離散單元法在制砂機處理尾礦提升成砂率研究中的應用分析

王贊斌，張偉偉，吉宏志，劉江花

（河南黎明重工科技股份有限公司，河南 鄭州 450001）

離散單元法是指通過建立固體顆粒體系的參數化模型，進行顆粒行為模擬和分析，為解決眾多涉及顆粒、結構、流體、電磁及其耦合等綜合問題提供了一個平臺。現如今，EDEM在工業領域的應用逐漸成熟，并已從散體力學的研究、巖土工程和地質工程等工程應用拓展至工業過程與工業產品的設計與研發的領域，且在諸多工業領域取得了重要成果。隨著離散單元法在工程應用的不斷成熟，相關軟件開發也不斷出現。EDEM是Favier博士創立的英國Dem—Solution公司的主導產品。

1 基于離散單元法的EDEM顆粒仿真系統

EDEM顆粒算法是現如今最歡迎的一種基于離散單元法的運算模式，它擁有一個能夠分析顆粒系統中多種接觸關系的CAE軟件。在EDEM的裝置中，需要設置不同的接觸模型，然后使用一個參數來連接不同的顆粒，來承受法向的荷載運動。如果該連接鍵破碎，破碎后的顆粒能夠作為球體進行求解。利用這樣的方法，可以模擬出制砂機中的砂石破碎過程，進而定義出最小的顆粒模型，但在這個過程中存在著一個問題，計算機模擬能力無法滿足破碎后總顆粒的計算及監控工作，導致計算機資源消耗巨大。通過對比顆粒仿真方法，計算出模擬方法的對比結果，能夠生成適合基于離散單元法的粒子破碎的仿真結果。通過分析仿真結果能夠發現：當物體的體積破碎后，高速粒子從轉子發射的第一次碰撞和第二次碰撞的過程中，均被轉子擊打，但質量要低于體積破碎的需求。因此，在仿真中直接應用粒子模型進行仿真，降低計算量，通過采用碰撞接觸來計算出粒子能量的損耗，推導出模擬成砂率。在仿真過程中，通過判斷仿真系統，合理設計結構的參數，來提升轉子的轉速和關鍵尺寸等內容，來得出制砂機的最佳優化方法。

2 制砂機新破碎方法的仿真優化設計

制砂機也稱立軸式沖擊破，利用高速旋轉的轉子拋射石料，使石料相互撞擊。制砂機的成砂率和砂石的質量主要由石料撞擊概率、磋磨作用及石料加速充分性來決定。

（1）前期處理。仿真環境設計中，主要涉及轉子、破碎腔等工作部件，這些工作部件使用PROE軟件來實現建模，礦山在處理尾礦過程中，通過借助軟件的建模能力，來設計出以下內容：①產品結構的參數設計需要結合尺寸進行設計，來實現仿真模型的實時更新，以此提升設計的質量；②基于離散單元法的仿真原理及經驗，來對已有的零部件進行設計更新，進而簡化建模的構建難度，比如轉子的固定零部件與三維設計的螺栓組和螺栓孔等特征，來減少仿真軟件的計算量；③在各個仿真環境中，裝備合適的零部件，將其導入進EDEM中，來形成承載裝配關系，降低前期處理模型需要花費的時間。在前期的處理過程中，仿真模塊的定義粒子系統和模型的顆粒值都具有反彈關系，包括了顆粒與顆粒、顆粒與金屬之間的系數，當系數為1時碰撞運動狀態和參與碰撞實驗材料硬度和彈性具有很大關系。實驗系數的不同，產生的實驗結果也不同，通過驗證不同石料在同一個機制中制造出不同的破碎效果，來分析不同的差異。在完成模型后，制砂機的入料口可以簡化為例子工廠中的粒子倉，其參數需要按照實際的倉速度進行設計，位置隨機。

（2）后期處理。在測試砂子運動速度時候，在前期采用10%的計算步長，達到平衡后，采用0.5%步長計算，這樣既能夠降低仿真的消耗時間，又能夠確保相關計算的精準性。同時要注意，每次數據保存的時間需要進行調整，調高顆粒速度，使其縮短為0.01s。此外，仿真設計的統計計算需要整合碰撞的次數及能力的損失情況，對于需要勾選數據保存中的項目，要確保配置中的粒子速度和能量等相關數據的精準性。在計算的過程中通過查看軟件的仿真過程以及后期處理的模塊中，觀察粒子在轉子中高速擊打設備內部的整個過程；通過粒子的顯示模式查看轉子墊料層的運行狀態等，掌握影響轉子結構優化設計的關鍵因素。

（3）數據分析和結論。為進一步分析數據，本文按照破損理論，取礦石尾礦的邦德功指數，選取D1、D2、D3三個破碎仿真參數模型，來計算出40mm顆粒破碎功。在此次研究中要忽略其他的因素，簡化仿真顆粒在接觸后發生的體積破損問題，將其功能轉化為大于參數的值。如果得出的值大于參數破損值，說明表面積破碎，而統計數據則是模型的成砂率及砂子的質量。在進行第一階段的D2參數模型設計過程中，測試出此次項目的成砂為34.7%。通過推算，得出了成砂率數據信息，在數據中，石打鐵與石打石（礦石尾礦抗壓強度60MPa～140MPa，莫氏硬度值是3）的模型成砂率數據需要按照行業的測試數據為依據，而數據參數模型在行業的參數模型數據是來源于實驗室的實驗測試驗證。通過推算其他模型的成砂率，檢測相應的測驗數據，能夠證明使用離散單元法可以提升成砂率。在EXCEL統計數據中生成了對比分析數據，從數據可以得出，新型的模型數據成砂率會大幅度的提升，但是新型的“數據順序”卻打破了模型的成砂率。在選取新型的D1、D2數據模型的時候，會發現研磨的效果會產生大幅度的下降趨勢。因此，選擇了D3來作為最佳設計方案。根據設計的結果分析，D3模型破碎打破了石打鐵的72%效率，研磨效果能夠達到石打鐵10倍。數據如下：D1研磨次數44，破碎次數為0.13×103；D2研磨次數為64，破碎次數為0.5×103；D3的研磨次數為154，破碎次數為1.0×103。

3 實驗驗證

為進一步驗證仿真實驗的可實施性，本文記錄了新一代的制砂機應用在生產中的各項指標，并對其穩定性和實驗性進行了測試。

實驗的過程如下：首先，選擇40mm的石灰石作為入料條件，系統篩選的地層過濾網為2.8mm孔徑；其次，進行測試，測試的數據為：采樣1，成砂率為54.8，堆積密度（t·m-3）1628.4，空隙率為38.4；采樣2成砂率為53.4，堆積密度（t·m-3）1685.3，空隙率為37.6；采樣3成砂率為52.5，堆積密度（t·m-3）1682.8，空隙率為38.5。

通過這組數據能夠分析出成砂率略高于仿真數據，原因是仿真能力的為100t/h～150t/h，實驗室設備的實驗條件是60t/h。當制砂機出現制砂量下降的時候，就會導致實驗數據和仿真數據出現誤差。按照相關行業標準，對于建筑用砂，砂的表面密度、堆積密度等數據需要滿足規定要求，同時空隙率要小于47%。因此，實驗生產的成品砂滿足國家的標準，細度模數在2.6～2.7，屬于中等砂，成品砂質量優秀。

4 結論

綜上所述，礦山在處理尾礦過程中將離散單元法應用在制砂機成砂率提升研究中，能夠得出準確的實驗數據。在此基礎上，仿真設計的統計計算需要整合碰撞的次數及能力的損失情況，對于需要勾選數據保存中的項目，要確保配置中的粒子速度和能量等相關數據的精準性；同時將離散單元法應用在制砂機中，實現優化制砂機結構，達到提升設備成砂率，降低生產能耗的目的。因此，本文研究的基于離散單元法在制砂機成砂率提升的研究適用于礦山的尾礦處理破碎機中，提升數據的準確性。