，這個(gè)文件反應(yīng)了仿真運(yùn)動(dòng)中筒體和其他部分功率上的變化情況，即鋼球于筒體和襯板提高條之間碰撞耗費(fèi)的能量.所記錄的數(shù)據(jù)是不同時(shí)間作用在各個(gè)墻體上的功率，因而，需要進(jìn)一步的處理這些數(shù)據(jù)，以便得到球磨機(jī)的真實(shí)功率.

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理辦法，得到有用功率后，再選用極差法處理，數(shù)據(jù)成果如表3所示.

表3　試驗(yàn)方案數(shù)據(jù)

3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

（1）通過比較極差Ri的大小，可以知道鋼球的大小和轉(zhuǎn)動(dòng)的速度是影響磨球運(yùn)動(dòng)的主要因素，其次就是鋼球的數(shù)量多少也是影響因素之一；

（2）通過比較的大小，試驗(yàn)水平的優(yōu)方案中第3水平的是填充率，第2水平為轉(zhuǎn)速率，第1水平則是磨球尺寸；

（3）綜上分析，第九組試驗(yàn)點(diǎn)的情況為試驗(yàn)中的最優(yōu)組合.

4　結(jié)束語

球磨機(jī)的磨礦進(jìn)程是一個(gè)復(fù)雜的過程，本文是忽略其他一些因素的影響，比如礦物質(zhì)、水等，從而對(duì)球磨機(jī)的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)則進(jìn)行了必定的研討。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃，以離散元軟件為手段，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理則采用了極差法原理，最后得出最優(yōu)參數(shù)組合，這樣的實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)球磨機(jī)的實(shí)踐具有較強(qiáng)的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義，但是因?yàn)樵囼?yàn)條件的約束，論文的研討定論存在著必定的局限性.

[1]于福家，韓躍新.磨機(jī)細(xì)磨介質(zhì)優(yōu)化研究[J].金屬礦山, 1997,（03）.

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[3]史國軍.基于三維離散單元法的球磨機(jī)介質(zhì)工作參數(shù)研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2008.

[4]應(yīng)靈靈.球磨機(jī)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2009.

責(zé)任編輯：張隆輝

TD453

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1672-2094（2016）04-0171-03

2016-05-16

任國強(qiáng)（1975-），男，四川南充人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士.研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、CAD/CAM技術(shù).