基于ROCKY-DEM的球磨機襯板設計

王 偉，郝俊杰，楊興權，任必銳

(1.江蘇蘇鹽井神股份有限公司第三分公司，江蘇 淮安 223000；2.淮陰工學院，江蘇 淮安 223003 3.江蘇省制鹽工業(yè)研究所有限公司，江蘇 淮安 223000)

球磨機襯板是球磨機中的一個及其重要安裝組件，安裝于筒體內部，起到保護筒體和調整研磨體運動狀態(tài)的作用，是影響球磨機破碎效率和產量的重要因素之一。[1]

中國的鐵礦石選礦廠每年消耗超過8萬t的襯板。此外，許多選礦廠的球磨機都使用較大的研磨球，以降低失效球的比例。這種行為增加了球鋼的損耗，降低了研磨效率。因此，有必要對鐵礦球磨機襯板的結構進行優(yōu)化設計。[2]

1 球磨機襯板方案設計

對于該型號的濕式格子型球磨機，當球磨機工作時，物料經傳送帶持續(xù)輸出至球磨機內部，物料和研磨體由耐磨金屬板下方的提升帶提升至高處，并在筒體內完成拋落、沖擊、撞擊和自磨作業(yè)，實現(xiàn)物料磨碎。在不斷給入物料的情況下，會受壓力，促使筒體內物料逐漸排到出料端。因此，球磨機實際工作過程中,存在以下問題:襯板長期承受研磨體周期性的沖擊、摩剝等作用，易出現(xiàn)磨損、突起變形、斷裂、腐蝕等單一或者多種機制并存的失效形式，顯著影響物料的運動狀態(tài)，降低研磨效率，且更換襯板會導致整個系統(tǒng)停車；襯板與相鄰襯板配合時配合部位有間隙,容易掉入物料,造成腐蝕，影響襯板與相鄰襯板之間的連接,造成襯板更換時無法拆卸，只能人工進入球磨機內部采用氣割將襯板融化。

為解決上述問題，相鄰襯板周向之間由原有的普通緊密連接通過凹槽與凸塊連接，軸向之間由卡接塊和卡接槽連接，保證其在使用過程中的密接性，避免因漿液泄漏造成襯板更換時難以拆卸的問題。

圖1 球磨機內部圖

1.凹槽 2.襯板主體 3.耐磨金屬板 4.卡鉗螺栓 5.凸塊 6.卡接塊 7.橡膠墊片 8.卡接槽圖2 襯板

2 襯板磨損的數(shù)值求解計算

離散元素法是由美國學者Cundall P.A.教授于1971年基于分子動力學原理提出的一種顆粒離散體物料分析方法。離散元素法被廣泛用于巖土力學、粉末加工、研磨技術、混合攪拌等工業(yè)過程。Rocky DEM是由ESSS公司開發(fā)的一款專業(yè)離散元開發(fā)軟件，且與Ansys存在深入的合作。故本文基于離散元素法建立固體顆粒系統(tǒng)的參數(shù)化模型，進行襯板行為模擬和分析，并結合Ansys對襯板磨損進行研究。

本文針對純堿行業(yè)的某型號濕式格子型球磨機，如圖3所示的襯板簡化后的物理模型，左圖為SolidWorks中處理的球磨機模型，輸出為Stp格式，由于球磨機運行過程中，應力集中發(fā)生在提升條處以及提升條與主體結合處，故本文以提升條關鍵參數(shù)半徑r作為變量，分析襯板磨損情況，分別取r=100 mm、105 mm、110 mm、115 mm、120 mm、125 mm、130 mm和135 mm，半徑r如右圖所示。

圖3 球磨機襯板物理模型

Rocky DEM中球磨機模擬參數(shù)如下：球磨機轉速65%；填充率40%[1～2]；選用的鋼球直徑為60 mm[3]，與實際工況匹配。其中鋼球材質為ZGMn13。

2.1 顆粒簇模型建立

在球磨機內，利用顆粒工廠生成兩種顆粒。兩種顆粒模型物理參數(shù)如表1所示。

表1 顆粒模型物理屬性

顆粒模型簡化為球體，設置顆粒與顆粒、顆粒與襯板之間接觸的靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)、切向剛度比和恢復系數(shù)，共需要設置五組相互作用參數(shù)，如表2。

表2 材料的相互作用參數(shù)

顆粒工廠于Y軸-0.5 m處，這樣顆粒生成時即堆疊于球磨機底部，減少顆粒掉落時間。顆粒工廠共生成0.2 t鋼球、0.6 t礦石，其中礦石粒徑分布為：20 mm占100%、15 mm占70%、10 mm占20%。

2.2 ROCKY仿真模型的設置

選取襯板切片為480 mm，確保切片長度是鋼球直徑2.5倍以上。由于該軟件為自動時間補償，為了減少計算時間，將數(shù)值軟化因子設置為0.1。進一步地，將Triangle Size設置為0.3 m，并選擇磨損計算，仿真開始5 s后，開始計算磨損量。

該型號球磨機筒徑為1 830 mm，故臨界速度nc為31.31 r/min，將幾何模型的運動設置為線性旋轉，仿真轉速為18.81 r/min，將已設置的運動添加至模型，運動時間直至仿真結束，仿真共計20 s，每隔0.05 s記錄一次數(shù)據(jù)。

2.3 ANSYS Wrkbench的求解

在Workbench 中建立Rocky DEM模塊，將其Y方向的力作為后續(xù)靜力學分析的加載載荷，球磨機襯板的材料、密度、泊松比由Rocky導入。

在靜態(tài)結構中，對襯板添加固定支撐。然后對襯板進行劃分網格，考慮到網格數(shù)量和質量，將網格尺寸定為10 mm，網格節(jié)點數(shù)為774 503，網格單元數(shù)為169 050。

圖4為r=100 mm時，ROCKY中球磨機運行20 s襯板Y方向所受的力，如圖所示，由于鋼球和物料的生成墜落導致仿真開始時出現(xiàn)力大幅度的改變。而后在靜態(tài)結構中載入Pressure，應用到拐角節(jié)點且定義依據(jù)為分量，從ansys導入載荷后的有限元模型中可以看出，球磨機工作過程中，鋼球與物料相互作用力主要集中在提升條和提升條與襯板主體連接處，因而，在襯板提升條處加裝耐磨金屬板，無疑是存在其必要性的。

圖4 襯板Y方向受力情況

2.4 仿真結果

在對襯板的磨損數(shù)值模擬中，選擇總變形、等效應力、等效彈性應變3個指標來判定襯板的磨損情況,將模擬結果記錄在表3中,共計8組數(shù)據(jù)記錄結果如表3所示。

綜合表3數(shù)據(jù)進一步分析得，在保證提升條的半徑對研磨物料具有一定提升能力的情況下，增大提升條半徑可以提升襯板的壽命，本次仿真的八組數(shù)據(jù)中115 mm、125 mm也為較優(yōu)方案。但會產生較大的變形量或者較大的應變或應力。因此，襯板高度為120 mm 會有效緩解襯板的磨損，提高襯板的壽命，能夠有效提高球磨機生產效率。

表3 模擬結果

3 結 論

本次模擬仿真以襯板的磨損狀況為目的進行研究，判斷設計是否合理以及襯板使用壽命的情況，襯板的磨損量越小越好。

1)本文提出的襯板機構，即板主體后端設有與卡接塊相適應的卡接槽以及主體右側設有與左側凹槽相適應的凸塊，能夠有效解決球磨機襯板料漿漏液,增加襯板的使用壽命,減少鋼鐵能耗。

2)本文通過襯板的總變形、等效應力、等效彈性應變3個指標來衡量襯板的磨損情況，經仿真分析r為120 mm時，襯板磨損程度低，有助于提高球磨機粉末效率，增加產量。