基于 DEM的煤炭顆粒破碎模擬研究

陸興華

(徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221018)

基于DEM的煤炭顆粒破碎模擬研究

陸興華

(徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221018)

為了進(jìn)一步理解煤礦顆粒齒輥式破碎機(jī)中的破碎行為，對煤炭顆粒的破碎行為進(jìn)行了試驗研究和DEM模擬研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)齒輥速度高于150 r/min時，提高齒輥轉(zhuǎn)速不能有效地的改善產(chǎn)品質(zhì)量；在相同的齒輥轉(zhuǎn)速下，螺旋齒輥的破碎產(chǎn)品質(zhì)量最好。

離散元法模擬 齒輥轉(zhuǎn)速 齒輥形式

礦物加工與國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展息息相關(guān)，是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，不僅要為其他領(lǐng)域提供原材料，還要確保自身的可持續(xù)發(fā)展。在礦物加工過程中，礦石破碎其首要工藝環(huán)節(jié)的主要任務(wù)是充分解離出礦石中的有用成分，增加物料的比表面積，為后續(xù)的加工、處理和使用提供粒度適中的顆粒。

礦物顆粒在破碎設(shè)備中發(fā)生破碎是一個復(fù)雜過程，受很多因素的影響，主要包括物料的物化性質(zhì)、破碎設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及動力學(xué)參數(shù)等。同時，礦石顆粒破碎過程中破碎設(shè)備和物料間的相互作用會對破碎設(shè)備造成磨損，從而嚴(yán)重影響破碎設(shè)備的工作性能及產(chǎn)品質(zhì)量，會導(dǎo)致能耗和生產(chǎn)成本的提高。物料在破碎設(shè)備的外力作用下表現(xiàn)出的裂紋擴(kuò)展、內(nèi)部裂隙被壓縮以及部分物料被剝離等多種行為。目前，雖然關(guān)于破碎機(jī)理的假說較多，但仍沒有完整的理論解釋物料的破碎行為。由于破碎過程中的某些參數(shù)，如物料粒級的分布情況、礦石的微觀變化、物料與設(shè)備的接觸力以及功能關(guān)系等難以獲得。在建立預(yù)測破碎設(shè)備磨損情況的數(shù)學(xué)模型時，往往會忽略這些參數(shù)，從而使得模型難以真實地反應(yīng)破碎過程。因此，新型破碎理論的研究和破碎設(shè)備的研制仍然是礦物加工和礦山機(jī)械領(lǐng)域的研究熱點問題，具有重要的理論意義以及工程應(yīng)用價值。

為了深入理解煤炭顆粒在齒輥式破碎機(jī)中的破碎行為，本文自制了一種齒環(huán)安裝角度可調(diào)的破碎機(jī)試驗?zāi)Ｐ蜋C(jī)，并對煤炭顆粒的破碎過程進(jìn)行了試驗和DEM模擬研究。

1 試驗裝置的結(jié)構(gòu)

在用于實際作業(yè)的輪齒式對輥破碎機(jī)中，為了實現(xiàn)相鄰的兩齒環(huán)相對角度的連讀調(diào)整，安裝時往往通過脹緊套將齒環(huán)固定在破碎齒輥轉(zhuǎn)軸上，可以通過調(diào)整脹緊套的轉(zhuǎn)角實現(xiàn)齒環(huán)的轉(zhuǎn)動。但是由于自制的破碎試驗裝置受到結(jié)構(gòu)和尺寸的限制，使用脹緊套安裝難度較大，因此選擇在破碎齒輥軸上開槽來限定破碎齒環(huán)的安裝位置，以此實現(xiàn)破碎齒環(huán)在破碎齒輥軸上安裝角度的變化，齒環(huán)安裝方式及破碎試驗臺如圖1所示。當(dāng)破碎齒環(huán)上的凸起安裝入角度不同的卡槽中時，可以破碎齒環(huán)在齒輥軸上的位置和角度的變化。為了方便觀測物料的破碎行為，試驗臺的前擋板采用透明的鋼化玻璃。

圖1 齒環(huán)安裝方式及破碎試驗臺

2 DEM破碎物料模型的構(gòu)建

需要破碎的礦石材料中通常包含許多種礦物質(zhì)以及多種晶界結(jié)構(gòu)，在礦石中這些物質(zhì)成分以及各自的晶界結(jié)構(gòu)往往使礦石具有不同的力學(xué)特性，而且這些力學(xué)特性受到礦石成分的結(jié)構(gòu)、比例、大小以及礦石中存在的裂隙等情況影響。為了更加真實的模擬礦石，提出了雙正態(tài)分布顆粒粘結(jié)模型，并用真實礦石掃描而成的礦石模板進(jìn)行填充，DEM破碎模型及仿真過程如圖2所示。

圖2 DEM破碎模型及仿真過程

3 試驗與模擬結(jié)果分析

為了探究不同齒環(huán)排布形式的齒輥破碎作業(yè)情況，將齒環(huán)在不同排布形式及齒輥在不同速度下的試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果經(jīng)過進(jìn)行了對比分析，不同破碎條件下的粒徑分布情況如圖3所示。

由圖3(a)可以看出，當(dāng)破碎齒輥轉(zhuǎn)速為50 r/min時，螺旋排布式破碎齒輥的產(chǎn)物較平行排布式破碎齒輥以及差齒排布式破碎齒輥的產(chǎn)物質(zhì)量有一定幅度的改善，但無論是在試驗結(jié)果中還是在仿真結(jié)果中，粒徑超過35 mm的產(chǎn)品所占比例均超過總產(chǎn)物的50%，粒徑在25～35 mm之間的中等產(chǎn)品所占比例均不超高總產(chǎn)物的20%，由此可見齒輥轉(zhuǎn)速為50 r/min時，3種破碎齒輥的產(chǎn)品粒徑都較粗。

由圖3(b)可以看出，當(dāng)破碎齒輥的轉(zhuǎn)速提高到100 r/min時，3種齒輥的產(chǎn)物質(zhì)量都有明顯的改善，但螺旋排布式破碎齒輥的作業(yè)質(zhì)量依舊優(yōu)于平行排布式破碎齒輥以及差齒排布式破碎齒輥。其中粒徑超過35 mm的粗粒徑產(chǎn)品所占比例均不再超過總產(chǎn)物的50%，較之破碎齒輥轉(zhuǎn)速為50 r/min時，大粒徑產(chǎn)品所占比例有所下降；粒徑在15～35 mm之間的中等粒徑產(chǎn)品所占在37%左右，較之齒輥轉(zhuǎn)速為50 r/min時，中等粒徑產(chǎn)品有所增加單增加并不明顯；粒徑在10～15 mm之間的小粒徑產(chǎn)品所占比，較之齒輥轉(zhuǎn)速為50 r/min時約增加了5%，占總產(chǎn)物的15%左右。可見3種破碎齒輥的作業(yè)情況都有一定程度的改善，其中螺旋排布式破碎齒輥的作業(yè)質(zhì)量改善最為明顯，但其中大粒徑產(chǎn)品所占比例仍較高，產(chǎn)品質(zhì)量不高。

由圖3(c)可以看出，當(dāng)破碎齒輥的轉(zhuǎn)速提高到150 r/min時，3種齒輥的產(chǎn)物中均沒有出現(xiàn)粒徑超過45 mm的顆粒，其中螺旋排布式破碎齒輥的破碎產(chǎn)物中粒徑超過35 mm的產(chǎn)品比例僅為18%，平行排布式破碎齒輥和差齒排布式破碎齒輥的產(chǎn)物中粒徑超過35 mm的產(chǎn)品分別為33%和30%；粒徑在15～35 mm之間的中等顆粒所占比例分別為52%，48%和45%；粒徑在10～15 mm之間的小顆粒所占比例分別為21%,12%和17%；此外，由于齒輥轉(zhuǎn)速的提高，破碎齒輥對物料的沖擊作用也隨之增強(qiáng)，此時，破碎產(chǎn)物中粒徑小于10 mm的過度破碎產(chǎn)物所占比例也有增加，分別為9%、7.5%和7%。從上述分析數(shù)據(jù)可以看出，較之齒輥轉(zhuǎn)速為100 r/min時，此時這3種齒輥的破碎產(chǎn)品中等粒徑顆粒增加明顯，產(chǎn)品質(zhì)量均進(jìn)一步得到提高。

由圖3(d)可以看出，當(dāng)破碎齒輥的轉(zhuǎn)速提高到250 r/min時，和齒輥轉(zhuǎn)速為150 r/min時的產(chǎn)物粒徑分布情況十分相似。產(chǎn)品質(zhì)量幾乎沒有得到改善，可見當(dāng)齒輥轉(zhuǎn)速超過150 r/min時，單純的提高齒輥轉(zhuǎn)速已經(jīng)不能改善產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖3 不同破碎條件下的粒徑分布

4 結(jié)語

(1)將單體顆粒破碎過程的試驗研究結(jié)果與基于Bonding理論的離散元法模擬結(jié)果相比較，驗證了離散元模擬顆粒破碎過程的可靠性。對基于不同Bonding模型的顆粒物料受壓過程進(jìn)行了DEM模擬，分析了不同Bonding模型的力學(xué)特征，結(jié)果表明，雙正態(tài)分布形式的Bonding模型更符合真實礦物顆粒物料的力學(xué)特性。

(2)對不同齒環(huán)排布形式的齒輥的破碎過程的進(jìn)行了離散元法模擬研究，分析了破碎產(chǎn)物的質(zhì)量和破碎齒輥形式以及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)齒輥轉(zhuǎn)速小于150 r/min時，破碎產(chǎn)物的質(zhì)量會隨著轉(zhuǎn)速的提高而明顯改善，而當(dāng)齒輥轉(zhuǎn)速高于150 r/min時，破碎產(chǎn)物的質(zhì)量不再有明顯的提高。轉(zhuǎn)速相同時，螺旋排布式齒輥的破碎產(chǎn)物質(zhì)量高于其他兩種形式的破碎齒輥。

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SimulationstudyoncoalparticlecrushingbasedonDEM

Lu Xinghua

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Xuzhou University of Technology, Xuzhou, Jiangsu 221018, China)

In order to further understand the crushing behavior of the coal particle in toothed roll crusher, the crushing behaviors of coal particle were studied by experiments and DEM simulation. The results showed that when the rotate speed of toothed roll was over 150 r/min, increasing the rotate speed could not effectively improve the product quality; at the same toothed roll speed, the quality of crushed product of spiral toothed roller was the best.

DEM simulation, rotate speed of toothed roll, toothed roll type

TD941.4

A

江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2015024-1)

陸興華. 基于DEM的煤礦顆粒破碎模擬研究[J].中國煤炭，2017，43(11):84-86.

Lu Xinghua. Simulation study on coal particle crushing based on DEM[J]. China Coal, 2017, 43(11):84-86.

陸興華(1965-)，男，江蘇如皋人，副教授、高級工程師，主要從事采礦工程與機(jī)械可靠性方面的研究。

(責(zé)任編輯 王雅琴)