離散元法之振動磨介流數(shù)值模擬與試驗

楊小蘭 劉極峰 周亞軍 王治金

摘要： 為研究磨介細(xì)觀運(yùn)動過程及粉碎機(jī)理，構(gòu)建基于離散元法之振動磨磨介流數(shù)值模擬模型，按頻幅大小設(shè)定兩種振強(qiáng)等級、4種模式的工況組合，導(dǎo)出筒體運(yùn)動方程，求得筒體中心運(yùn)動軌跡、磨介流速矢場、速度云圖等真實(shí)運(yùn)動，數(shù)值模擬結(jié)果表明：相對其他模式，C模式（中頻高幅）乏能區(qū)至少減小8%，筒內(nèi)前端磨介動能分別為其他模式的1.26～22.31倍，其動能增加使得磨介間撞擊效果強(qiáng)，為超微顆粒細(xì)化試驗的參數(shù)優(yōu)化提供了富有價值的參考；在普通和新型振動磨上分別進(jìn)行試驗，經(jīng)激光粒度儀檢測、高速攝影機(jī)記錄，分別取得d（50） = 1.6，0.2 μm、帶寬4.8，0.3 μm的檢測結(jié)果，明顯體現(xiàn)出新型振動磨顆粒細(xì)化和帶寬窄化效果，成為超硬超微粉體細(xì)化方面的技術(shù)試驗實(shí)證。關(guān)鍵詞： 磨介流； 離散元法； 數(shù)值模擬； 振強(qiáng)等級； 試驗比對

中圖分類號： TD453+.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號：1004-4523（2016）03-0479-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.014

引言

作為一種較為理想的細(xì)磨與超細(xì)粉磨設(shè)備，振動磨的結(jié)構(gòu)有多種形式[12]，以單筒下置式振動磨為例，物料和磨介裝在彈簧支撐的筒體內(nèi)，偏心激振器將激振力傳遞給與之剛性連接的筒體，筒體將運(yùn)動和力傳遞給筒內(nèi)磨介，使物料在磨介撞擊等力能作用下被研磨或粉碎。磨介的運(yùn)動形式直接影響著振動磨的粉磨效果，故分析磨介細(xì)觀運(yùn)動過程是研究振動磨的關(guān)鍵問題之一[3]。

為研究磨介的細(xì)觀運(yùn)動特性，近年來諸多學(xué)者不斷進(jìn)行探索。蘇乾益等利用高速攝像機(jī)對磨介運(yùn)動進(jìn)行拍攝，獲得磨介的分布圖像，建立了振幅和能量的數(shù)學(xué)模型[4]；尹忠俊等人通過攝像技術(shù)記錄磨介的運(yùn)動過程，建立磨介間的沖量與能量傳遞的數(shù)學(xué)模型[5]；唐果寧等通過高速攝像建立磨介的運(yùn)動模型[6]。由于磨介運(yùn)動的復(fù)雜性，高速攝像雖能觀察磨介分布隨時間變化的情況，卻不能具體到每個磨介的運(yùn)動方向與速度；數(shù)學(xué)模型通常是基于圖像信息和一定假設(shè)建立的，能夠描述磨介整體的宏觀運(yùn)動，對于磨介群體內(nèi)部以及單顆磨介的細(xì)觀運(yùn)動很難涉及。

離散元法（Distinct Element Method，DEM）是研究不連續(xù)離散體力學(xué)行為的一種數(shù)值方法[7]，該方法在粉體的流動、分叉或成流等過程的模擬中獲得了成功應(yīng)用；PFC是基于離散元法來模擬圓形顆粒運(yùn)動和相互作用的軟件，在水利地質(zhì)、巖土力學(xué)等領(lǐng)域，分析離散顆粒工程問題中已有應(yīng)用。

V Murariu用PFC模擬不同密度、不同粒徑圓形粒子在FHS中的運(yùn)動及碰撞[8]；B P BHoomans利用PFC模擬在顆粒與墻體是完全彈性與完全光滑情況下，相同密度但不同粒徑的顆粒的分離情況[9]；R D Morrison用PFC對粉碎機(jī)進(jìn)行模擬取得一定進(jìn)展[10]；在振動磨中應(yīng)用PFC模擬振動磨磨介群及磨介形成的磨介流細(xì)觀力學(xué)的情況，尚未見報道。

參照作者超微顆粒細(xì)化樣機(jī)的試驗數(shù)據(jù)，建立筒體截面的PFC模型，旨在模擬不同頻幅組合下磨介流的真實(shí)運(yùn)動，可獲得筒體形心軌跡，磨介流速度矢場圖像，再現(xiàn)磨介流運(yùn)動過程，獲得高速攝像試驗中無法得到的磨介流內(nèi)部流動信息，即不同參數(shù)組合下磨介的響應(yīng)程度，為單個磨介的運(yùn)動軌跡和速度分析，以及筒內(nèi)磨介流的動能應(yīng)變能變化、力鏈分布、力矢場、溫度場等動力學(xué)分析作鋪墊，為破解超微顆粒的聚團(tuán)瓶頸[1112]，獲取超微顆粒細(xì)化試驗所需的參數(shù)選擇調(diào)整，提供有價值的參考，為深入了解磨介流的動力學(xué)特性及能量分布打下基礎(chǔ)。

5結(jié)論

1） 進(jìn)行4種頻幅組合模式的PFC振動磨運(yùn)動學(xué)數(shù)值模擬，獲得筒體中心運(yùn)動軌跡、磨介流的速矢場等運(yùn)動圖像，通過比對分析可知，高幅情況下磨介速度場的梯度分布明顯，磨介可形成單股磨介流；高頻組合下則磨介為多股磨介流，在磨介流分岔與匯合處形成低速區(qū)；兩種高振強(qiáng)組合的粉磨效果要明顯優(yōu)于一般振強(qiáng)的組合：在高頻中幅的D模式中，磨介運(yùn)動速度是B模式的約2倍，磨介流形成的規(guī)模大，碰撞效果顯著，但兩者的磨介平均速度都不大；與A，B，D模式相比，中頻高幅的C模式磨介流成流曲率大、速度大，能量傳輸快，能量利用率高，高速磨介多，磨介間的沖擊碰撞效果強(qiáng)，有利于實(shí)現(xiàn)超微顆粒細(xì)化。

2） 在普通和新型振動磨上，同時進(jìn)行兩磨機(jī)基本技術(shù)參數(shù)相同的金剛石超微粉磨試驗，以便驗證數(shù)值模擬結(jié)果，經(jīng)MS 2000型馬爾文激光粒度儀檢測數(shù)值、Mikrotron Gmbh高速攝影機(jī)記錄圖像，表明中頻高幅的C模式與其它模式相比，在磨介流形成的速矢及平均速度相對較大，速矢無明顯分叉，成股性好，試驗及檢測記錄顯示出C模式的新型磨機(jī)粉體細(xì)化及窄化帶寬的明顯效果，成為超硬顆粒振動粉碎細(xì)化方面的技術(shù)進(jìn)步實(shí)證。

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Discrete element on the numerical simulation and experiment of

vibration grinding medium flowYANG Xiaolan1，2， LIU Jifeng2，1， ZHOU Yajun2， WANG Zhijin1（1.College of Mechanical Engineering，Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China；

2.College of Engineering，Huanghe S & T University， Zhengzhou 450015， China）Abstract： In order to research the mesoscopic movement process and the mechanism of smashing， a numerical simulation model of the vibration grinding medium flow is built based on discrete element theory. According to various amplitude and frequency combinations， the vibration intensity is divided into two levels in four models， and the equation of the motion is derived. Consequently， the motion trajectory of the barrel center， the vector field of the grinding medium flow and the cloud picture of speed are all obtained. The results show that in mode C（midfrequency with highamplitude） the energy lacking area is reduced to at least 8%. The kinetic energy of the medium flow in the front part inside the barrel is equivalent to 1.26 to 22.31times of other modes.The increase of the kinetic energy makes the impact among the media more effective， and hence provides a valuable reference to the study of test parameter optimization in superfine grain refinement process. Experiments are conducted on both the regular and the newly developed grinding millsand the results recorded by laser particle size analyzer and high speed camera show that the refinement of particles is from d （50） = 1.6 m down to 0.2 mand the band width is narrowed from 4.8 m to 0.3 m. This can serve as evidence on superhard superfine powder refining technology advancement.Key words： grinding medium flow； discrete element； numerical simulation； grade of vibration intensity； experiment comparison作者簡介： 楊小蘭（1964—），女，教授。電話：（025）86118255；Email：yxhh001@163.com