基于離散元方法的雙齒輥破碎機(jī)的仿真

馬會(huì)永

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西　太原　030006）

基于離散元方法的雙齒輥破碎機(jī)的仿真

馬會(huì)永

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西太原030006）

雙齒輥破碎機(jī)作為破碎機(jī)械的重要一員，在各大礦山開采中雙齒輥破碎機(jī)發(fā)揮著重要作用。離散元法是基于分子動(dòng)力學(xué)原理而提出的一種求解離散系統(tǒng)的熟知計(jì)算方法。論文采用離散元軟件對(duì)雙齒輥破碎機(jī)滿載啟動(dòng)進(jìn)行仿真，提取破碎齒在滿載啟動(dòng)時(shí)的受力并根據(jù)該力利用有限元軟件ANSYSWorkbench對(duì)破碎齒和齒環(huán)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行研究。

雙齒輥破碎機(jī)；ANSYSWorkbench

0　引言

破碎機(jī)作為破碎設(shè)備的一員，主要應(yīng)用在礦山開采、建筑、煤炭開采、冶金等行業(yè)。目前，礦山破碎機(jī)的主要有顎式破碎機(jī)、旋回破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、沖擊式破碎機(jī)以及齒輥破碎機(jī)等。輥式破碎機(jī)最早出現(xiàn)在1806年，它是一種比較古老的破碎設(shè)備。在國外比較著名的生產(chǎn)雙齒輥破碎機(jī)的廠家主要有英國的MMD公司和澳大利亞FLS愛邦有限公司。

離散元法的基本思路是將不連續(xù)的物體離散成剛性元素的集合，使各剛性元素符合牛頓運(yùn)動(dòng)方程，再通過迭代運(yùn)算求解各剛性元素的運(yùn)動(dòng)方程獲得不連續(xù)物體的整個(gè)運(yùn)動(dòng)形態(tài)，目前，離散元法已經(jīng)廣泛應(yīng)用在礦物加工領(lǐng)域。

1　仿真物料介紹

本仿真所需物料按照大唐錫林浩特物料進(jìn)行建模，其中物料的主要情況如下：最大入料粒度為（1200×1500× 2000）mm。入料粒度分布：粒度在0～400mm的物料占的百分比≥65%，粒度在400～900mm的物料占的百分比≤25%，粒度大于900mm的物料占的百分比＜10%。物料的種類為土和巖石剝離物。物料的靜安息角為33°。

物料的性質(zhì)：泥巖密度2.24g/cm3～2.65g/cm3，平均2.50g/cm3；天然石密度1.64g/cm3～2.29g/cm3，平均2.10g/ cm3；含水率8.79%～27.11%，平均14.72%；孔隙率20.05%～42.40%，平均33.43%；耐崩解性指數(shù)81.0%；內(nèi)摩擦角35.6°～40.6°，平均38.1°；粘聚力0.12MPa～0.60MPa，平均0.36MPa；抗壓強(qiáng)度0.5MPa～3.36MPa，平均1.95MPa。

2　模型建立及仿真

雙齒輥破碎機(jī)工作時(shí)通過傳送帶給破碎機(jī)提供物料，給料粒度按照入料粒度分布情況創(chuàng)建。為研究破碎齒在仿真過程中，物料對(duì)破碎齒的作用，選擇雙齒輥破碎機(jī)中右破碎輥上中間位置一個(gè)破碎齒，利用軟件HyperMesh對(duì)該破碎齒劃分網(wǎng)格，然后將該破碎齒保存成. msh格式的文件，將劃分網(wǎng)格后的破碎齒替換到破碎輥上。導(dǎo)入到離散元軟件中的雙齒輥破碎機(jī)模型如圖1所示。

圖1　雙齒輥破碎機(jī)仿真模

為減少離散元軟件中零件的數(shù)量，將左破碎輥合并成一個(gè)整體，在右破碎輥中，除劃分網(wǎng)格的破碎齒外，其余零件合并成一個(gè)整體。因此在整個(gè)模型中，左破碎輥會(huì)繞著左破碎輥的軸線旋轉(zhuǎn)、右破碎輥和劃分網(wǎng)格的破碎齒會(huì)繞著右破碎輥的軸線旋轉(zhuǎn)。設(shè)置破碎輥轉(zhuǎn)速曲線如圖2所示。

從上圖可以看出，在時(shí)間段內(nèi)，破碎輥的轉(zhuǎn)速為0，此時(shí)間段主要完成物料在破碎輥上方的堆積。在8～10.5s時(shí)間段完成破碎輥的啟動(dòng)，此時(shí)間段施加在破碎輥上的加速度為45deg/s2，破碎輥開始對(duì)物料破碎。在10.5～25s時(shí)間段，破碎輥的轉(zhuǎn)速為保持在18.75r/min，破碎輥以該轉(zhuǎn)速對(duì)物料進(jìn)行破碎。

圖2　破碎輥轉(zhuǎn)速曲線

采用離散元方法對(duì)雙齒輥破碎機(jī)滿載啟動(dòng)過程的仿真可以分解為3個(gè)步驟，首先是完成物料的生成，并將物料在傳送帶上堆積，不同粒度的物料顆粒數(shù)量按照給料粒度分布添加；然后，傳送帶上的物料堆積到靜止的破碎輥上，形成物料在破碎腔中的堆積；最后，破碎輥開始啟動(dòng)，在破碎輥的作用下完成破碎，并將物料排出。以下為各仿真步驟中的截圖：①按照給料粒度分布在傳送帶上生成物料堆，如圖3所示；②經(jīng)過前8s的物料堆積，最終堆積在破碎輥上的物料如圖4所示；③破碎輥開始轉(zhuǎn)動(dòng)后，物料開始被破碎，其破碎過程如圖5所示。

從上面的圖可以看出，破碎輥轉(zhuǎn)速提高到18.75s/min時(shí)，劃分網(wǎng)格的破碎齒開始參與物料的破碎，經(jīng)過一段時(shí)間的旋轉(zhuǎn)，劃分網(wǎng)格的破碎齒轉(zhuǎn)到破碎輥的下方，此時(shí)物料對(duì)該破碎齒沒有作用力，再經(jīng)過一段時(shí)間的轉(zhuǎn)動(dòng)，劃分網(wǎng)格的破碎齒又參與到物料的破碎，由時(shí)刻13.9s的截圖可以看出，此時(shí)破碎輥上方的物料還較多，破碎機(jī)還沒有進(jìn)入正常破碎階段。再經(jīng)過一個(gè)周期的旋轉(zhuǎn)，劃分網(wǎng)格的破碎齒再次參與物料的破碎，由時(shí)刻17s的截圖可以看出，此時(shí)破碎輥上方的物料較少，破碎機(jī)進(jìn)入正常破碎階段。

圖3　傳送帶上的物料堆

圖4　堆積在破碎輥上的物料

3　數(shù)據(jù)分析

完成雙齒輥破碎機(jī)滿載啟動(dòng)的仿真后，從離散元軟件中提取劃分網(wǎng)格的破碎齒的受力數(shù)據(jù)，根據(jù)破碎齒的受力數(shù)據(jù)，繪制破碎齒受力曲線如圖6所示。

圖5　仿真過程截圖

圖6　破碎齒受力曲線

從圖6（a）可以看出，劃分網(wǎng)格的破碎齒共參與了三次物料的破碎，在第一次參與物料破碎時(shí)，由于破碎輥上方的物料較多，該破碎齒的受力與該破碎齒第三次參與破碎時(shí)的受力相比，該時(shí)刻的受力較大，提取該破碎過程中最大力作為滿載啟動(dòng)時(shí)破碎齒的受力，在該破碎齒第二次參與破碎時(shí)，由于破碎輥上方的物料還比較多，破碎齒的受力與該破碎齒第三次參與破碎時(shí)的受力相比也較大，在該破碎齒第三次參與物料破碎時(shí)，破碎輥上方從導(dǎo)出數(shù)據(jù)中查出滿載啟動(dòng)時(shí)和正常破碎時(shí)該破碎齒的最大受力時(shí)刻為t=10.7s和t=17.1s。在時(shí)刻t=10.7s，破碎齒受到的合力為95847N，在時(shí)刻t=17.1s，破碎齒受到的合力為35028.8N，從這兩個(gè)時(shí)刻破碎齒的受力可以看出，破碎齒受力較小，這主要由于本仿真采用的物料為土和巖剝離物，這種物料的抗拉強(qiáng)度較小，只有2MPa左右，如果采用抗拉強(qiáng)度大的物料作為仿真物料，破碎齒的受力將會(huì)變大。提取時(shí)刻t=10.7s和t=17.1s破碎齒的受力如表1所示。

的物料變少，破碎輥上方的物料量與正常破碎時(shí)破碎輥上的物料量相差不大，因此提取該破碎齒第三次參與物料破碎時(shí)破碎齒的最大力作為正常破碎時(shí)破碎齒的受力。

表1　破碎齒的受力

4　結(jié)論

采用離散元方法對(duì)雙齒輥破碎機(jī)滿載啟動(dòng)工況進(jìn)行了仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，獲得滿載啟動(dòng)時(shí)破碎齒的受力和正常破碎時(shí)破碎齒的受力，并依據(jù)獲得的力對(duì)破碎齒和齒環(huán)的強(qiáng)度剛度進(jìn)行了分析，通過分析結(jié)果可知，在破碎機(jī)破碎正常物料時(shí)，破碎齒和齒環(huán)的強(qiáng)度和剛度滿足要求。此仿真研究為雙輥式破碎機(jī)的研究提供借鑒意義。

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Based on the Discrete Element Method of the Double-toothed Roll Crusher Simulation

MA Hui-Yong
（Shanxi Tiandi Coal Machine Equipment Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030006，China）

Double toothed roll crusher as an important member of the crushing machine，double toothed roll crusher in major mining plays an important role.The discrete element method is proposed on the basis of the principle of molecular dynamics of a system to solve the discrete calculation method of the familiar.Based on the discrete element software simulation was carried out on the double toothed roll crusher full load startup，extract the broken tooth in full force and according to the force of startup using finite element software ANSYSWorkbench broken tooth and tooth ring of strength and stiffness are studied.

double-toothed roll crusher；ANSYSWorkbench

TM641

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.037

1002-6673（2015）01-103-03

2014-11-17

馬會(huì)永（1981-），男，河北趙縣人，助理工程師。2006年畢業(yè)于大同大學(xué)機(jī)電一體化專業(yè)。