基于EDEM的襯板改型及提升筒速補償?shù)托軝C理研究

何生成，王現(xiàn)文，劉 康，李 戩，于 磊，張朝磊

(1.青海大學 機械工程學院，青海 西寧 810016；2.北京科技大學 碳中和研究院，北京 100083；3.黃河大通發(fā)電有限責任公司，青海 西寧 810100)

隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略目標的推進，高效使用煤炭資源顯得尤為重要[1-4]。磨煤機作為煤塊破碎的重要設備，是提高煤炭利用率的重要一環(huán)[5]。磨煤機襯板是破碎煤塊的主要部件，它一方面可以保護筒體，使筒體免受磨球和煤料的沖擊和摩擦，另一方面通過使用不同形狀的襯板，可以調節(jié)磨球的運動軌跡，增強磨球對煤料的粉碎作用，提高磨煤機的磨粉效率[6]。

磨煤機襯板形狀影響著磨球與物料的運動狀態(tài)，也決定了研磨效率的高低[7]，M.S.Powell[8，9]結合理論研究，探討了梯形襯板的提升條對最外層磨球運動狀態(tài)的影響，并提出了有關襯板提升條的理論設計；孫軍峰[10]等通過改變襯板提升條數(shù)量、高度和形狀，明顯提升了磨礦效率；許利民[11]基于球磨機運行狀態(tài)和球磨機耐磨件的磨損機理，設計了適用于破碎倉的凸形分級襯板和適用于研磨倉的斜溝分級襯板，在實際生產(chǎn)中，研磨產(chǎn)量增加8.7%～20.0%、能耗降低8.5%～18.0%；謝卓宏[12]等將單峰波形襯板改進為雙峰波形襯板，同時將襯板的提升條設計為非對稱錐面，延長了襯板的使用壽命；Xiang Lu[13]等提出一種具有多級波峰的新型襯板，襯板上的小球被臺階卡住，這樣可以減輕襯套波峰的磨損，使其保持長期穩(wěn)定，還可以將小球帶到合理的高度，使落點分散，從而減少鋼球用量35%～50%，降低電耗30%～40%。

在涉及工業(yè)生產(chǎn)中的顆粒處理和設備生產(chǎn)的模擬仿真時，往往會結合離散元法建立相關模型來解決問題，王曉[14]等通過離散元法建立單塊礦石的多顆粒粘結模型，仿真礦石的破碎過程，得到單塊礦石的破碎粒度分布并與落重實驗對比，證明了離散元法的可行性；李靜[15]等基于離散元法，建立罐式爐排料過程中石油焦顆粒運動行為的數(shù)學模型，同時在1/15等比例縮小的料罐模型上進行冷態(tài)物理實驗，模擬實驗結果與物理實驗結果吻合度較好，說明離散元法的可以較好的描述罐式爐內石油顆粒的運動狀態(tài)；劉莉[16]等利用Pro/E軟件建立磨樣機模型，并導入離散元軟件EDEM進行仿真模擬，以粘結鍵的斷裂數(shù)目作為破碎效果的判斷標準，探討在不同轉速下，磨機的破碎效果并用試驗樣機加以驗證，驗證仿真結果的準確性。俞章法[17]等基于離散元法對球磨機襯板表面顆粒運動進行分析計算，并對襯板結構做出改進，增加襯板高度，增加波峰和波谷的高度差，使得在磨礦細度不變的情況下，磨機產(chǎn)量提高7%；瞿鐵[18]等基于離散元法建立球磨機計算模型，研究了填充率、轉速率和襯板數(shù)量對研磨效率的影響，隨著填充率、轉速率和襯板數(shù)量的增加，球磨機研磨效率呈先增大后減小的趨勢。但這些關于襯板的研究都是在轉速一定的條件下完成的，在實際生產(chǎn)中，隨著磨機的運行，襯板的磨損會導致磨機研磨效率降低，需要及時更換襯板來保證研磨效率，這一過程費時費力。為此，林陽輝[19，20]研究在不同轉速下不同磨損程度的襯板對磨球運動軌跡的影響，通過調節(jié)筒體轉速彌補因襯板磨損導致研磨效率降低來延長襯板的使用壽命，這為磨煤機襯板研究提供了一個新的方向，但在他的研究中未能將其與襯板型腔改進方式作對比，對于轉速動態(tài)補償襯板磨損的優(yōu)越性闡述不夠深入。

基于上述研究背景，本文基于離散元軟件(EDEM)進行數(shù)值仿真，通過調節(jié)筒體轉速補償受損襯板對研磨效率的影響，并與改變襯板型腔的方法對比，多角度深入比較了兩種方式對物料破碎效果的影響，可以為進一步提升生產(chǎn)效益提供參考。

1 數(shù)值仿真實驗

1.1 EDEM模型構建及參數(shù)設置

利用EDEM2020軟件建立磨煤機模型，在筒體內裝有梯形襯板，各材料特性參數(shù)、接觸參數(shù)設置見表1、表2。為提高仿真效率，根據(jù)相似理論進行推理，使其滿足幾何、運動、動力相似法則，將磨煤機模型簡化，保留關鍵破碎部分，如圖1所示。

圖1 磨煤機關鍵破碎部分的簡化模型

表1 EDEM2020中各材料特性參數(shù)設置

表2 各材料之間的接觸作用參數(shù)

1.2 襯板磨損進度及筒速調節(jié)方案

襯板在實際使用時不可避免會出現(xiàn)磨損，依據(jù)真實磨損情況建立磨損后襯板模型，如圖2所示。圖2(c)中顯示了磨損90%的襯板橫截面，變形后的襯板主要表現(xiàn)為攜球面角度趨于平緩，且襯板的波峰高度有所降低，本研究依據(jù)常磨損位置提出一種改進的襯板形狀，如圖2(d)所示。

圖2 磨煤機使用襯板

磨煤機轉筒現(xiàn)在使用的轉速為16.6 r/min，為實現(xiàn)調節(jié)轉速以動態(tài)補償磨損帶來的破煤率降低問題，制定了如下筒速調節(jié)方案。當磨損程度達到90%后，分別調節(jié)轉速至18.4，21.3、27.3、33.2 r/min，探究不同轉速對破煤率的補償效果和其他影響。

2 襯板結構改進與桶速調節(jié)效果分析

2.1 現(xiàn)用襯板與改進后破碎效果分析

磨煤機使用現(xiàn)襯板和改進后兩種類型的襯板在3.95 s時刻的物料及磨球運行狀態(tài)如圖3所示，其中圖3(a)(c)是現(xiàn)使用的襯板，圖3(b)(d)是改進后的襯板，物料在襯板帶動下隨筒體轉動，在超過休止角后物料做泄落或拋落運動，在沖擊研磨區(qū)及沖擊破碎區(qū)的物料顆粒速度最高，相較于現(xiàn)襯板型腔中物料的泄落運動，改進后的高襯板型腔可以使得拋落運動更為頻繁，這與其他研究結果[21]一致，在拋落區(qū)出現(xiàn)了更多高速顆粒，它們所具備的動能和勢能更高，可以對煤料實現(xiàn)高效的破碎。

圖3 使用兩種襯板型腔時不同時刻物料運動狀態(tài)(m/s)

在模擬時間內各物料與磨球的速度-數(shù)量分布如圖4所示，磨煤機內研磨介質的裝載質量是一定的，當球徑增大時，磨球的數(shù)量呈下降趨勢，與物料顆粒的接觸碰撞次數(shù)減少，而且隨著物料被破碎、研磨，顆粒體積變小，部分小物料顆粒會隨著筒體轉動落到襯板與襯板之間，而大直徑磨球不容易接觸碰撞到落入襯板之間的體積變小物料顆粒，當磨球直徑變大時，磨球與磨球之間的間隙增大，沒有完全被破碎的部分小物料顆粒也會落到磨球與磨球間的間隙中間，部分變小物料顆粒不容易被磨球破碎。相對于現(xiàn)襯板而言，改進后的襯板型腔中處于高速狀態(tài)下的60 mm磨球、煤料、煤料粘結顆粒數(shù)增加，這極大地提升了磨煤機對煤料的破碎作用，且能發(fā)揮煤料與煤料之間的自磨作用，可有效提升生產(chǎn)的煤粉細度。

圖4 兩種襯板型腔中磨球與煤料速度-數(shù)量分布

為研究磨煤機的破碎效率，將單位時間內顆粒間黏結鍵斷裂數(shù)量作為效率的評價指標，大物料顆粒由小物料顆粒粘結而成，當大物料顆粒被鋼球破碎研磨時，小物料顆粒逐漸被分解，顆粒間的粘結鍵斷裂，顆粒粘結鍵斷裂數(shù)量隨時間的變化如圖5所示，可以看出當0 s時筒體開始轉動，投入的物料跟隨筒體轉動，這個過程粘結鍵斷裂數(shù)目急劇增長，這是由于在投放物料過程中發(fā)生了磨球與煤料的激烈碰撞，具備較高的破碎率。相比于現(xiàn)襯板，改進襯板起初的破碎狀態(tài)基本不變，但自5 s時刻開始，其破碎優(yōu)勢極為明顯，具備了遠超現(xiàn)襯板的破碎速度，在第7.83 s就實現(xiàn)了現(xiàn)有襯板10 s才能具備的破碎效果，磨煤時間縮短了21.7%。這其中的原因如圖5(b)所示，與現(xiàn)有襯板相比，改進后襯板使得煤料的分布傾向于更大范圍，這可以提升其他區(qū)域特別是拋落區(qū)磨球對煤料的破碎作用，減少無效碰撞，提高磨煤效率。

圖5 兩種襯板型腔中粘結鍵破碎實況

襯板所受的累計接觸能量可以定量表征磨煤過程中發(fā)生的磨損，能量愈大，磨損量愈大[22]，在相同襯板中累計接觸能的增加代表著襯板壽命的降低，若累計接觸能長期處于高能狀態(tài)，則襯板極易發(fā)生失效，降低使用壽命。兩種襯板型腔承受能量分析如圖6所示，圖6(a)為改進后襯板運行時承受的法向累計接觸能，圖中可以看出改進后襯板承受的法向累計接觸能遠小于現(xiàn)用襯板，在模擬時間內累計接觸能同比降低了11.9%，能量云圖可以更為直觀地展示降低磨損效果。圖6(b)為改進后襯板運行時承受的切向累計接觸能，改進后襯板承受的切向累計接觸能亦遠小于現(xiàn)用襯板，在模擬時間內切向累計接觸能同比降低了31.6%，增加易磨損處的襯板用料即可大幅提升襯板服役壽命。

圖6 兩種襯板型腔承受能量分析

2.2 筒速調節(jié)補償襯板磨損分析

前述分析已證實通過提升襯板傾角或波峰高度可以大幅提升破煤效率，在使用過程中襯板磨損后會使得波峰降低、傾角減緩，這樣造成的磨損襯板攜帶物料與磨球出現(xiàn)的運動軌跡如圖7所示，嚴重磨損后的襯板腔體中拋落區(qū)域基本消失，顆粒速度大幅降低，并且在死區(qū)的煤料顆粒占據(jù)大多數(shù)，基本不發(fā)生碰撞，與其他研究結果[21]規(guī)律一致，破碎煤料數(shù)量降低27%。同時，襯板磨損后也會導致磨球與物料沖擊作用加強，使得法向與切向累計接觸能分別增加16.8%、52.2%，加速襯板磨損，縮短更短周期，大幅增加成本。

圖7 90%磨損襯板與現(xiàn)用未磨損襯板破碎效果對比

對90%磨損襯板采取提高轉速的方案，轉速分別提高至18.4、21.3、27.3、33.2 r/min，探究提升轉速對破煤過程的影響規(guī)律。實驗結果如圖8，圖9所示，提升磨煤機筒體轉速可以有效提高破煤效率，由圖8(a)可知，提高筒速至33.2 r/min后破煤量可提高98.6%，圖8(b)展示了各個筒速對應的物料速度分布關系，隨著筒速增大，處于拋落區(qū)的顆粒數(shù)目越來越多，這有利于發(fā)揮更多顆粒的勢能轉化為沖擊破碎能。在圖9(a)中顯示了不同速度下物料在襯板型腔優(yōu)化內的分布狀態(tài)，在提高轉速后，處于死區(qū)的顆粒數(shù)明顯向沖擊破碎區(qū)、研磨區(qū)、拋落區(qū)流動，極大地發(fā)揮了磨損后襯板的拋落沖擊和研磨潛力。但與此同時也對造成了襯板承受接觸能量增大的現(xiàn)象，如圖9(b)所示，襯板承受累計接觸能量也隨著筒速的增加而增加，當筒速為33.2 r/min時，襯板法向、切向累計接觸能量分別提高144.9%，54.9%，這符合現(xiàn)實生產(chǎn)規(guī)律，實現(xiàn)破煤率的提升勢必帶來襯板的加速損耗，但對于磨損90%的襯板而言，這種代價顯然是值得的。

圖8 多階筒速下90%磨損襯板型腔破碎效果

圖9 多階筒速下90%磨損襯板型腔煤料分布及襯板承受能量

與改進襯板型腔來提高破煤率相比，提升筒速可以一定程度補償襯板嚴重磨損帶來的效能降低問題，但不同的是，改進襯板型腔不僅使得破煤時間縮短了21.7%，而且使得襯板法向與切向累計接觸能分別降低了11.9%、31.6%，襯板使用壽命得到延長。與更換新襯板相比帶來的成本劇增狀況，磨損程度較高時提升筒速作為一種新的思路，它不但使得破煤效率得到提高，并且具有加速淘汰磨損襯板的作用，這在一定程度上可以加快生產(chǎn)節(jié)奏，避免出現(xiàn)低效率長時間磨煤的狀況。

3 結 論

針對磨煤機襯板磨損嚴重導致破煤率低下問題，提出了型腔改進和筒速調節(jié)方案，對比了兩者所帶來的破碎機理、襯板承受沖擊能等方面存在的差異，得出如下結論：

1)改進后的襯板型腔會使得更多煤料由泄落運動轉化為拋落運動，獲得更大的破碎能量轉化，使得高速顆粒碰撞頻次增加，可有效提升21.7%破煤效率，同時改進后型腔襯板承受法向與切向累計接觸能量減少11.9%、31.6%，服役壽命得到延長。

2)襯板磨損90%后會使得更多煤料困于死區(qū)內，破煤效率降低27%，研究提出采用提高筒速方式補償磨損帶來的生產(chǎn)效能低下是可行的，隨著筒速從16.6 r/min增加至33.2 r/min，破煤率提升98.6%，充分發(fā)揮了磨損后襯板的拋落沖擊和研磨潛力。

3)為提高破煤率而提出的兩種方式都可提高生產(chǎn)效能，不同點在于使用筒速提升方法會使得襯板法向、切向累計接觸能量分別提高144.9%，54.9%，這會加速淘汰磨損襯板，促進生產(chǎn)循環(huán)加快，綜合而言兩種方式都對實際的工業(yè)生產(chǎn)具有重要指導意義。