基于ROCKY-DEM的球磨機(jī)襯板設(shè)計(jì)

王 偉，郝俊杰，楊興權(quán)，任必銳

(1.江蘇蘇鹽井神股份有限公司第三分公司，江蘇 淮安 223000；2.淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223003 3.江蘇省制鹽工業(yè)研究所有限公司，江蘇 淮安 223000)

球磨機(jī)襯板是球磨機(jī)中的一個(gè)及其重要安裝組件，安裝于筒體內(nèi)部，起到保護(hù)筒體和調(diào)整研磨體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的作用，是影響球磨機(jī)破碎效率和產(chǎn)量的重要因素之一。[1]

中國(guó)的鐵礦石選礦廠每年消耗超過8萬(wàn)t的襯板。此外，許多選礦廠的球磨機(jī)都使用較大的研磨球，以降低失效球的比例。這種行為增加了球鋼的損耗，降低了研磨效率。因此，有必要對(duì)鐵礦球磨機(jī)襯板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。[2]

1 球磨機(jī)襯板方案設(shè)計(jì)

對(duì)于該型號(hào)的濕式格子型球磨機(jī)，當(dāng)球磨機(jī)工作時(shí)，物料經(jīng)傳送帶持續(xù)輸出至球磨機(jī)內(nèi)部，物料和研磨體由耐磨金屬板下方的提升帶提升至高處，并在筒體內(nèi)完成拋落、沖擊、撞擊和自磨作業(yè)，實(shí)現(xiàn)物料磨碎。在不斷給入物料的情況下，會(huì)受壓力，促使筒體內(nèi)物料逐漸排到出料端。因此，球磨機(jī)實(shí)際工作過程中,存在以下問題:襯板長(zhǎng)期承受研磨體周期性的沖擊、摩剝等作用，易出現(xiàn)磨損、突起變形、斷裂、腐蝕等單一或者多種機(jī)制并存的失效形式，顯著影響物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，降低研磨效率，且更換襯板會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停車；襯板與相鄰襯板配合時(shí)配合部位有間隙,容易掉入物料,造成腐蝕，影響襯板與相鄰襯板之間的連接,造成襯板更換時(shí)無(wú)法拆卸，只能人工進(jìn)入球磨機(jī)內(nèi)部采用氣割將襯板融化。

為解決上述問題，相鄰襯板周向之間由原有的普通緊密連接通過凹槽與凸塊連接，軸向之間由卡接塊和卡接槽連接，保證其在使用過程中的密接性，避免因漿液泄漏造成襯板更換時(shí)難以拆卸的問題。

圖1 球磨機(jī)內(nèi)部圖

1.凹槽 2.襯板主體 3.耐磨金屬板 4.卡鉗螺栓 5.凸塊 6.卡接塊 7.橡膠墊片 8.卡接槽圖2 襯板

2 襯板磨損的數(shù)值求解計(jì)算

離散元素法是由美國(guó)學(xué)者Cundall P.A.教授于1971年基于分子動(dòng)力學(xué)原理提出的一種顆粒離散體物料分析方法。離散元素法被廣泛用于巖土力學(xué)、粉末加工、研磨技術(shù)、混合攪拌等工業(yè)過程。Rocky DEM是由ESSS公司開發(fā)的一款專業(yè)離散元開發(fā)軟件，且與Ansys存在深入的合作。故本文基于離散元素法建立固體顆粒系統(tǒng)的參數(shù)化模型，進(jìn)行襯板行為模擬和分析，并結(jié)合Ansys對(duì)襯板磨損進(jìn)行研究。

本文針對(duì)純堿行業(yè)的某型號(hào)濕式格子型球磨機(jī)，如圖3所示的襯板簡(jiǎn)化后的物理模型，左圖為SolidWorks中處理的球磨機(jī)模型，輸出為Stp格式，由于球磨機(jī)運(yùn)行過程中，應(yīng)力集中發(fā)生在提升條處以及提升條與主體結(jié)合處，故本文以提升條關(guān)鍵參數(shù)半徑r作為變量，分析襯板磨損情況，分別取r=100 mm、105 mm、110 mm、115 mm、120 mm、125 mm、130 mm和135 mm，半徑r如右圖所示。

圖3 球磨機(jī)襯板物理模型

Rocky DEM中球磨機(jī)模擬參數(shù)如下：球磨機(jī)轉(zhuǎn)速65%；填充率40%[1～2]；選用的鋼球直徑為60 mm[3]，與實(shí)際工況匹配。其中鋼球材質(zhì)為ZGMn13。

2.1 顆粒簇模型建立

在球磨機(jī)內(nèi)，利用顆粒工廠生成兩種顆粒。兩種顆粒模型物理參數(shù)如表1所示。

表1 顆粒模型物理屬性

顆粒模型簡(jiǎn)化為球體，設(shè)置顆粒與顆粒、顆粒與襯板之間接觸的靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)、切向剛度比和恢復(fù)系數(shù)，共需要設(shè)置五組相互作用參數(shù)，如表2。

表2 材料的相互作用參數(shù)

顆粒工廠于Y軸-0.5 m處，這樣顆粒生成時(shí)即堆疊于球磨機(jī)底部，減少顆粒掉落時(shí)間。顆粒工廠共生成0.2 t鋼球、0.6 t礦石，其中礦石粒徑分布為：20 mm占100%、15 mm占70%、10 mm占20%。

2.2 ROCKY仿真模型的設(shè)置

選取襯板切片為480 mm，確保切片長(zhǎng)度是鋼球直徑2.5倍以上。由于該軟件為自動(dòng)時(shí)間補(bǔ)償，為了減少計(jì)算時(shí)間，將數(shù)值軟化因子設(shè)置為0.1。進(jìn)一步地，將Triangle Size設(shè)置為0.3 m，并選擇磨損計(jì)算，仿真開始5 s后，開始計(jì)算磨損量。

該型號(hào)球磨機(jī)筒徑為1 830 mm，故臨界速度nc為31.31 r/min，將幾何模型的運(yùn)動(dòng)設(shè)置為線性旋轉(zhuǎn)，仿真轉(zhuǎn)速為18.81 r/min，將已設(shè)置的運(yùn)動(dòng)添加至模型，運(yùn)動(dòng)時(shí)間直至仿真結(jié)束，仿真共計(jì)20 s，每隔0.05 s記錄一次數(shù)據(jù)。

2.3 ANSYS Wrkbench的求解

在Workbench 中建立Rocky DEM模塊，將其Y方向的力作為后續(xù)靜力學(xué)分析的加載載荷，球磨機(jī)襯板的材料、密度、泊松比由Rocky導(dǎo)入。

在靜態(tài)結(jié)構(gòu)中，對(duì)襯板添加固定支撐。然后對(duì)襯板進(jìn)行劃分網(wǎng)格，考慮到網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量，將網(wǎng)格尺寸定為10 mm，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為774 503，網(wǎng)格單元數(shù)為169 050。

圖4為r=100 mm時(shí)，ROCKY中球磨機(jī)運(yùn)行20 s襯板Y方向所受的力，如圖所示，由于鋼球和物料的生成墜落導(dǎo)致仿真開始時(shí)出現(xiàn)力大幅度的改變。而后在靜態(tài)結(jié)構(gòu)中載入Pressure，應(yīng)用到拐角節(jié)點(diǎn)且定義依據(jù)為分量，從ansys導(dǎo)入載荷后的有限元模型中可以看出，球磨機(jī)工作過程中，鋼球與物料相互作用力主要集中在提升條和提升條與襯板主體連接處，因而，在襯板提升條處加裝耐磨金屬板，無(wú)疑是存在其必要性的。

圖4 襯板Y方向受力情況

2.4 仿真結(jié)果

在對(duì)襯板的磨損數(shù)值模擬中，選擇總變形、等效應(yīng)力、等效彈性應(yīng)變3個(gè)指標(biāo)來(lái)判定襯板的磨損情況,將模擬結(jié)果記錄在表3中,共計(jì)8組數(shù)據(jù)記錄結(jié)果如表3所示。

綜合表3數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析得，在保證提升條的半徑對(duì)研磨物料具有一定提升能力的情況下，增大提升條半徑可以提升襯板的壽命，本次仿真的八組數(shù)據(jù)中115 mm、125 mm也為較優(yōu)方案。但會(huì)產(chǎn)生較大的變形量或者較大的應(yīng)變或應(yīng)力。因此，襯板高度為120 mm 會(huì)有效緩解襯板的磨損，提高襯板的壽命，能夠有效提高球磨機(jī)生產(chǎn)效率。

表3 模擬結(jié)果

3 結(jié) 論

本次模擬仿真以襯板的磨損狀況為目的進(jìn)行研究，判斷設(shè)計(jì)是否合理以及襯板使用壽命的情況，襯板的磨損量越小越好。

1)本文提出的襯板機(jī)構(gòu)，即板主體后端設(shè)有與卡接塊相適應(yīng)的卡接槽以及主體右側(cè)設(shè)有與左側(cè)凹槽相適應(yīng)的凸塊，能夠有效解決球磨機(jī)襯板料漿漏液,增加襯板的使用壽命,減少鋼鐵能耗。

2)本文通過襯板的總變形、等效應(yīng)力、等效彈性應(yīng)變3個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量襯板的磨損情況，經(jīng)仿真分析r為120 mm時(shí)，襯板磨損程度低，有助于提高球磨機(jī)粉末效率，增加產(chǎn)量。