基于正交实验规划的球磨机介质参数优化设计

任国强

（四川职业技术学院汽车工程系，四川 遂宁　629000）

基于正交实验规划的球磨机介质参数优化设计

任国强

（四川职业技术学院汽车工程系，四川 遂宁629000）

球磨机是靠工作介质运动的冲击与研磨来完成物料的破碎和细磨，磨机中影响介质运动及磨矿效果的要素中，最首要有介质尺度、形状、填充率和转速率、筒体直径等.对球磨机进行以介质尺度、介质填充率和磨机转速率为中心的介质运动研讨，不但能够进一步探讨清楚有关磨矿进程中的有关规则，并且对于提高球磨机的功率和改善生产技术经济指标具有重要含义.本文在分析介质运动的基础上，找到合理的球磨机介质运动状况，建立球磨机离散单元模型，应用PFC3D软件对工作介质的运动进行了仿真，最后得出最优参数组合，这样的实验过程和实验结果对球磨机的实践具有较强的参考价值和指导意义.

球磨机；介质参数；正交实验规划；优化设计

球磨机是物料被破碎后再进行粉碎细磨的关键设备，主要用于粉磨各种矿石和其它物料，被广泛应用在建材、矿厂、冶金、化工、及电力等若干基础行业中.球磨机中物料的破碎是靠介质运动的冲击与研磨来完结，球磨机的磨矿作用跟介质运动状况有着直接关系，而球磨机介质运动状况是由其介质作业参数所决定.

1　影响球磨机工作介质运动因素分析

对球磨机破碎力影响的因素较多，主要影响因素主要有：筒体直径、转速率、磨球直径、装球率、球磨机内衬板构造与形状等，下面主要分析影响球磨机工作介质的主要因素.

1.1介质尺度

球磨机的介质尺度是指磨球直径的大小或者是圆柱钢锻的大小.

球磨机的工作原理就是靠工作介质对物料进行冲击和研磨，从而实现对物料的破碎和细磨.工作介质的几何尺度大小决定着介质携带的能量的大小，也就决定介质对物料实施的破碎力的大小，最终决定着球磨机粉磨的功率以及其质量特性，从另一个方面也将影响球磨机粉磨的能量消耗和工作介质耗费，因而，工作介质几何尺度的大小是一个影响球磨机粉磨的首要和关键要素.

1.2装球率

球磨机筒体内研磨体填充的容积与球磨机筒体的有效容积之比的百分数，称为磨矿介质的装球率.

装球率越大，在球磨机的筒体容积相同的情况下，参与粉碎和研磨的有用磨球的个数就会增多，这样就可以增加球磨机的产能.但是如果装球率过高，同时参与粉碎和研磨的内层磨球的数量增多，从而导致内层的破坏效果较小；另一方也会导致在粉碎和研磨的过程中磨球的堆积较高，从而降低了磨球抛离点与抛落点之间的距离，也就降低了磨球的有用冲击高度，减缓了磨球的冲击和破坏的效果，由此可见，当球磨机的装球率过大时，对于磨矿的效果反而不利.

1.3转速率

当球磨机筒体转动时，工作介质随着筒体一起作回转运动，当其转速达到一定值的时候，介质由于作旋转运动产生的离心力等于其本身的重力，这时，介质被升举至脱离角为零的位置，此时，研磨体将紧贴附在筒壁上而不会降落下来，这个转速就称为球磨机的临界转速.介质的提升高度和提升力大小、介质的运动形态是由球磨机的转速决定；球磨机转速不一样，介质的运动状态就不一样.

2　正交实验规划

通常实验优化可以用实验规划和回归规划的方式进行.而其中离散优化的最佳方式便是实验规划，即通过一系列的步骤，使用拉丁方、均匀表、正交表等方式来进行实验.作规划时，利用表格的方式处理实验设定和数据，更有利于实验的开展.

正交实验规划的进程包含规划实验计划和处理实验成果两步.规划实验计划的具体步骤如图1所示.接下来通过实验数据，对其中重要的步骤作详细说明：

图1　正交试验方案设计流程

试验过程中会产生三个重要因素:填充率、转速率、磨球尺寸（钢球尺寸），待试验的球磨机磨球工作参数与相应水平情况如表4.1所示，取水平3.

表1　待试验的球磨机磨球工作参数与相应水平

所选用的三因素三水平的正交表如下表2所示：

表2　选用的正交表

从上表中可以看出，通过正交表实验，可以体现水平均匀，搭配均匀的原理.虽然试验次数少，但是实验效果明显.

3　球磨机工作介质的优化设计

在程序中运用histwal l power指令，当结束球磨机仿真实验运动后，在同目录中找到相应文件，这个文件记录了运动过程中各个部件功率的数据变化，即钢球和筒体以及提高条之间的能量转换.这些数据反应出不同时间各个墙体的功率差异.因此，下一步就是处理这些数据，以便得到球磨机的有效功率.

3.1试验点仿真

对φ40mm、装球率0.2、转速率0.4情况运动分析，记录筒体及提升条功率数据变化的程序如下所示：

筒体及提升条功率数据记录程序

以φ20mm、装球率0.2、转速率0.4情况为例，得到某一时刻钢球的运动形态及磨球速度矢量图如下图2所示：

图2　某一时刻的运动形态及磨球速度矢量图

3.2试验数据处理

当球磨机仿真结束后，在相同目录中找到后缀为.his的文件，这个文件反应了仿真运动中筒体和其他部分功率上的变化情况，即钢球于筒体和衬板提高条之间碰撞耗费的能量.所记录的数据是不同时间作用在各个墙体上的功率，因而，需要进一步的处理这些数据，以便得到球磨机的真实功率.

依据上述实验数据处理办法，得到有用功率后，再选用极差法处理，数据成果如表3所示.

表3　试验方案数据

3.3试验数据结果分析

（1）通过比较极差Ri的大小，可以知道钢球的大小和转动的速度是影响磨球运动的主要因素，其次就是钢球的数量多少也是影响因素之一；

（2）通过比较的大小，试验水平的优方案中第3水平的是填充率，第2水平为转速率，第1水平则是磨球尺寸；

（3）综上分析，第九组试验点的情况为试验中的最优组合.

4　结束语

球磨机的磨矿进程是一个复杂的过程，本文是忽略其他一些因素的影响，比如矿物质、水等，从而对球磨机的介质运动规则进行了必定的研讨。根据正交实验的计划，以离散元软件为手段，进行仿真实验，而实验数据的分析处理则采用了极差法原理，最后得出最优参数组合，这样的实验过程和实验结果对球磨机的实践具有较强的参考价值和指导意义，但是因为试验条件的约束，论文的研讨定论存在着必定的局限性.

[1]于福家，韩跃新.磨机细磨介质优化研究[J].金属矿山, 1997,（03）.

[2]徐泳，孙其诚，张凌，黄文彬.颗粒离散元法研究进展[J].力学进展.2003,（02）.

[3]史国军.基于三维离散单元法的球磨机介质工作参数研究[D].昆明:昆明理工大学,2008.

[4]应灵灵.球磨机介质运动规律的实验研究[D].昆明:昆明理工大学,2009.

责任编辑：张隆辉

TD453

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1672-2094（2016）04-0171-03

2016-05-16

任国强（1975-），男，四川南充人，四川职业技术学院副教授，硕士.研究方向：机械设计与制造、CAD/CAM技术.