基于EDEM的大型半自磨機襯板沖擊力與沖擊能量的分析

唐友華，董為民，張寶勇

(1.昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500；2.金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100)

?

基于EDEM的大型半自磨機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 機電工程學院，云南 昆明 650500；2.金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100)

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

關鍵詞：EDEM；半自磨機；沖擊力；沖擊能量

我國從20世紀70年代初開始在工業(yè)上應用半自磨技術[1]，起初半自磨機規(guī)格比較小，隨著磨礦工藝的需求以及磨礦技術的發(fā)展，設備越來越大型化。目前，國內使用的半自磨機規(guī)格有φ5～φ10.37 m等系列、以及正處于設計制造階段的φ12.2 m系列[2]。雖然磨機規(guī)格大型化能提高磨礦效率和磨礦產量，但由此而帶來的襯板的沖擊問題值得深入研究。本文首先應用三維制圖軟件UG對半自磨機進行建模，然后導入EDEM軟件中進行仿真，經過數據處理，最后得出半自磨機襯板所受的沖擊力和沖擊能量的大小以及分布。

1半自磨機模型的建立

本次仿真只研究襯板的受力，為了便于仿真計算，將半自磨機的筒體簡化為一個圓環(huán)柱模型，筒體厚度設置為5 mm,襯板提升條為5 190 mm×500 mm×300 mm的長方體，一共20塊，均勻分布在筒體內。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進行建模，然后轉換成STEP格式，最后導入到EDEM軟件中進行仿真。半自磨機的相關參數見表1。

表1　半自磨機相關參數

2仿真參數設置和仿真數據提取

仿真參數的設置位于EDEM軟件的模型創(chuàng)建模塊，仿真之前應先設置仿真的全局變量，本次仿真的全局變量設置見表2。

表2　仿真模型全局變量參數設置

設置好全局變量后，定義原型顆粒，因為一般物料的尺寸和形狀很不規(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一樣。定義好原型顆粒后，將建好的半自磨機模型導入EDEM軟件中，顆粒工廠設置為包含在筒體內且與筒體同心的一個虛擬圓柱空間。為了縮短EDEM軟件仿真時間，仿真步長取35%，保存時間取0.05 s，柵欄劃分取2R(R為介質的半徑)[3]，總的仿真時間設為12 s，其中顆粒的總數為46 461，顆粒生成時間取1 s，半自磨機運動的時間取1～12 s。

本次仿真的時間共12 s，即半自磨機轉2圈的時間，因為第1 s內顆粒生成后是按自由落體下落到半自磨機筒體底端的，所以為了避免介質自由落體的影響，仿真數據提取的是半自磨機運轉第2圈的數據。半自磨機仿真運行到第6 s和第10 s時的狀態(tài)如圖1所示。因為筒體所取的旋轉方向是順時針，由圖1可知，所標記襯板在第6 s時剛好開始進入受力區(qū)，第10 s時剛好離開受力區(qū)，而且由所提取的數據也可以看出剛好是這個規(guī)律，所以所提取的數據是第6～10 s的數據。由于半自磨機襯板是均勻安裝在筒體上的，所以筒體每轉1周，每塊襯板所受的沖擊幾乎是相同的，在提取數據時，只需提取1塊襯板(見圖1中標記襯板)在半自磨機旋轉1周時所受的沖擊力與沖擊能量的數據。

圖1　半自磨機的仿真狀態(tài)

3襯板所受的沖擊力分析

最大沖擊力是指半自磨機運轉穩(wěn)定后某一時刻單個介質對襯板沖擊力的最大值。沖擊力分布是指半自磨機運轉穩(wěn)定后某一時間段內所受的某一沖擊力的次數。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，該襯板剛好進入受力區(qū)，此時介質處于拋落狀態(tài)，該襯板承受來自筒體最上端的介質拋落下來的沖擊力，此時所受的沖擊力最大，并且在第6.5 s 時，沖擊力達到最大值(1.31×106N)；第7.5 s后，該襯板進入瀉落區(qū)和研磨區(qū)[4]，此時受到的大多都是介質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，該襯板離開受力區(qū)，所受的沖擊力逐漸減小到0。在第6～7.5 s時，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，該襯板進入瀉落區(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時該襯板所受的沖擊力。

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

圖3　襯板在第6～7.5 s時所受的沖擊力分布

4襯板所受的沖擊能量分析

沖擊能量可由介質與襯板碰撞的相對法向速度計算得出：

(1)

式中，m是介質的質量；v是介質與襯板的相對法向速度，即沖擊速度。

該襯板在第6～10 s時所受的總沖擊能量如圖4所示?？倹_擊能量即單個介質對襯板的沖擊能量之和，通過提取介質與該襯板的相對法向速度，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左右時所受沖擊能量最大，此時物料對襯板的沖擊能量達到最大值(22 044 J)，而且在仿真的第6～7.5 s，鋼球和物料對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時的數據(見圖5)。

圖4　襯板在第6～10 s時所受的沖擊能量總和

由圖5可知，該襯板在第6～7.5 s時，所受的沖擊能量比較大，因為此時介質與襯板的相對法向速度較大。此次仿真中，介質的直徑為150 mm，密度為78 000 kg/m3，所以質量為13.783 7 kg。在第6～7.5 s時，此塊襯板所受的平均沖擊能量約為5 000 J，而單個介質對襯板的沖擊能量最大也能達到820 J。

圖5　襯板在第6～7.5 s時所受沖擊速度的分布

5結語

通過分析仿真結果發(fā)現，該半自磨機每轉1圈，每塊襯板都要承受>6×104N的沖擊力達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，單個介質對襯板的最大沖擊能量為820 J。所以在選擇該半自磨機襯板材料時，應增加對襯板的強度和剛度的考慮，而且應綜合考慮半自磨機各工作參數的設計，例如，介質大小、轉速率、填充率和料球比等，有效利用介質的沖擊力以達到磨礦的作用，同時避免材料和經濟的損失。

參考文獻

[1] 楊琳琳，文書明. 自磨機和半自磨機的應用和發(fā)展[J]．國外金屬礦選礦，2005(7):13-16.

[2] 聶明.《自磨機和半自磨機》標準的制定[J].機械工業(yè)標準化與質量，2010(8):24-26.

[3] 胡國明. 顆粒系統的離散元素法分析仿真[M].武漢:武漢理工大學出版社,2010.

[4] 王國強，郝萬軍.離散單元法及其在EDEM上的實踐[M].西安:西北工業(yè)大學出版社，2010.

責任編輯鄭練

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

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

中圖分類號：TD 453

文獻標志碼:B