基于EDEM的大型半自磨机衬板冲击力与冲击能量的分析

唐友华，董为民，张宝勇

(1.昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500；2.金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100)



基于EDEM的大型半自磨机衬板冲击力与冲击能量的分析

唐友华1，董为民1，张宝勇2

(1.昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500；2.金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100)

摘要：随着磨矿技术的发展，半自磨机越来越大型化，衬板所受的冲击力也随之增大。采用离散元仿真软件EDEM，对某φ10.37 m×5.19 m大型半自磨机衬板所受的冲击力和冲击能量进行了研究，得到了衬板所受的冲击力和冲击能量的大小以及分布，为该半自磨机衬板的设计选择提供了理论参考和依据。

关键词：EDEM；半自磨机；冲击力；冲击能量

我国从20世纪70年代初开始在工业上应用半自磨技术[1]，起初半自磨机规格比较小，随着磨矿工艺的需求以及磨矿技术的发展，设备越来越大型化。目前，国内使用的半自磨机规格有φ5～φ10.37 m等系列、以及正处于设计制造阶段的φ12.2 m系列[2]。虽然磨机规格大型化能提高磨矿效率和磨矿产量，但由此而带来的衬板的冲击问题值得深入研究。本文首先应用三维制图软件UG对半自磨机进行建模，然后导入EDEM软件中进行仿真，经过数据处理，最后得出半自磨机衬板所受的冲击力和冲击能量的大小以及分布。

1半自磨机模型的建立

本次仿真只研究衬板的受力，为了便于仿真计算，将半自磨机的筒体简化为一个圆环柱模型，筒体厚度设置为5 mm,衬板提升条为5 190 mm×500 mm×300 mm的长方体，一共20块，均匀分布在筒体内。由于EDEM软件的建模功能比较弱，所以本次仿真先用三维制图软件UG进行建模，然后转换成STEP格式，最后导入到EDEM软件中进行仿真。半自磨机的相关参数见表1。

表1　半自磨机相关参数

2仿真参数设置和仿真数据提取

仿真参数的设置位于EDEM软件的模型创建模块，仿真之前应先设置仿真的全局变量，本次仿真的全局变量设置见表2。

表2　仿真模型全局变量参数设置

设置好全局变量后，定义原型颗粒，因为一般物料的尺寸和形状很不规则，为了便于仿真，将物料定义为球形颗粒，直径和材料都跟介质一样。定义好原型颗粒后，将建好的半自磨机模型导入EDEM软件中，颗粒工厂设置为包含在筒体内且与筒体同心的一个虚拟圆柱空间。为了缩短EDEM软件仿真时间，仿真步长取35%，保存时间取0.05 s，栅栏划分取2R(R为介质的半径)[3]，总的仿真时间设为12 s，其中颗粒的总数为46 461，颗粒生成时间取1 s，半自磨机运动的时间取1～12 s。

本次仿真的时间共12 s，即半自磨机转2圈的时间，因为第1 s内颗粒生成后是按自由落体下落到半自磨机筒体底端的，所以为了避免介质自由落体的影响，仿真数据提取的是半自磨机运转第2圈的数据。半自磨机仿真运行到第6 s和第10 s时的状态如图1所示。因为筒体所取的旋转方向是顺时针，由图1可知，所标记衬板在第6 s时刚好开始进入受力区，第10 s时刚好离开受力区，而且由所提取的数据也可以看出刚好是这个规律，所以所提取的数据是第6～10 s的数据。由于半自磨机衬板是均匀安装在筒体上的，所以筒体每转1周，每块衬板所受的冲击几乎是相同的，在提取数据时，只需提取1块衬板(见图1中标记衬板)在半自磨机旋转1周时所受的冲击力与冲击能量的数据。

图1　半自磨机的仿真状态

3衬板所受的冲击力分析

最大冲击力是指半自磨机运转稳定后某一时刻单个介质对衬板冲击力的最大值。冲击力分布是指半自磨机运转稳定后某一时间段内所受的某一冲击力的次数。该衬板在第6～10 s所受的最大冲击力情况如图2所示。

图2　衬板在第6～10 s所受的最大冲击力

由图2可以看出，在第6 s时，该衬板刚好进入受力区，此时介质处于抛落状态，该衬板承受来自筒体最上端的介质抛落下来的冲击力，此时所受的冲击力最大，并且在第6.5 s 时，冲击力达到最大值(1.31×106N)；第7.5 s后，该衬板进入泻落区和研磨区[4]，此时受到的大多都是介质和物料的摩擦力和较小的冲击力(主要为重力)，平均值为3 961 N；第10 s 后，该衬板离开受力区，所受的冲击力逐渐减小到0。在第6～7.5 s时，该衬板所受的冲击力较大，为主要冲击力，而在第7.5～10 s时，该衬板进入泻落区和研磨区，所受的冲击力较小，所以冲击力分布只需提取第6～7.5 s时该衬板所受的冲击力。

该衬板从开始进入抛落区到离开抛落区所受冲击力的分布如图3所示，在仿真中的时间为第6～7.5 s。由图3可知，在这1.5 s中，该衬板承受6×104N的冲击力次数为177次，承受6×104～6.113 3×105N的次数为260次(承受6.113 3×105～1.31×106N的次数为12次，不包括在图3中)。由于每块衬板是均匀安装在筒体内的，所以筒体每转1圈，每块衬板要承受>6×104N的冲击力的次数为449次。

图3　衬板在第6～7.5 s时所受的冲击力分布

4衬板所受的冲击能量分析

冲击能量可由介质与衬板碰撞的相对法向速度计算得出：

(1)

式中，m是介质的质量；v是介质与衬板的相对法向速度，即冲击速度。

该衬板在第6～10 s时所受的总冲击能量如图4所示。总冲击能量即单个介质对衬板的冲击能量之和，通过提取介质与该衬板的相对法向速度，便能得出总冲击能量的大小。与图2的规律一样，衬板在第6.5 s左右时所受冲击能量最大，此时物料对衬板的冲击能量达到最大值(22 044 J)，而且在仿真的第6～7.5 s，钢球和物料对该衬板的冲击能量较大，所以冲击速度的分布也是提取的第6～7.5 s时的数据(见图5)。

图4　衬板在第6～10 s时所受的冲击能量总和

由图5可知，该衬板在第6～7.5 s时，所受的冲击能量比较大，因为此时介质与衬板的相对法向速度较大。此次仿真中，介质的直径为150 mm，密度为78 000 kg/m3，所以质量为13.783 7 kg。在第6～7.5 s时，此块衬板所受的平均冲击能量约为5 000 J，而单个介质对衬板的冲击能量最大也能达到820 J。

图5　衬板在第6～7.5 s时所受冲击速度的分布

5结语

通过分析仿真结果发现，该半自磨机每转1圈，每块衬板都要承受>6×104N的冲击力达449次，最大冲击力为1.31×106N，衬板所受冲击能量的最大值为22 044 J，平均冲击能量约为4 986 J，单个介质对衬板的最大冲击能量为820 J。所以在选择该半自磨机衬板材料时，应增加对衬板的强度和刚度的考虑，而且应综合考虑半自磨机各工作参数的设计，例如，介质大小、转速率、填充率和料球比等，有效利用介质的冲击力以达到磨矿的作用，同时避免材料和经济的损失。

参考文献

[1] 杨琳琳，文书明. 自磨机和半自磨机的应用和发展[J]．国外金属矿选矿，2005(7):13-16.

[2] 聂明.《自磨机和半自磨机》标准的制定[J].机械工业标准化与质量，2010(8):24-26.

[3] 胡国明. 颗粒系统的离散元素法分析仿真[M].武汉:武汉理工大学出版社,2010.

[4] 王国强，郝万军.离散单元法及其在EDEM上的实践[M].西安:西北工业大学出版社，2010.

责任编辑郑练

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

作者简介：唐友华(1992-)，男，硕士研究生，主要从事大型半自磨机磨矿工艺等方面的研究。

中图分类号：TD 453

文献标志码:B