离散单元法在制砂机成砂率提升研究中的应用

黄 柯,郭 岗,张剑敏(国家混凝土机械工程技术研究中心,中联重科股份有限公司,长沙 410205)

离散单元法在制砂机成砂率提升研究中的应用

黄 柯,郭 岗,张剑敏
(国家混凝土机械工程技术研究中心,中联重科股份有限公司,长沙 410205)

针对冲击破碎机械特点,采用离散单元法,结合ProE三维设计与EDEM离散元仿真,对制砂机中粒子流仿真、分析,研究其在制砂机内部的运动规律,研究制砂机转子、砧铁某些关键结构参数的变化对粒子仿真数据的影响,从而实现达到优化制砂机结构,提升制砂机成砂率的目的.在研究成果基础上,研发出新型制砂机,试验验证40 mm连续级配石灰石入料、底层筛网2.8 mm孔径条件下,成砂率提升到33%,出砂率达到54%,且粒型优秀,成品砂的细度模数为2.7左右,级配曲线处于中砂二区,在行业内达到先进水平.

制砂机; 离散单元法; 成砂率

制砂机俗称为立轴式冲击破,是利用高速旋转转子,将原石料抛射,使石料相互撞击、破碎,生成人工砂的机械设备.其基本结构原理如图1所示.轴承座固定在制砂机卸料腔机体上,电动机通过皮带传动,驱动轴承筒主轴上的转子高速旋转;入料腔的原石料从中心进入高速旋转的转子,加速飞出后,击打在破碎腔周圈形成破碎,破碎后的石料从卸料腔排出制砂机.

制砂机出料粒度≤4.75 mm含量占其处理量的百分比称为制砂机的出砂率,出砂率减去原料含砂率的值称为制砂机的成砂率.成品砂的表观密度、堆积密度、空隙率等指标是否达到国家标准是判断人工砂质量的主要依据.制砂机的成砂率和成品砂质量是体现制砂机设计、制造水平的关键性能指标.制砂机成砂率低,将增加制砂系统中砂石的循环量,增加系统中其他如筛分、斗提设备的负荷,增加单位成品砂的设备成本和生产能耗.破碎机械研究需基于大量的实际工况数据和经验进行设计和试验验证,周期较长.

图1 制砂机的基本结构组成Fig.1 The basic structure of the sand making machine

本文要介绍的是采用离散单元法,结合三维设计ProE与离散元仿真EDEM两个软件平台,对制砂机中粒子流仿真、分析,研究其在制砂机内部的运动规律,研究制砂机转子、砧铁某些关键结构参数的变化对粒子仿真数据的影响,从而在较短的周期内达到优化制砂机结构,提升制砂机成砂率的目的.

1 项目研究思路

1.1破碎原理研究

(1)

制砂机为“石打石”破碎模式时,颗粒m2碰撞前速度v2=0.式(1)导入动量平衡方程对v2,u2求解后,“石打石”破碎模式的破碎能为

(2)

(3)

相同的物料、发射速度情况下,“石打铁”破碎模式的物料动能转化破碎功最充分.可得结论,采用“石打铁”破碎模式的制砂机破碎效率较高.

德国胡廷等[2提出了破碎时的3种破碎模型:体积破碎、表面破碎和均一破碎模型.体积破碎模型是指整个颗粒都受到破坏(破碎),生成物大多为粒度大的中间颗粒.表面破碎模型是指仅在颗粒的表面产生破坏,从颗粒表面不断剥下微粉成分,破坏不涉及颗粒的内部,如图2所示.“石打铁”破碎模式的制砂机采用金属砧铁作为原石料冲击的承受体,完全的对心碰撞,产生体积破碎.虽然体积破碎具有破碎效率高的优点,但同时破碎过程中会产生大量的尖锐的石料颗粒,缺少“石打石”破碎模式下表面破碎对原石料的研磨整形,从而导致其堆积密度和空隙率等成品砂指标会下降.所以简单采用“石打铁”的设计思路,并不能很好地解决制砂效率与质量的之间矛盾.

图2 破碎模型Fig.2 Crushing model

1.2项目面临的技术问题及解决思路

本项目需要探索一种新的兼顾破碎效率和成砂质量的破碎方式.使用传统的设计手段和方法,显然无法保证项目的进度要求.EDEM是国际通用的基于离散单元法模拟、分析颗粒系统过程处理和生产操作的CAE软件.为描述颗粒之间的多种接触关系,在EDEM软件中内置了多种接触模型.其中Hertz-Mindlin粘接模型,通过一定参数的“粘接键”将颗粒粘接在一起.这种“粘接键”可以承受切向、法向的载荷和运动,只有当切向和法向的应力超过其最大值时,该粘接键破裂，破裂后的颗粒作为刚性球体进行接触求解[3].通过这样的方式模拟仿真破碎过程.在制砂机的砂石破碎仿真研究中,定义最小破碎粒径的颗粒模型,用该模型通过“粘接键”粘接形成40 mm入料粒径的原料模型.这样产生一个难以解决的问题:制砂机一次破碎产生的颗粒粒径范围较大.如果仿真分析最常规制砂机型号,单位小时处理能力400 t,入料40 mm粒径,30 s仿真时间,入料40 mm的粘接模型颗粒需要约5万个.按已知制砂机破碎特性曲线预估,即使忽略破碎的粉尘颗粒,破碎后分解的总颗粒数约106～107之间.这些颗粒的跟踪模拟需要消耗巨量的计算机资源,显然,一般的计算机无法满足要求.

笔者提出的颗粒仿真方法是建立在与多种仿真方法结果之间对比、试验数据基础上的.该法特别适合以冲击破碎原理的破碎设备的颗粒离散元仿真.在EDEM软件上进行小规模的粘接粒子破碎仿真的结果分析发现:冲击破碎的主要破碎功来自颗粒速度,体积破碎基本发生在高速粒子从转子发射后的第1次碰撞,或者是反弹后被转子反击块进行击打.颗粒之间第2次碰撞后的能量转换,基本低于材料体积破碎的需求.所以放弃粘接模型,在仿真中直接用粒子模型进行仿真,可大幅降低计算量.后处理采集碰撞接触过程中粒子能量的损失值的数据,可推导仿真中颗粒发生体积破碎、表面破碎的次数和比例.结合实物试验,推导仿真对象的成砂率与成品砂的粒型情况.通过一系列的仿真,可以判断在仿真的破碎系统中,关键的设计结构参数,如转子转速、砧铁与转子发射口的距离、砧铁形状的关键尺寸等,对成砂率、粒型的影响方向和程度.

笔者采用上述仿真方法,对制砂机进行研究,在行业内首创一种“铁石顺序混打”的破碎方式.这种破碎方式的核心技术是一种特殊结构的砧铁,可以实现高速石料首先被砧铁击打,实现高效率的体积破碎.破碎的石料冲击进入砧铁后方的空间,形成石料自衬层,产生表面积破碎,进行研磨整形.这样既能高效破碎,又能生产粒型圆润的高质量机制砂.该破碎方式形成了中联重科股份有限公司(以下简称中联)独有的制砂机核心技术,已申请发明专利.本文重点讨论的是利用离散单元法,以成砂率和粒型作为优化目标,以砧铁关键结构参数为优化变量,对制砂机进行优化的研究方法.

2 新破碎方式的优化仿真

整个优化流程如图3所示.

第1阶段,在完成“铁石顺序混打”这一技术方案构思后,首先在ProE三维平台中进行设计,导入EDEM软件后进行仿真,仿真结果对比老制砂机仿真和试验数据验证;其次设计了一套搭载其技术的砧铁,在中联机制砂试验楼进行试验,验证了技术方案构思的方向正确和仿真方法.第2阶段,确定新结构中对成砂率和空隙率影响的关键尺寸,在ProE设计平台中参数化该设计尺寸变量,形成参数系列.将系列模型导入EDEM软件进行仿真分析,输出对应系列数据.数据导入Excel软件,进行数据分析,得出最优设计参数.在此基础上设计并试制新产品,在机制砂试验楼中再次进行试验,采集数据验证.本文仅对第2阶段仿真进行介绍.

图3 仿真分析与优化设计流程Fig.3 The flow ofsimulation analysis and optimal design

EDEM软件由3个主要模块构成:前处理器、求解器和后处理工具.其中前处理器用于构建和初始化离散元模型，求解器进行模拟仿真和计算，后处理工具对仿真结果进行显示和分析.

2.1前处理

仿真的环境所涉及的零部件如转子、砧铁、破碎腔等都在ProE三维软件进行建模.借助ProE强大的建模能力实现以下几个目的:① 对产品结构中关键设计参数及相关设计尺寸进行参数化设计,实现设计模型与仿真模型实时更新;② 基于离散元仿真原理与经验,对零部件结构和三维设计特征进行简化,如转子上固定易损件的螺栓组、易损件上的螺栓孔特征等,降低仿真的计算量;③ 在ProE中完成仿真环境中各零部件的装配,Step格式导入到EDEM中,可继承装配关系,节省在EDEM中前处理时间.

在前处理模块中定义粒子系统中的模型颗粒时,需重点关注材料之间的反弹恢复系数,包含砂石颗粒与颗粒、砂石颗粒与金属材料之间的系数.该系数即1.1中介绍的碰撞运动速度式(2)中的碰撞材料的恢复系数k,与参与碰撞的材料硬度、弹性有关.恢复系数的选取,对仿真的最终结果影响较大.本项目研究参考了西南大学杨明金等[3]所著论文《颗粒物料恢复系数简易测量方法及其应用》,采用基于运动学原理的颗粒物料恢复系数测量方法,测试计算出颗粒物料在不同条件下的恢复系数[4].不同材料类型的石颗粒,试验得到的恢复系数不同,最终仿真结果也不相同.仿真结果可以验证不同的岩石原材料在同一制砂机中破碎效果的差异.

完成前处理的模型如图4所示,制砂机的入料管简化为粒子工厂的粒子仓,粒子仓参数速度按此处原石料的实际速度输入,位置随机.

图4 前处理模型Fig.4 The preprocessing model

2.2求解与后处理

本项目中研究的颗粒速度为70～100 m/s,是典型高速运动.在前期采用10%的计算步长,达到平衡后采用0.5%步长计算.这样既节省仿真时间,也能保障计算精度.每次数据保存间隔由于仿真颗粒速度高也要调整,缩短到0.01 s.仿真计算需要统计碰撞次数与能量损失,需勾选数据保存中选择项目保存,并勾选保存配置中和粒子速度、力、能量等相关内容.

完成计算后,可以从后处理模块中显示窗口查看仿真过程,观察粒子在转子中高速发射出击打到砧铁的过程;通过模型子面板控制粒子与零部件的显示模式,查看粒子在转子内部形成保护转子的积料层、粒子发射等细节.这些都是影响转子结构优化设计的关键因素.图5(a)为仿真的整体效果,图5(b)为转子局部发射粒子的速度矢量显示.

仿真的视频,通过后处理模块显示窗口的录制按钮输出视频文件,仿真数据通过文件菜单下的结果数据输出对话框输出.

2.3数据分析及结论

按邦德破碎功理论,取石灰石材料邦德功指数,计算40 mm单颗粒的破碎功a[5].在本项目研究中,忽略其他的因素,简化认为仿真中颗粒产生碰撞接触后,其动能转化损失大于a值,则碰撞产生体积破碎,反之则为表面积破碎.统计数分别为该模型的颗粒破碎次数和研磨次数,其数值多少反映该模型的成砂率和粒型的优劣.以第1阶段已完成的d2参数模型的试验测试的成砂率34.9%作为分析参考值,按比例关系推算其他模型,得到成砂率分析表(见表1).

图5 后处理模型显示窗口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,石打铁与石打石模型的成砂率数据来自于行业的实际测试数据,d2,d3参数模型数据来自于项目第1阶段在试验室进行的方案方向验证试验.推算的其他模型的成砂率,数据与相应几个试验数据较吻合,证明项目采用离散单元法进行成砂率研究的方法是可行的.

图6是在Excel软件中从统计数据生成的对比分析图表.从图表分析可得:相对石打石模型，其他模型成砂率都会大幅提升;但是新型“顺序混打”破碎方式的砧铁，在选取d1,d2参数时,研磨效果会大幅下降.所以最终选择d3作为最优化的设计参数.根据数据分析,d3模型破碎效率能达到石打铁的75%,研磨效果能达到石打铁的10倍.

图6 仿真结果分析表图Fig.6 The analysis of simulation result

3 试验验证

搭载“铁石顺序混打”技术的新一代中联制砂机于2015年9月完成试制下线,并于11月完成厂内稳定性和试验楼性能测试,现场情况如图7所示.

图7 新制砂机样机性能测试试验现场Fig.7 The test of new model machine

试验条件入料为40 mm连续级配石灰石，试验系统筛分的底层筛网为2.8 mm孔径,测试数据如表2所示.成砂率略高于仿真数据,分析原因是仿真条件为生产能力100～150 t/h,而试验室只能提供最大60 t/h的试验条件.制砂机处理量下降时,成砂率会提升是影响试验数据与仿真数据略差异的原因.按国家标准GB/T 14684—2001《建筑用砂》对建筑用砂的相关要求,砂表观密度、堆积密度、空隙率应符合如下规定:表观密度大于2 500 kg/m3,松散堆积密度大于1 350 kg/m3,空隙率小于47%[6].试验生产的成品砂满足国家标准要求.成品砂的细度模数为2.7左右,级配曲线处于中砂二区,成品砂质量优秀.

4 结语

采用离散单元法进行成砂率提升研究,从提升的产品结构方案仿真论证,到方案最优参数仿真优化之间,多次试验进行验证.这个项目实现了制砂机在40 mm石灰石入料条件下,成砂率提升到33%,出砂率达到54%,且粒型优秀,在行业内达到先进水平.由此实践总结出一整套基于离散单元法的产品优化设计方法.

表2 新一代制砂机样机试验成品砂数据表Tab.2 The test result of model machine sand ratio

(1) 本文介绍的基于破碎原理简化的离散单元法研究破碎机械破碎能力的方法,适应企业计算机硬件条件,适用原石料冲击破碎原理的破碎机,包括制砂机、反击式破碎机等.但是暂时不适用于碾压和研磨原理的颚式破碎机、圆锥破碎机、对辊式破碎机等其他破碎机械.

(2) 本方法中,原石料的相关材料物理化学指标对仿真结果影响很大,并且各类岩石的不同指标影响仿真最终结果,也体现了不同岩石原料的破碎特性.

(3) 本项目完成后,继续对新型砧铁关键设计参数d在不同粒径的入料情况下进行了研究,发现了客观规律,即在“石铁顺序混打”这种新的破碎砧铁结构中,关键设计参数d与入料原石料粒径呈线性比例关系.

(4) 本项目结束后,该研究方法继续适用到制砂机的其他方向技术研究，如制砂机易损件寿命优化与同寿命设计研究等.

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State General Administration for Quality Supervision and Inspection and Quarantine.GB/T 14684—2001 Sand for building[S].Beijing:Chinese Industrial Standards Press,2001.

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

湖南省科技计划资助项目(2015GK3047)

黄 柯(1974—),男,高级工程师,硕士.E-mail:huangke7499@163.com