基于離散元方法的雙齒輥破碎機的仿真

馬會永

（山西天地煤機裝備有限公司，山西　太原　030006）

基于離散元方法的雙齒輥破碎機的仿真

馬會永

（山西天地煤機裝備有限公司，山西太原030006）

雙齒輥破碎機作為破碎機械的重要一員，在各大礦山開采中雙齒輥破碎機發揮著重要作用。離散元法是基于分子動力學原理而提出的一種求解離散系統的熟知計算方法。論文采用離散元軟件對雙齒輥破碎機滿載啟動進行仿真，提取破碎齒在滿載啟動時的受力并根據該力利用有限元軟件ANSYSWorkbench對破碎齒和齒環的強度和剛度進行研究。

雙齒輥破碎機；ANSYSWorkbench

0　引言

破碎機作為破碎設備的一員，主要應用在礦山開采、建筑、煤炭開采、冶金等行業。目前，礦山破碎機的主要有顎式破碎機、旋回破碎機、圓錐破碎機、沖擊式破碎機以及齒輥破碎機等。輥式破碎機最早出現在1806年，它是一種比較古老的破碎設備。在國外比較著名的生產雙齒輥破碎機的廠家主要有英國的MMD公司和澳大利亞FLS愛邦有限公司。

離散元法的基本思路是將不連續的物體離散成剛性元素的集合，使各剛性元素符合牛頓運動方程，再通過迭代運算求解各剛性元素的運動方程獲得不連續物體的整個運動形態，目前，離散元法已經廣泛應用在礦物加工領域。

1　仿真物料介紹

本仿真所需物料按照大唐錫林浩特物料進行建模，其中物料的主要情況如下：最大入料粒度為（1200×1500× 2000）mm。入料粒度分布：粒度在0～400mm的物料占的百分比≥65%，粒度在400～900mm的物料占的百分比≤25%，粒度大于900mm的物料占的百分比＜10%。物料的種類為土和巖石剝離物。物料的靜安息角為33°。

物料的性質：泥巖密度2.24g/cm3～2.65g/cm3，平均2.50g/cm3；天然石密度1.64g/cm3～2.29g/cm3，平均2.10g/ cm3；含水率8.79%～27.11%，平均14.72%；孔隙率20.05%～42.40%，平均33.43%；耐崩解性指數81.0%；內摩擦角35.6°～40.6°，平均38.1°；粘聚力0.12MPa～0.60MPa，平均0.36MPa；抗壓強度0.5MPa～3.36MPa，平均1.95MPa。

2　模型建立及仿真

雙齒輥破碎機工作時通過傳送帶給破碎機提供物料，給料粒度按照入料粒度分布情況創建。為研究破碎齒在仿真過程中，物料對破碎齒的作用，選擇雙齒輥破碎機中右破碎輥上中間位置一個破碎齒，利用軟件HyperMesh對該破碎齒劃分網格，然后將該破碎齒保存成. msh格式的文件，將劃分網格后的破碎齒替換到破碎輥上。導入到離散元軟件中的雙齒輥破碎機模型如圖1所示。

圖1　雙齒輥破碎機仿真模

為減少離散元軟件中零件的數量，將左破碎輥合并成一個整體，在右破碎輥中，除劃分網格的破碎齒外，其余零件合并成一個整體。因此在整個模型中，左破碎輥會繞著左破碎輥的軸線旋轉、右破碎輥和劃分網格的破碎齒會繞著右破碎輥的軸線旋轉。設置破碎輥轉速曲線如圖2所示。

從上圖可以看出，在時間段內，破碎輥的轉速為0，此時間段主要完成物料在破碎輥上方的堆積。在8～10.5s時間段完成破碎輥的啟動，此時間段施加在破碎輥上的加速度為45deg/s2，破碎輥開始對物料破碎。在10.5～25s時間段，破碎輥的轉速為保持在18.75r/min，破碎輥以該轉速對物料進行破碎。

圖2　破碎輥轉速曲線

采用離散元方法對雙齒輥破碎機滿載啟動過程的仿真可以分解為3個步驟，首先是完成物料的生成，并將物料在傳送帶上堆積，不同粒度的物料顆粒數量按照給料粒度分布添加；然后，傳送帶上的物料堆積到靜止的破碎輥上，形成物料在破碎腔中的堆積；最后，破碎輥開始啟動，在破碎輥的作用下完成破碎，并將物料排出。以下為各仿真步驟中的截圖：①按照給料粒度分布在傳送帶上生成物料堆，如圖3所示；②經過前8s的物料堆積，最終堆積在破碎輥上的物料如圖4所示；③破碎輥開始轉動后，物料開始被破碎，其破碎過程如圖5所示。

從上面的圖可以看出，破碎輥轉速提高到18.75s/min時，劃分網格的破碎齒開始參與物料的破碎，經過一段時間的旋轉，劃分網格的破碎齒轉到破碎輥的下方，此時物料對該破碎齒沒有作用力，再經過一段時間的轉動，劃分網格的破碎齒又參與到物料的破碎，由時刻13.9s的截圖可以看出，此時破碎輥上方的物料還較多，破碎機還沒有進入正常破碎階段。再經過一個周期的旋轉，劃分網格的破碎齒再次參與物料的破碎，由時刻17s的截圖可以看出，此時破碎輥上方的物料較少，破碎機進入正常破碎階段。

圖3　傳送帶上的物料堆

圖4　堆積在破碎輥上的物料

3　數據分析

完成雙齒輥破碎機滿載啟動的仿真后，從離散元軟件中提取劃分網格的破碎齒的受力數據，根據破碎齒的受力數據，繪制破碎齒受力曲線如圖6所示。

圖5　仿真過程截圖

圖6　破碎齒受力曲線

從圖6（a）可以看出，劃分網格的破碎齒共參與了三次物料的破碎，在第一次參與物料破碎時，由于破碎輥上方的物料較多，該破碎齒的受力與該破碎齒第三次參與破碎時的受力相比，該時刻的受力較大，提取該破碎過程中最大力作為滿載啟動時破碎齒的受力，在該破碎齒第二次參與破碎時，由于破碎輥上方的物料還比較多，破碎齒的受力與該破碎齒第三次參與破碎時的受力相比也較大，在該破碎齒第三次參與物料破碎時，破碎輥上方從導出數據中查出滿載啟動時和正常破碎時該破碎齒的最大受力時刻為t=10.7s和t=17.1s。在時刻t=10.7s，破碎齒受到的合力為95847N，在時刻t=17.1s，破碎齒受到的合力為35028.8N，從這兩個時刻破碎齒的受力可以看出，破碎齒受力較小，這主要由于本仿真采用的物料為土和巖剝離物，這種物料的抗拉強度較小，只有2MPa左右，如果采用抗拉強度大的物料作為仿真物料，破碎齒的受力將會變大。提取時刻t=10.7s和t=17.1s破碎齒的受力如表1所示。

的物料變少，破碎輥上方的物料量與正常破碎時破碎輥上的物料量相差不大，因此提取該破碎齒第三次參與物料破碎時破碎齒的最大力作為正常破碎時破碎齒的受力。

表1　破碎齒的受力

4　結論

采用離散元方法對雙齒輥破碎機滿載啟動工況進行了仿真，根據仿真結果，獲得滿載啟動時破碎齒的受力和正常破碎時破碎齒的受力，并依據獲得的力對破碎齒和齒環的強度剛度進行了分析，通過分析結果可知，在破碎機破碎正常物料時，破碎齒和齒環的強度和剛度滿足要求。此仿真研究為雙輥式破碎機的研究提供借鑒意義。

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Based on the Discrete Element Method of the Double-toothed Roll Crusher Simulation

MA Hui-Yong
（Shanxi Tiandi Coal Machine Equipment Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030006，China）

Double toothed roll crusher as an important member of the crushing machine，double toothed roll crusher in major mining plays an important role.The discrete element method is proposed on the basis of the principle of molecular dynamics of a system to solve the discrete calculation method of the familiar.Based on the discrete element software simulation was carried out on the double toothed roll crusher full load startup，extract the broken tooth in full force and according to the force of startup using finite element software ANSYSWorkbench broken tooth and tooth ring of strength and stiffness are studied.

double-toothed roll crusher；ANSYSWorkbench

TM641

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.037

1002-6673（2015）01-103-03

2014-11-17

馬會永（1981-），男，河北趙縣人，助理工程師。2006年畢業于大同大學機電一體化專業。