砂磨機定距盤的優化設計及離散元分析

馬暢

摘要： 以高填充率、低轉速的臥式砂磨機為研究對象，通過solidworks對定距盤進行進行優化設計，運用離散元分析軟件EDEM對優化前后的研磨系統進行分析對比，得出改良定距盤可以提高砂磨機中顆粒的平均速度和顆粒間的壓縮力，進而提高砂磨機的研磨效果，為砂磨機的設計優化研究提供一定的參考作用.

Abstract： High fill rate， low speed of horizontal sand mill served as the research object， the paper optimized the design of distance disc by solidworks software. Through analysis and comparision of and analysis before and after the optimization of grinding system， it got that improved distance can increase the average particle velocity and the compressive force between particles by EDEM software， thus increasing grinding effect of sand mill. It provides a reference for the optimization design of sand mill.

關鍵詞： 臥式砂磨機；定距盤；EDEM

Key words： horizontal sand mill；distance disc；EDEM

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）24-0148-02

0 引言

隨著材料科學的快速發展，各行各業對超精細材料需求越來越大，而砂磨機作為超精細材料制備的關鍵設備之一，人們對砂磨機的研究也越來越深入。大多數研究主要集中在臥式砂磨機的研磨機理、研磨盤的結構參數以及工藝參數等，但卻很少對研磨盤之間的定距盤進行研究。砂磨機在工作過程中可能會在研磨筒內部形成空腔的現象，定距盤的作用可能會很小，但對于高填充率、低轉速的砂磨機而言定距盤的改變也會對研磨效果起到一定的幫助作用。本文以目前應用最為廣泛的臥式砂磨機為研究對象，對臥式砂磨機的定居盤進行改進，也會對研磨效果起到一定的影響作用，通過離散元軟件EDEM對改進前后的研磨裝置進行對比研究[1]。

1 定距盤的設計

臥式砂磨機主要是由動力系統、傳動系統、研磨系統和機架構成如圖1所示，將砂磨機的裝填一定量的研磨介質和物料，由電動機輸出動力經傳動帶傳動帶動主軸和研磨系統轉動，物料和研磨介質在摩擦力的作用下在研磨筒中做不規則的相對運動，粒子之間發生剪切、碰撞、沖擊等作用從而達到粉磨的效果[2]。

定距盤位于各個研磨盤中間，起到調節研磨盤間的距離和固定研磨盤的作用。為了進一步提高物料和研磨介質之間擠壓碰撞的力度，將定距盤設計為五邊形狀，可以起到棒狀研磨盤的效果，提高研磨系統的攪拌力度。

2 離散元仿真模型建立

EDEM是世界上第一款基于離散元技術的進行顆粒模擬分析的軟件，EDEM主要分為三大模塊：前處理模塊Creator、求解器Simulator、后處理模塊Analyst。EDEM也可以與目前比較主流的軟件Ansys、Adams等進行耦合計算[3]。但是EDEM的基礎建模能力比較弱，一般采用從外部導入CAD文件。基于EDEM可以快速地建立顆粒模型，砂磨機中的物料顆粒都是獨立的，是非常理想的離散單元，應用離散元軟件EDEM對臥式砂磨機中的物料運動進行數值模擬是十分理想的[4]。

通過solidworks建立研磨系統模型，考慮到計算機的運算能力對模型進行簡化，忽略主軸和研磨盤上的圓角、鍵、鍵槽、倒角和物料的進出口。由于研磨物料顆粒尺寸可以達到微米級，因此不考慮礦漿的影響因素，只對研磨介質進行分析[5]。砂磨機中顆粒數量的多少直接影響計算的運行時間，為了便于計算只截取研磨系統中的一部分進行建模模型尺寸如圖3所示。由于EDEM需要建立虛擬的顆粒工廠，為了避免顆粒在生成過程中出現干涉的現象，在solidworks中提前建立顆粒工廠的區域。采用控制變量的研究方法對定距盤的影響因素進行分析，故分別采用改良前后的研磨系統再EDEM中進行分析對比，改良前后定距盤的表面積和體積保持不變，模型如圖3所示。

3 仿真建立與分析

將solidworks中的模型以.txt格式導入到EDEM中，用Hertz-Mindin（no slip）接觸模型即無滑動接觸模型[6]。通過查閱相關文獻，確定仿真參數如表1所示。根據計算得出模型的有效容積為1525520，介質球的體積為110.3，按照填充率為80%得出介質球的數量約為11064個，設定仿真時間為3s。

仿真結束后通過EDEM的后處理功能分別生成改良前后的顆粒的平均速度與時間的折線圖如圖4、5所示，從折線圖中可以看出在1.5s隨著研磨盤的轉動顆粒的平均速度趨于穩定。從圖中可以看出經過改良后的定距盤，對粒子的平均速度提高起到一定的作用，轉速的提高直接影響砂磨機的研磨強度。提取2s時改良前后顆粒的壓縮力云圖如圖6、7所示可以看出改良后顆粒的平均壓縮力較改良前有所提高[7]。

4 結論

通過離散元軟件EDEM對改良前后研磨系統進行分析，得出對于高填充率、低轉速的砂磨機而言定距盤的改良可以提高顆粒的平均運動速度和壓縮力，可以提高砂磨機的粉磨效果，同時運用EDEM離散元軟件也可以得到傳統實驗無法得出的結果，減少了財力物力的浪費，可以提高了研發效率。

參考文獻：

[1]王國強，郝萬軍，王繼新.離散單元法及其在EDEM上的實踐[M].陜西：西北工業出版社，2010：5-20.

[2]王珊.轉速和攪拌盤結構對臥式攪拌磨機粉磨效率的影響[J].礦山機械， 2015（11）：93-95.

[3]孟杰，孟文俊.影響EDEM仿真結果的因素分析[J].機械工程與自動化，2014（6）：49-51.

[4]基于離散元技術的球磨機參數優化研究[D].吉林：吉林大學，2009.

[5]劉長遠.臥式圓盤攪拌磨機結構及工藝參數研究[D].秦皇島：燕山大學，2016.

[6]趙國鋒，王新文，胡章勝，等.新型臥式超細攪拌磨機的結構原理研究與中試應用[J].礦山機械，2011（2）：82-85.

[7]趙選恒.臥式攪拌磨機結構參數對其性能影響的研究[D]. 昆明：昆明理工大學，2013.