王贊斌，張偉偉，吉宏志，劉江花

（河南黎明重工科技股份有限公司，河南 鄭州 450001）

離散單元法是指通過建立固體顆粒體系的參數(shù)化模型，進(jìn)行顆粒行為模擬和分析，為解決眾多涉及顆粒、結(jié)構(gòu)、流體、電磁及其耦合等綜合問題提供了一個平臺?，F(xiàn)如今，EDEM在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟，并已從散體力學(xué)的研究、巖土工程和地質(zhì)工程等工程應(yīng)用拓展至工業(yè)過程與工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)的領(lǐng)域，且在諸多工業(yè)領(lǐng)域取得了重要成果。隨著離散單元法在工程應(yīng)用的不斷成熟，相關(guān)軟件開發(fā)也不斷出現(xiàn)。EDEM是Favier博士創(chuàng)立的英國Dem—Solution公司的主導(dǎo)產(chǎn)品。

1 基于離散單元法的EDEM顆粒仿真系統(tǒng)

EDEM顆粒算法是現(xiàn)如今最歡迎的一種基于離散單元法的運(yùn)算模式，它擁有一個能夠分析顆粒系統(tǒng)中多種接觸關(guān)系的CAE軟件。在EDEM的裝置中，需要設(shè)置不同的接觸模型，然后使用一個參數(shù)來連接不同的顆粒，來承受法向的荷載運(yùn)動。如果該連接鍵破碎，破碎后的顆粒能夠作為球體進(jìn)行求解。利用這樣的方法，可以模擬出制砂機(jī)中的砂石破碎過程，進(jìn)而定義出最小的顆粒模型，但在這個過程中存在著一個問題，計(jì)算機(jī)模擬能力無法滿足破碎后總顆粒的計(jì)算及監(jiān)控工作，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)資源消耗巨大。通過對比顆粒仿真方法，計(jì)算出模擬方法的對比結(jié)果，能夠生成適合基于離散單元法的粒子破碎的仿真結(jié)果。通過分析仿真結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)：當(dāng)物體的體積破碎后，高速粒子從轉(zhuǎn)子發(fā)射的第一次碰撞和第二次碰撞的過程中，均被轉(zhuǎn)子擊打，但質(zhì)量要低于體積破碎的需求。因此，在仿真中直接應(yīng)用粒子模型進(jìn)行仿真，降低計(jì)算量，通過采用碰撞接觸來計(jì)算出粒子能量的損耗，推導(dǎo)出模擬成砂率。在仿真過程中，通過判斷仿真系統(tǒng)，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，來提升轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和關(guān)鍵尺寸等內(nèi)容，來得出制砂機(jī)的最佳優(yōu)化方法。

2 制砂機(jī)新破碎方法的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

制砂機(jī)也稱立軸式?jīng)_擊破，利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子拋射石料，使石料相互撞擊。制砂機(jī)的成砂率和砂石的質(zhì)量主要由石料撞擊概率、磋磨作用及石料加速充分性來決定。

（1）前期處理。仿真環(huán)境設(shè)計(jì)中，主要涉及轉(zhuǎn)子、破碎腔等工作部件，這些工作部件使用PROE軟件來實(shí)現(xiàn)建模，礦山在處理尾礦過程中，通過借助軟件的建模能力，來設(shè)計(jì)出以下內(nèi)容：①產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)需要結(jié)合尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)仿真模型的實(shí)時更新，以此提升設(shè)計(jì)的質(zhì)量；②基于離散單元法的仿真原理及經(jīng)驗(yàn)，來對已有的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)更新，進(jìn)而簡化建模的構(gòu)建難度，比如轉(zhuǎn)子的固定零部件與三維設(shè)計(jì)的螺栓組和螺栓孔等特征，來減少仿真軟件的計(jì)算量；③在各個仿真環(huán)境中，裝備合適的零部件，將其導(dǎo)入進(jìn)EDEM中，來形成承載裝配關(guān)系，降低前期處理模型需要花費(fèi)的時間。在前期的處理過程中，仿真模塊的定義粒子系統(tǒng)和模型的顆粒值都具有反彈關(guān)系，包括了顆粒與顆粒、顆粒與金屬之間的系數(shù)，當(dāng)系數(shù)為1時碰撞運(yùn)動狀態(tài)和參與碰撞實(shí)驗(yàn)材料硬度和彈性具有很大關(guān)系。實(shí)驗(yàn)系數(shù)的不同，產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不同，通過驗(yàn)證不同石料在同一個機(jī)制中制造出不同的破碎效果，來分析不同的差異。在完成模型后，制砂機(jī)的入料口可以簡化為例子工廠中的粒子倉，其參數(shù)需要按照實(shí)際的倉速度進(jìn)行設(shè)計(jì)，位置隨機(jī)。

（2）后期處理。在測試砂子運(yùn)動速度時候，在前期采用10%的計(jì)算步長，達(dá)到平衡后，采用0.5%步長計(jì)算，這樣既能夠降低仿真的消耗時間，又能夠確保相關(guān)計(jì)算的精準(zhǔn)性。同時要注意，每次數(shù)據(jù)保存的時間需要進(jìn)行調(diào)整，調(diào)高顆粒速度，使其縮短為0.01s。此外，仿真設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算需要整合碰撞的次數(shù)及能力的損失情況，對于需要勾選數(shù)據(jù)保存中的項(xiàng)目，要確保配置中的粒子速度和能量等相關(guān)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。在計(jì)算的過程中通過查看軟件的仿真過程以及后期處理的模塊中，觀察粒子在轉(zhuǎn)子中高速擊打設(shè)備內(nèi)部的整個過程；通過粒子的顯示模式查看轉(zhuǎn)子墊料層的運(yùn)行狀態(tài)等，掌握影響轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

（3）數(shù)據(jù)分析和結(jié)論。為進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)，本文按照破損理論，取礦石尾礦的邦德功指數(shù)，選取D1、D2、D3三個破碎仿真參數(shù)模型，來計(jì)算出40mm顆粒破碎功。在此次研究中要忽略其他的因素，簡化仿真顆粒在接觸后發(fā)生的體積破損問題，將其功能轉(zhuǎn)化為大于參數(shù)的值。如果得出的值大于參數(shù)破損值，說明表面積破碎，而統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)則是模型的成砂率及砂子的質(zhì)量。在進(jìn)行第一階段的D2參數(shù)模型設(shè)計(jì)過程中，測試出此次項(xiàng)目的成砂為34.7%。通過推算，得出了成砂率數(shù)據(jù)信息，在數(shù)據(jù)中，石打鐵與石打石（礦石尾礦抗壓強(qiáng)度60MPa～140MPa，莫氏硬度值是3）的模型成砂率數(shù)據(jù)需要按照行業(yè)的測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，而數(shù)據(jù)參數(shù)模型在行業(yè)的參數(shù)模型數(shù)據(jù)是來源于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證。通過推算其他模型的成砂率，檢測相應(yīng)的測驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠證明使用離散單元法可以提升成砂率。在EXCEL統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中生成了對比分析數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)可以得出，新型的模型數(shù)據(jù)成砂率會大幅度的提升，但是新型的“數(shù)據(jù)順序”卻打破了模型的成砂率。在選取新型的D1、D2數(shù)據(jù)模型的時候，會發(fā)現(xiàn)研磨的效果會產(chǎn)生大幅度的下降趨勢。因此，選擇了D3來作為最佳設(shè)計(jì)方案。根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)果分析，D3模型破碎打破了石打鐵的72%效率，研磨效果能夠達(dá)到石打鐵10倍。數(shù)據(jù)如下：D1研磨次數(shù)44，破碎次數(shù)為0.13×103；D2研磨次數(shù)為64，破碎次數(shù)為0.5×103；D3的研磨次數(shù)為154，破碎次數(shù)為1.0×103。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)的可實(shí)施性，本文記錄了新一代的制砂機(jī)應(yīng)用在生產(chǎn)中的各項(xiàng)指標(biāo)，并對其穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)性進(jìn)行了測試。

實(shí)驗(yàn)的過程如下：首先，選擇40mm的石灰石作為入料條件，系統(tǒng)篩選的地層過濾網(wǎng)為2.8mm孔徑；其次，進(jìn)行測試，測試的數(shù)據(jù)為：采樣1，成砂率為54.8，堆積密度（t·m-3）1628.4，空隙率為38.4；采樣2成砂率為53.4，堆積密度（t·m-3）1685.3，空隙率為37.6；采樣3成砂率為52.5，堆積密度（t·m-3）1682.8，空隙率為38.5。

通過這組數(shù)據(jù)能夠分析出成砂率略高于仿真數(shù)據(jù)，原因是仿真能力的為100t/h～150t/h，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的實(shí)驗(yàn)條件是60t/h。當(dāng)制砂機(jī)出現(xiàn)制砂量下降的時候，就會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。按照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對于建筑用砂，砂的表面密度、堆積密度等數(shù)據(jù)需要滿足規(guī)定要求，同時空隙率要小于47%。因此，實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)的成品砂滿足國家的標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)度模數(shù)在2.6～2.7，屬于中等砂，成品砂質(zhì)量優(yōu)秀。

4 結(jié)論

綜上所述，礦山在處理尾礦過程中將離散單元法應(yīng)用在制砂機(jī)成砂率提升研究中，能夠得出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，仿真設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算需要整合碰撞的次數(shù)及能力的損失情況，對于需要勾選數(shù)據(jù)保存中的項(xiàng)目，要確保配置中的粒子速度和能量等相關(guān)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性；同時將離散單元法應(yīng)用在制砂機(jī)中，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化制砂機(jī)結(jié)構(gòu)，達(dá)到提升設(shè)備成砂率，降低生產(chǎn)能耗的目的。因此，本文研究的基于離散單元法在制砂機(jī)成砂率提升的研究適用于礦山的尾礦處理破碎機(jī)中，提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。