基于离散元法的大型半自磨机端盖衬板结构优化研究

梁泽跃，彭远伦 ，孙春宝，胡 阳，张建国，闫增鑫

1云南迪庆有色金属有限责任公司 云南迪庆 674400

2北京科技大学土木与资源工程学院 北京 100083

半自磨机以钢球和矿石本身为磨矿介质，对矿石进行磨剥，具有适应性强、可靠性高、破碎比大等特点。半自磨机筒体部分安装有筒体衬板，为保护磨机两端不受损坏，在磨机给料端和排料端分别安装有端盖衬板。但工业生产中存在端盖衬板磨损严重、端盖结构参数不合理等诸多问题，导致端盖衬板破裂，需停车检修，对现场生产造成了巨大的经济损失[1-3]。针对以上问题，对不同端盖衬板提升条参数进行了仿真，探究端盖衬板的磨损规律，对延长端盖衬板使用寿命和降低厂区能耗具有重要意义。

衬板提升条高度和面角是磨机端盖衬板磨损情况的主要影响参数，运用离散元法可以建立半自磨机端盖结构模型，模拟不同端盖衬板结构参数下颗粒在筒体内部的复杂运动，研究其对端盖衬板磨损情况的影响[4-6]。Powell[7]基于一定的磨机转速、提升条面角和磨机的载荷情况对提升条高度进行了试验探究，发现将提升条高度增加至超过物料半径时，冲击点的高度和角度仅略微增加，超过一定提升条高度时，冲击点的高度将会下降。因此，可以大幅度增加提升条高度而不必过分考虑增加物料对磨机衬板的直接冲击。田秋娟等人[8]采用离散元软件 EDEM 研究了磨机衬板提升条面角等设计参数对球磨机功率和冲击能量分布的影响，并从单颗粒所受合力的角度分析了衬板的面角对颗粒破碎效果的影响，发现随着提升条面角的减小，球磨机中单个介质所受合力的幅值增大，即物料的破碎概率增大；随着提升条面角的增大，低能量冲击次数增加，而高能冲击次数以及最高冲击能量减少。

1 端盖衬板几何模型的建立与参数设置

为了更加真实地模拟半自磨机的磨矿过程，笔者根据现场采集到的半自磨机端盖衬板参数，利用 SolidWorks 软件建立等比例半自磨机筒体衬板模型，如图 1 所示。将端盖衬板模型导入模拟软件 EDEM，筒体衬板采用高低不同的提升条间隔排列方式。

图1 端盖衬板简化模型Fig.1 Simplified model of liner of end cover

模拟过程中，采用的钢球尺寸与数量均与现场保持一致。考虑到细颗粒对衬板磨损影响较小，且细颗粒数量巨大，为方便计算，根据对半自磨机入磨物料的粒度分析结果，取矿石颗粒的粒度为 100 mm，颗粒属性与填充率如表 1 所列。选厂应用高铬多元合金作为钢球材料，通过对原矿的相关物理属性进行测量并查阅文献资料，可确定模拟中各材料的属性参数，如表 2 所列。

表1 颗粒属性与填充率Tab.1 Properties and filling ratio of particles

表2 材料属性Tab.2 Material properties

2 端盖衬板模拟仿真与分析

端盖衬板主要用来保护磨机给料端与排料端，对物料运动状态、磨矿效率的影响较小。衬板上的提升条能够增强衬板强度，减小衬板表面的磨损。

2.1 端盖衬板磨损仿真结果分析

端盖衬板磨损云图如图 2 所示。可以看出，端盖衬板上的磨损主要集中在中下部 (远离轴线) 区域，且提升条位置磨损最为严重。这是因为磨机内的载荷集中于该区域，在磨机运转时载荷与该区域接触密切，且提升条位置凸出，与载荷的接触更加密切，磨损最严重。而靠近磨机轴线的上部区域不直接与载荷接触，仅有少量物料与其发生碰撞，因此磨损量较小。

图2 端盖衬板磨损云图Fig.2 Wear contours of liner of end cover

利用 GridBinGroup 功能对端盖衬板的某一提升条进行区域划分，自下部至上部平均划分为 20 个区域，编号依次为 1～20，各区域的磨损量如图 3 所示。区域 3～9 的磨损量较大，在 2.0×10-3mm 左右，比区域 13～20 的 0.5×10-3mm 高出 3 倍。由于端盖衬板在径向方向的磨损极不均匀，因此通常采用多圈衬板相组合的方式进行装配。

图3 端盖衬板各区域磨损量Fig.3 Wear loss of liner of end cover in each area

半自磨机为顺时针旋转，运转过程中，与物料直接接触的一侧为工作面，另一侧为非工作面，通常工作面与非工作面的磨损存在较大差异，如图 4 所示。提升条左侧为工作面，右侧为非工作面，显然工作面的磨损程度高于非工作面。说明在磨矿过程中，工作面与物料的接触更为密切，磨矿介质和矿石对工作面的冲击作用更强。

图4 端盖衬板提升条磨损云图Fig.4 Wear contours of lifter of liner of end cover

端盖衬板的底板磨损云图如图 5 所示。可以看出，底板的磨损情况存在与提升条类似的情况。两提升条中间部分的位置为衬板的底板，与提升条相比，它的磨损量较小，但也存在磨损不均匀的情况；B 框所示区域磨损量明显高于 A 框所示区域，也就是说靠近提升条工作面的底板区域磨损更加严重。通过观察模拟过程发现，提升条以一定速度转动时，会扰乱物料的运动状态，距提升条较近的物料由于提升条的推力向磨机内部运动，此时提升条后方 (即 A 区域) 形成一个“空腔”，磨机继续转动，物料开始回落至下一提升条的前方 (即 B 区域)，因此造成了靠近提升条工作面的底板区域磨损更加严重的现象。

图5 端盖衬板底板磨损云图Fig.5 Wear contours of bottom board of liner of end cover

2.2 提升条面角对端盖衬板磨损的影响

为探究端盖衬板提升条面角对衬板磨损的影响规律，设置了 4 种不同的提升条面角，其大小分别为 0°、5°、10°和 15°。面角为 0°时，提升条的截面形状为矩形；其他角度时，面角的截面形状为等腰梯形。

提升条面角对端盖衬板磨损的影响如图 6 所示。随着模拟时间的延长，衬板的磨损厚度不断增大，当模拟时间进行到 20 s 以后时，衬板磨损厚度随时间的变化率达到稳定状态。可以看出，衬板的磨损程度随面角的增大逐渐减小，在模拟时间达到 35 s 时，0°提升条的磨损厚度最大，为 1.22×10-3mm；15°提升条的磨损厚度最小，为 1.14×10-3mm，比最大磨损程度减小了 7%。在磨机运行过程中，物料提升条面角越小，提升条形状越接近矩形，其与物料的撞击越直接，造成的衬板磨损更严重。

图6 提升条面角对端盖衬板磨损的影响Fig.6 Influence of face angle of liner on wear of liner of end cover

提升条面角对端盖衬板累积接触能量的影响如图 7 所示。发现提升条面角对端盖衬板的累积接触能量影响总体较小，法向累积接触能量与面角大小不存在明显影响规律，而衬板的切向累积接触能量则随面角的增大而减小。分析可知，靠近端盖衬板处抛落颗粒的数量较多，对衬板造成了强烈的冲击作用，导致了较大的法向累积接触能量，这部分能量与物料整体运动状态相关性较大，而在不同的提升条面角下，物料的整体运动状态基本相同，因此在端盖衬板上的法向累积接触能量无明显变化；端盖衬板上的切向累积接触能量主要受到载荷与衬板之间的接触情况影响，由前文分析可知，衬板面角对载荷的运动造成扰动，面角越小，其扰动作用越强烈，因此切向累积接触能量随面角的增大而减小。

图7 提升条面角对累积接触能量的影响Fig.7 Influence of face angle of lifter on accumulated contact energy

2.3 提升条高度对端盖衬板磨损的影响

为探究端盖衬板提升条高度对衬板磨损的影响规律，设置了 4 种不同的提升条高度，分别为 50、100、150、200 mm，其他参数保持相同，进行仿真模拟试验。

提升条高度对端盖衬板磨损的影响如图 8 所示。随着提升条高度的增加，衬板磨损厚度逐渐减小，35 s 时，提升条高度由 50 mm 增加至 200 mm，衬板磨损厚度则由 1.47×10-3mm 降低至 1.10×10-3mm，降低了 25%。可见端盖衬板提升条的高度对衬板磨损存在较大影响，在适宜范围内可以增加提升条的高度，以减少磨损。

图8 提升条高度对端盖衬板磨损的影响Fig.8 Influence of height of lifter on wear of liner of end cover

提升条高度对端盖衬板累积接触能量的影响如图 9 所示。可以看出，随着提升条高度增加，至 150 mm 和 200 mm 时，法向累积接触能量具有较大值，说明提升条高度增加时物料对端盖衬板的冲击作用会略微增加；而当提升条高度从 150 mm 增至 200 mm 时，切向累积接触能量随提升条高度增大而减小，这是因为当提升条高度增加时，提升条对物料的扰动作用增强，物料与提升条底板的接触概率降低，切向累积接触能量随之降低。

3 实际生产与应用

根据模拟结果可知，在一定范围内增大提升条的面角和高度，可以减少端盖衬板磨损，延长使用寿命。在工业生产中，基于上述研究，并结合现场衬板参数对半自磨机进行调整，进料端端盖衬板提升条面角改为 15°，高度由 140 mm 提升至 180 mm，端盖使用寿命得到明显改善。

优化前后端盖衬板运行情况如表 3 所列。根据表中数据可知，调整后端盖衬板累计处理原矿增长了 12.36%，累计运行时间增长了 13.11%，顽石率减小了 1.27%。

表3 端盖衬板运行情况Tab.3 Operation of liner of end cover

4 结论

(1) 运用离散元法分析半自磨机内颗粒对端盖衬板磨损情况的影响，发现衬板提升条面角越小，提升条形状越接近矩形，其与物料的撞击越直接，造成衬板磨损更严重；提升条面角对端盖衬板的累积接触能量影响较小，法向累积接触能量与面角大小不存在明显影响规律，而衬板的切向累积接触能量则随面角的增大而减小。端盖衬板提升条的高度对衬板磨损存在较大影响，随着提升条高度的增加，衬板磨损厚度逐渐减小，在适宜范围内可以增加提升条的高度；提升条高度增加时，物料对端盖衬板的冲击作用会略微增加，而切向累积接触能量随提升条高度从 150 mm 增至 200 mm 而逐渐减小。

(2) 在工业生产中，基于上述对半自磨机端盖衬板的研究，并结合现场衬板参数对半自磨机进行调整，进料端端盖衬板提升条面角改为 15°，高度由 140 mm 提升至 180 mm，端盖使用寿命得到明显改善。