離散單元法在制砂機成砂率提升研究中的應用

黃 柯,郭 崗,張劍敏(國家混凝土機械工程技術研究中心,中聯重科股份有限公司,長沙 410205)

離散單元法在制砂機成砂率提升研究中的應用

黃 柯,郭 崗,張劍敏
(國家混凝土機械工程技術研究中心,中聯重科股份有限公司,長沙 410205)

針對沖擊破碎機械特點,采用離散單元法,結合ProE三維設計與EDEM離散元仿真,對制砂機中粒子流仿真、分析,研究其在制砂機內部的運動規律,研究制砂機轉子、砧鐵某些關鍵結構參數的變化對粒子仿真數據的影響,從而實現達到優化制砂機結構,提升制砂機成砂率的目的.在研究成果基礎上,研發出新型制砂機,試驗驗證40 mm連續級配石灰石入料、底層篩網2.8 mm孔徑條件下,成砂率提升到33%,出砂率達到54%,且粒型優秀,成品砂的細度模數為2.7左右,級配曲線處于中砂二區,在行業內達到先進水平.

制砂機; 離散單元法; 成砂率

制砂機俗稱為立軸式沖擊破,是利用高速旋轉轉子,將原石料拋射,使石料相互撞擊、破碎,生成人工砂的機械設備.其基本結構原理如圖1所示.軸承座固定在制砂機卸料腔機體上,電動機通過皮帶傳動,驅動軸承筒主軸上的轉子高速旋轉;入料腔的原石料從中心進入高速旋轉的轉子,加速飛出后,擊打在破碎腔周圈形成破碎,破碎后的石料從卸料腔排出制砂機.

制砂機出料粒度≤4.75 mm含量占其處理量的百分比稱為制砂機的出砂率,出砂率減去原料含砂率的值稱為制砂機的成砂率.成品砂的表觀密度、堆積密度、空隙率等指標是否達到國家標準是判斷人工砂質量的主要依據.制砂機的成砂率和成品砂質量是體現制砂機設計、制造水平的關鍵性能指標.制砂機成砂率低,將增加制砂系統中砂石的循環量,增加系統中其他如篩分、斗提設備的負荷,增加單位成品砂的設備成本和生產能耗.破碎機械研究需基于大量的實際工況數據和經驗進行設計和試驗驗證,周期較長.

圖1 制砂機的基本結構組成Fig.1 The basic structure of the sand making machine

本文要介紹的是采用離散單元法,結合三維設計ProE與離散元仿真EDEM兩個軟件平臺,對制砂機中粒子流仿真、分析,研究其在制砂機內部的運動規律,研究制砂機轉子、砧鐵某些關鍵結構參數的變化對粒子仿真數據的影響,從而在較短的周期內達到優化制砂機結構,提升制砂機成砂率的目的.

1 項目研究思路

1.1破碎原理研究

(1)

制砂機為“石打石”破碎模式時,顆粒m2碰撞前速度v2=0.式(1)導入動量平衡方程對v2,u2求解后,“石打石”破碎模式的破碎能為

(2)

(3)

相同的物料、發射速度情況下,“石打鐵”破碎模式的物料動能轉化破碎功最充分.可得結論,采用“石打鐵”破碎模式的制砂機破碎效率較高.

德國胡廷等[2提出了破碎時的3種破碎模型:體積破碎、表面破碎和均一破碎模型.體積破碎模型是指整個顆粒都受到破壞(破碎),生成物大多為粒度大的中間顆粒.表面破碎模型是指僅在顆粒的表面產生破壞,從顆粒表面不斷剝下微粉成分,破壞不涉及顆粒的內部,如圖2所示.“石打鐵”破碎模式的制砂機采用金屬砧鐵作為原石料沖擊的承受體,完全的對心碰撞,產生體積破碎.雖然體積破碎具有破碎效率高的優點,但同時破碎過程中會產生大量的尖銳的石料顆粒,缺少“石打石”破碎模式下表面破碎對原石料的研磨整形,從而導致其堆積密度和空隙率等成品砂指標會下降.所以簡單采用“石打鐵”的設計思路,并不能很好地解決制砂效率與質量的之間矛盾.

圖2 破碎模型Fig.2 Crushing model

1.2項目面臨的技術問題及解決思路

本項目需要探索一種新的兼顧破碎效率和成砂質量的破碎方式.使用傳統的設計手段和方法,顯然無法保證項目的進度要求.EDEM是國際通用的基于離散單元法模擬、分析顆粒系統過程處理和生產操作的CAE軟件.為描述顆粒之間的多種接觸關系,在EDEM軟件中內置了多種接觸模型.其中Hertz-Mindlin粘接模型,通過一定參數的“粘接鍵”將顆粒粘接在一起.這種“粘接鍵”可以承受切向、法向的載荷和運動,只有當切向和法向的應力超過其最大值時,該粘接鍵破裂，破裂后的顆粒作為剛性球體進行接觸求解[3].通過這樣的方式模擬仿真破碎過程.在制砂機的砂石破碎仿真研究中,定義最小破碎粒徑的顆粒模型,用該模型通過“粘接鍵”粘接形成40 mm入料粒徑的原料模型.這樣產生一個難以解決的問題:制砂機一次破碎產生的顆粒粒徑范圍較大.如果仿真分析最常規制砂機型號,單位小時處理能力400 t,入料40 mm粒徑,30 s仿真時間,入料40 mm的粘接模型顆粒需要約5萬個.按已知制砂機破碎特性曲線預估,即使忽略破碎的粉塵顆粒,破碎后分解的總顆粒數約106～107之間.這些顆粒的跟蹤模擬需要消耗巨量的計算機資源,顯然,一般的計算機無法滿足要求.

筆者提出的顆粒仿真方法是建立在與多種仿真方法結果之間對比、試驗數據基礎上的.該法特別適合以沖擊破碎原理的破碎設備的顆粒離散元仿真.在EDEM軟件上進行小規模的粘接粒子破碎仿真的結果分析發現:沖擊破碎的主要破碎功來自顆粒速度,體積破碎基本發生在高速粒子從轉子發射后的第1次碰撞,或者是反彈后被轉子反擊塊進行擊打.顆粒之間第2次碰撞后的能量轉換,基本低于材料體積破碎的需求.所以放棄粘接模型,在仿真中直接用粒子模型進行仿真,可大幅降低計算量.后處理采集碰撞接觸過程中粒子能量的損失值的數據,可推導仿真中顆粒發生體積破碎、表面破碎的次數和比例.結合實物試驗,推導仿真對象的成砂率與成品砂的粒型情況.通過一系列的仿真,可以判斷在仿真的破碎系統中,關鍵的設計結構參數,如轉子轉速、砧鐵與轉子發射口的距離、砧鐵形狀的關鍵尺寸等,對成砂率、粒型的影響方向和程度.

筆者采用上述仿真方法,對制砂機進行研究,在行業內首創一種“鐵石順序混打”的破碎方式.這種破碎方式的核心技術是一種特殊結構的砧鐵,可以實現高速石料首先被砧鐵擊打,實現高效率的體積破碎.破碎的石料沖擊進入砧鐵后方的空間,形成石料自襯層,產生表面積破碎,進行研磨整形.這樣既能高效破碎,又能生產粒型圓潤的高質量機制砂.該破碎方式形成了中聯重科股份有限公司(以下簡稱中聯)獨有的制砂機核心技術,已申請發明專利.本文重點討論的是利用離散單元法,以成砂率和粒型作為優化目標,以砧鐵關鍵結構參數為優化變量,對制砂機進行優化的研究方法.

2 新破碎方式的優化仿真

整個優化流程如圖3所示.

第1階段,在完成“鐵石順序混打”這一技術方案構思后,首先在ProE三維平臺中進行設計,導入EDEM軟件后進行仿真,仿真結果對比老制砂機仿真和試驗數據驗證;其次設計了一套搭載其技術的砧鐵,在中聯機制砂試驗樓進行試驗,驗證了技術方案構思的方向正確和仿真方法.第2階段,確定新結構中對成砂率和空隙率影響的關鍵尺寸,在ProE設計平臺中參數化該設計尺寸變量,形成參數系列.將系列模型導入EDEM軟件進行仿真分析,輸出對應系列數據.數據導入Excel軟件,進行數據分析,得出最優設計參數.在此基礎上設計并試制新產品,在機制砂試驗樓中再次進行試驗,采集數據驗證.本文僅對第2階段仿真進行介紹.

圖3 仿真分析與優化設計流程Fig.3 The flow ofsimulation analysis and optimal design

EDEM軟件由3個主要模塊構成:前處理器、求解器和后處理工具.其中前處理器用于構建和初始化離散元模型，求解器進行模擬仿真和計算，后處理工具對仿真結果進行顯示和分析.

2.1前處理

仿真的環境所涉及的零部件如轉子、砧鐵、破碎腔等都在ProE三維軟件進行建模.借助ProE強大的建模能力實現以下幾個目的:① 對產品結構中關鍵設計參數及相關設計尺寸進行參數化設計,實現設計模型與仿真模型實時更新;② 基于離散元仿真原理與經驗,對零部件結構和三維設計特征進行簡化,如轉子上固定易損件的螺栓組、易損件上的螺栓孔特征等,降低仿真的計算量;③ 在ProE中完成仿真環境中各零部件的裝配,Step格式導入到EDEM中,可繼承裝配關系,節省在EDEM中前處理時間.

在前處理模塊中定義粒子系統中的模型顆粒時,需重點關注材料之間的反彈恢復系數,包含砂石顆粒與顆粒、砂石顆粒與金屬材料之間的系數.該系數即1.1中介紹的碰撞運動速度式(2)中的碰撞材料的恢復系數k,與參與碰撞的材料硬度、彈性有關.恢復系數的選取,對仿真的最終結果影響較大.本項目研究參考了西南大學楊明金等[3]所著論文《顆粒物料恢復系數簡易測量方法及其應用》,采用基于運動學原理的顆粒物料恢復系數測量方法,測試計算出顆粒物料在不同條件下的恢復系數[4].不同材料類型的石顆粒,試驗得到的恢復系數不同,最終仿真結果也不相同.仿真結果可以驗證不同的巖石原材料在同一制砂機中破碎效果的差異.

完成前處理的模型如圖4所示,制砂機的入料管簡化為粒子工廠的粒子倉,粒子倉參數速度按此處原石料的實際速度輸入,位置隨機.

圖4 前處理模型Fig.4 The preprocessing model

2.2求解與后處理

本項目中研究的顆粒速度為70～100 m/s,是典型高速運動.在前期采用10%的計算步長,達到平衡后采用0.5%步長計算.這樣既節省仿真時間,也能保障計算精度.每次數據保存間隔由于仿真顆粒速度高也要調整,縮短到0.01 s.仿真計算需要統計碰撞次數與能量損失,需勾選數據保存中選擇項目保存,并勾選保存配置中和粒子速度、力、能量等相關內容.

完成計算后,可以從后處理模塊中顯示窗口查看仿真過程,觀察粒子在轉子中高速發射出擊打到砧鐵的過程;通過模型子面板控制粒子與零部件的顯示模式,查看粒子在轉子內部形成保護轉子的積料層、粒子發射等細節.這些都是影響轉子結構優化設計的關鍵因素.圖5(a)為仿真的整體效果,圖5(b)為轉子局部發射粒子的速度矢量顯示.

仿真的視頻,通過后處理模塊顯示窗口的錄制按鈕輸出視頻文件,仿真數據通過文件菜單下的結果數據輸出對話框輸出.

2.3數據分析及結論

按邦德破碎功理論,取石灰石材料邦德功指數,計算40 mm單顆粒的破碎功a[5].在本項目研究中,忽略其他的因素,簡化認為仿真中顆粒產生碰撞接觸后,其動能轉化損失大于a值,則碰撞產生體積破碎,反之則為表面積破碎.統計數分別為該模型的顆粒破碎次數和研磨次數,其數值多少反映該模型的成砂率和粒型的優劣.以第1階段已完成的d2參數模型的試驗測試的成砂率34.9%作為分析參考值,按比例關系推算其他模型,得到成砂率分析表(見表1).

圖5 后處理模型顯示窗口Fig.5 The viewer of post processing model

表1 模型成砂率分析表Tab.1 The analysis table of the model sand ratio

表1中,石打鐵與石打石模型的成砂率數據來自于行業的實際測試數據,d2,d3參數模型數據來自于項目第1階段在試驗室進行的方案方向驗證試驗.推算的其他模型的成砂率,數據與相應幾個試驗數據較吻合,證明項目采用離散單元法進行成砂率研究的方法是可行的.

圖6是在Excel軟件中從統計數據生成的對比分析圖表.從圖表分析可得:相對石打石模型，其他模型成砂率都會大幅提升;但是新型“順序混打”破碎方式的砧鐵，在選取d1,d2參數時,研磨效果會大幅下降.所以最終選擇d3作為最優化的設計參數.根據數據分析,d3模型破碎效率能達到石打鐵的75%,研磨效果能達到石打鐵的10倍.

圖6 仿真結果分析表圖Fig.6 The analysis of simulation result

3 試驗驗證

搭載“鐵石順序混打”技術的新一代中聯制砂機于2015年9月完成試制下線,并于11月完成廠內穩定性和試驗樓性能測試,現場情況如圖7所示.

圖7 新制砂機樣機性能測試試驗現場Fig.7 The test of new model machine

試驗條件入料為40 mm連續級配石灰石，試驗系統篩分的底層篩網為2.8 mm孔徑,測試數據如表2所示.成砂率略高于仿真數據,分析原因是仿真條件為生產能力100～150 t/h,而試驗室只能提供最大60 t/h的試驗條件.制砂機處理量下降時,成砂率會提升是影響試驗數據與仿真數據略差異的原因.按國家標準GB/T 14684—2001《建筑用砂》對建筑用砂的相關要求,砂表觀密度、堆積密度、空隙率應符合如下規定:表觀密度大于2 500 kg/m3,松散堆積密度大于1 350 kg/m3,空隙率小于47%[6].試驗生產的成品砂滿足國家標準要求.成品砂的細度模數為2.7左右,級配曲線處于中砂二區,成品砂質量優秀.

4 結語

采用離散單元法進行成砂率提升研究,從提升的產品結構方案仿真論證,到方案最優參數仿真優化之間,多次試驗進行驗證.這個項目實現了制砂機在40 mm石灰石入料條件下,成砂率提升到33%,出砂率達到54%,且粒型優秀,在行業內達到先進水平.由此實踐總結出一整套基于離散單元法的產品優化設計方法.

表2 新一代制砂機樣機試驗成品砂數據表Tab.2 The test result of model machine sand ratio

(1) 本文介紹的基于破碎原理簡化的離散單元法研究破碎機械破碎能力的方法,適應企業計算機硬件條件,適用原石料沖擊破碎原理的破碎機,包括制砂機、反擊式破碎機等.但是暫時不適用于碾壓和研磨原理的顎式破碎機、圓錐破碎機、對輥式破碎機等其他破碎機械.

(2) 本方法中,原石料的相關材料物理化學指標對仿真結果影響很大,并且各類巖石的不同指標影響仿真最終結果,也體現了不同巖石原料的破碎特性.

(3) 本項目完成后,繼續對新型砧鐵關鍵設計參數d在不同粒徑的入料情況下進行了研究,發現了客觀規律,即在“石鐵順序混打”這種新的破碎砧鐵結構中,關鍵設計參數d與入料原石料粒徑呈線性比例關系.

(4) 本項目結束后,該研究方法繼續適用到制砂機的其他方向技術研究，如制砂機易損件壽命優化與同壽命設計研究等.

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QIN B X.Practical manual of new technology in designing and production,fault diagnosis and elimination,quality inspection and standard procedure for the latest crusher[M]． Beijing:China Machine Press,2009:6.

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Applicationofdiscreteelementmethodintheresearchonimprovementofcrusher’ssandproductionrate

HUANGKe,GUOGang,ZHANGJianmin
(Chinese National Engineering Research Center of Concrete Machinery,Zoomlion Heavy Industry Science & Technology Co.,Ltd.,Changsha 410205,China)

Considering the characteristic of the impact crusher machines,the motion law of the particle flow is got by our research,we also can get the impact to the particle simulation data by changing the key structure parameters such as rotor and anvil of the sand making machine,eventually the structure of sand making machine is optimized,the sand ratio is increased.The test used by new produced sand making machine shows that:under the conditions in which the material is 40 mm continuously graded limestone and the size of the bottom screen is 2.8 mm,the sand ratio has risen to 33% and sand production ratio has increased to 54%,the fineness modulus is about 2.7,the grading curve is in the second area of the medium sand,which has reached the advanced level of the industry.

sand making machine; discrete element method(DEM); sand ratio

TD 451

： A

： 1672-5581(2017)03-0239-05

湖南省科技計劃資助項目(2015GK3047)

黃 柯(1974—),男,高級工程師,碩士.E-mail:huangke7499@163.com