淺談基于ADAMS的磨機參數化建模及仿真

龐國強　王建彬　林　陽　張金寶

(中煤科工集團西安研究院有限公司)

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淺談基于ADAMS的磨機參數化建模及仿真

龐國強王建彬林陽張金寶

(中煤科工集團西安研究院有限公司)

摘要以往磨機的性能優化一般通過制作實體模型、反復修改模型參數后通過理論計算進行比對調試，選擇所需性能對應的參數值。不僅設計過程繁瑣、研究周期長，還存在性能優化精度差的缺點。為確定影響磨機性能的主要技術參數，以溢流型球磨機為研究對象，基于ADAMS軟件對磨機參數進行參數化建模，經布爾運算后獲得目的模型。調整模型內各個滑塊，施加STEP函數驅動，對變速磨機進行動力學的動態仿真。結果表明，基于ADAMS構造的參數化軟件模型具有通用性，適用于不同筒徑、襯板高度、球或棒等磨礦介質直徑的溢流型磨機；可用于各種工況下的特性分析，方便選擇滿足性能要求的磨機參數值，縮短了磨機性能優化的周期；用戶無需考慮模型內部構件間的關聯變動，方便模型的快捷修改，建模效率高；動力學仿真結果符合實際情況和要求。

關鍵詞ADAMS磨機建模參數化動力學仿真

磨機是粉碎物料的關鍵設備，廣泛應用于礦山、水泥、玻璃陶瓷以及新型建筑材料、硅酸鹽制品等生產行業。大型化、細磨和超細磨且高效節能的設備是磨機主要的發展趨勢[1-2]。以往磨機研究都是通過制作實體模型，通過反復修改實體模型參數和理論計算進行比對調試，最終確定最佳參數的磨機模型，研究工期漫長，而采用仿真軟件優化磨機性能的研究仍相對較少。

采用ADAMS軟件進行動力學仿真，在所建模型上對磨機滾筒速度、介質的破碎力等進行參數化設計，進行性能比對和優化，可使磨機球介質和棒介質輕松地相互轉化，實現一模多用。

1磨機參數化建模

目前，在ADAMS中建模的方式有兩種，一是在ADAMS-View附帶的工具中建模，二是將Pro/E、UG、SolidWorks等三維軟件文件導入建模[3]。采用有利于模型參數化的第一種建模方式進行建模，并將其參數化，輕松獲得各種規格的磨機模型，從而縮短新設備的設計周期。

1.1確定磨機技術參數

參數化點的確立原則：①所創建的參數化點能夠確定研究對象的位置和方向；②根據特征點可創建模型的可視化幾何實體。

由于溢流型磨機結構簡單，影響其性能的因素較少，根據以上原則，選擇市場上通用的溢流型磨機進行建模。統計某廠MQYG系列球磨機的性能參數、鋼球直徑與給料粒度的關系，分別見表1、表2。

表1　MQYG溢流型球磨機性能參數

表2　鋼球直徑與給料粒度之間的關系

依據表1、表2，可獲得磨機的參數化表、各參數位置，分別見表3、圖1。

表3　磨機的參數化表

考慮到動間隙和端面效應，磨機產品為-5 mm時，磨機襯板高度為0.5～1.5倍介質直徑。

圖1　磨機各參數位置

1.2創建參數化點及模型部件

創建參數化點方法有兩種：①通過主工具箱創建；②通過Tool菜單中的Command Navigator命令創建。

采用第一種方法創建參數化點，首先在ADAMS主工具箱中建立一個圓柱，然后在該圓柱上下左右四個位置建立特征點(Marker)，所建的Marker點見圖2。

圖2　三維實體上的Marker點

在4個Marker點上重新建立圓柱。由襯板高(xiang_jiao_dian_wai_ban_jing)建立相關性，參數化以后，小圓柱隨大圓柱移動，形成磨機滾筒襯墊。在主菜單中，選擇Tools/ Dialog Box/Modify后，選擇參數化后模塊名稱，設計目的滑塊，參數化后可以自由控制滑塊模型。通過作布爾運算，反復變換，可得到目的模型。布爾減運算后的模型和棒磨機模型分別見圖3、圖4。

圖3　布爾減運算后的模型

圖4　棒磨機模型

1.3注意事項

(1)兩個Part(構件)不能共用1個Marker點。

(2)采用簡單的半圓柱狀襯墊，既有利于參數化設計，又可以對模型介質起到提升作用。

(3)通過ADAMS計算模型的某個位置時，會出現系統的解不唯一，即多解現象，說明系統的約束方程是奇異的，系統解算失敗。

2磨機動力學參數化模型的設置與仿真

為使系統仿真更加真實，模型各構件間的相互約束關系被定義為基于接觸碰撞力的約束關系，即構件間只通過法向的接觸碰撞力和切向的摩擦力相互約束，而不存在其他約束關系[4-5]。基于ADAMS創建的棒介質磨機模型和球介質磨機模型分別見圖5、圖6。

圖5　ADAMS棒介質磨機模型

圖6　ADAMS球介質磨機模型

通過調整球介質磨機模型中的bang-jie-zhi-chang滑塊，可以將棒介質變成球介質；通過調整qiu-mo-ji-nei-ban-jing滑塊，可以改變滾筒直徑大小；通過調整xiang-jiao-dian-wai-ban-jing滑塊，可以改變襯板高度；通過調整gun-tong-chang滑塊，可以調節滾筒長；通過調整bang-jie-zhi-ban-jing滑塊，可以調整球(棒)介質直徑。

該參數化模型可涵蓋該廠MQYG系列溢流型磨機的全部產品，實現了磨機的仿真研究，達到了一模多用的目的。

常規恒速磨機存在“死區”現象，導致其在研磨過程中能耗浪費較大。變速磨機滾筒驅動角速度采用STEP函數，可以避免“死區”現象的發生，大大提高磨機研磨效率。筒體參數化模型建立后，加入介質，施加STEP函數的驅動(motion)，以控制滾筒驅動轉速由停止到運轉的不斷變化以實現磨機變速。

滾筒驅動角速度見圖7。在該STEP函數角速度驅動下，變速球磨機和棒磨機8#介質與滾筒內壁的撞擊力和撞擊次數分別見圖8、圖9[6-8]。

圖7　變速球磨機滾筒驅動角速度

圖8　變速球磨機8#球撞擊力

圖9　變速棒磨機8#棒撞擊力

由圖7～圖9可知，滾筒驅動角速度在平衡位置上下波動，變化較大，可以滿足球(棒)磨機滾筒驅動角速度的變速要求。球磨機介質撞擊力超過 2 000 N，撞擊次數為5次，而棒磨機介質在同樣位置的撞擊次數為11次，且撞擊力明顯大于球磨機。

3結論

基于ADAMS建立磨機參數化的模型可以方便地進行磨機參數調節，無需考慮模型間的關聯變動。根據預先設置好的一系列可變參數，通過系列仿真可觀察到不同參數值下模型性能的變化，按照實際性能需求選擇對應的參數，提高了建模效率；可以求出每個設計變量對結果的影響大小，計算出每個設計變量的影響關系，從而找出對結果影響最大的設計變量并進行優化。該研究為提高分析算法的運算速度和可靠性奠定了理論基礎，對于與磨機離心式工作原理類似設備的參數優化，具有借鑒作用。

參考文獻

[1]陳炳辰.磨礦原理[M].北京：冶金工業出版社，1989.

[2]毛益平，黃禮富，趙福剛.我國鐵礦山選礦技術成就與發展展望[J].金屬礦山，2005(2):1-5.

[3]李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M]. 北京：國防工業出版社，2009.

[4]魏勇亮，金圭.ADAMS仿真時發生接觸穿透的原因及對策[J].機械工程師，2005(9) :53-54.

[5]陳立平，張云清，任為群，等．機械系統動力學分析及ADAMS應用教程[M]．北京：清華大學出版社，2005．

[6]楊忠高.提高球磨機磨礦效率的研討[J].有色礦山，1991 (2)：37-43.

[7]劉嘉荔.關于調整磨機介質裝載提高磨礦效率的初探[J].國外金屬礦選礦，1998(6):16-17.

[8]張建華.球磨機中磨球的工作狀況及受力分析[J].淮南礦業學院學報.1998，18(2):48-51.

(收稿日期2015-12-01)

龐國強 ( 1978—)，男，助理研究員，710077 陜西省西安市高新區錦業一路82號。