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加气混凝土设备:球磨机工作参数的离散元仿真研究

作者:百合  来源:杜甫机械  时间:2013-09-02 09:46:31  点击次数:3930

  球磨机是粉磨工业领域中具历史的并被广泛采用的一类粉磨设备,由于至今还没有完全弄清楚球磨机的粉煤机理,在提高效率、降低能耗和减少钢耗等方面的研究终未取得突破性发展,在球磨机的工作过程中,研磨介质在旋转的筒体内高速运动,通过相互冲击与碰撞传递能量,物料在这种运动过程中取得粉碎与研磨效果,但是由于介质运动的高速性、离散性和随机性等特点,它们不能由传统的研究方法准确描述,离散单元法不同于基于求解连续体的数值方法,它旨在处理离散体的动力学行为。

  球磨机工作参数的分析是球磨机设计过程中的重要一环,世界各国磨机设计者与制造上都非常重视,大都制订了自己的工作参数标准,工作参数影响研磨介质在磨内的运动形态,在一定程度上决定着球磨机的介质能量分布和研磨效率,用DEM分析、改进球磨机的工作参数主要是1)基于DEM建立球磨机介质动力学仿真模型;2)利用DEM模型设置相关联的各工作参数以便分析各参数对球磨机的效能影响;3)用DEM模型改进各相关工作参数;4)确定合理的工作参数配置。




  1离散单元法与球磨机工作参数

  1.1离散单元法

  离散单元法(DEM)是一种适合用于散体运动仿真的数值计算方法,离散单元法最早由Cundall和Strack提出并用于岩土力学的研究,DEM的基本思路是利用颗粒接触模型计算相互接触单元间的受力并利用牛顿第二运动定律求解颗粒的运动参量,在球磨机的DEM建模中,一般采用弹簧阻尼接触模型来面熟研磨介质的接触行为

  在该模型中,接触单元间的重叠量和颗粒法向速度共同决定了法向力;切向力则由切向速度在碰撞过程上的积分决定.球磨机内的介质在筒体内不断地进行碰撞和分离,要求算法能在极短的时间内检测到介质颗粒间的接触并计算各颗粒通过接触传递的力.DEM方法采用一种网格算法周期性地检测所有接触并将单元间的位置关系保存在接触表列中以便高效有序地计算出各颗粒单元的接触力.在某一时刻,,颗粒P1的接触力和力矩可以由接触模型求得.在微小的时间间隔dt里对颗粒的力学方程连续积分即可求出颗粒P1,当时的速度与位移参量.在接下来的时刻 t + dt,根据前一时刻颗粒P1,的位置坐标判断旧接触的脱离与新接触的产生,从而回到接触判断计算新的接触力并返回力学方程进行迭代.将上述算法遍历整个系统中每一个颗粒单元,最后通过后处理程序输出系统的动力学数据并动态显示颗粒系统的总体运动状态.



  1 . 2 球磨机工作参数

  球磨机的工作参数大致可以分为结构参数、操作参数和研磨体参数等.对于同种型号的球磨机,各类工作参数相互影响并同时作用于磨机使其研磨介质的运动形态发生变化.球磨机相关工作参数的关联性可以用图2表示.




  由图2可知,通过设定不同的工作参数, DEM模型能模拟出不同参数条件下介质的运动形态.通过调整相关联的下作参数,介质的运动形态能够发生相应的变化,在这样的调试过程中,模型能够找到更优化的参数设置和能产生更好研磨效果的参数配合.



  2 工作参数的离散元仿真分析与改进

  2 . 1 球磨机DEM仿真模型

  本文以φ3.5m×10.0m的工业球磨机为原型建立离散元法仿真模型.该模型将磨机筒体抽象为具有材料特性的圆柱体,其内壁上固定有一定数量的衬板条.截取其中一段(原长度的1/10)作为介质动.力学求解的边界筒体内介质颗粒抽象为具有材料特性与尺寸参数的离散单元,其球径分布在50~90 mm之间.其他模型参数见表l,初始化模型如图3所示.



  


  2.2介质运动分析

  各工作参数的变化直接影响着介质的运动形态态,首先建立实验对照组A:介质填充率为3  0%的磨机分别在转速率N为30%、 70%和110 % (临界转速约为22.6r/min)的情况下运行10s后达到动态平衡,如图4所示.从中可以观察到,转速率的变化可以明显影响到介质的运动形态.当转速率 N = 30%时,介质系统主要作泄落运动,运行在此种状态下的球磨机对物料起研磨作用.当转速率达到70%时价质系统的抛落运动可以对物料进行冲击和粉碎.随转速的增大,颗粒体被提升到更高的脱离点,当转速接近临界转速,最外层的颗粒开始贴附于衬板作离心运动.然后设定实验对照组B:磨机转速率为70 % , 分别在介质填充率, φ=30%、40%和50%的情况下运行10s后达到动态平衡,如图5所示.从中可以观察到:当中较小时有介质被提升到更高的脱离点,磨内抛落运动强烈;随着φ的增加,磨内肾形区的研磨作用增大.




  由仿真过程可知,随着设定的工作参数的变化,介质运动形态发生了明显改变.当N= 60%~70 %, φ=30% ~40%时,这样的参数配合使研磨介质的动态分布既保证了必需的冲击破碎力,又使处于最外层部分的介质得到充分抛落,有利于磨机功率的合理利用与衬板磨耗率的降低.这些分析结果与理论描述基本相同.

  

  2.3功率分析

  影响球磨机功率消耗的因素很多,这里主要在φ=30%的情况下分析颗粒与筒体衬板间的摩擦系数f=0.7和f=0.25时,转速n对磨机功率消耗的影响.从A组仿真实验中,仿真模型得到筒体与各衬板提升条的功率数据,将筒体与各衬板提升条的功率叠加后取平均值即为球磨机的粉磨功率或者有用功率.在不同转速率的情况下,有用功率对转速的变化情况如图6所示.由图6可知,DEM模型的仿真结果与实验测量结果非常接近,所以球磨机 DEM模型的有效性得到了初步的验证.在转速率N=75%之前,磨机的理论、实测和仿真功率结果均表明磨机功率随转速率的增加而增加,其中理论功率值几乎与转速呈线性关系.但是实测和仿真功率却出现了功率增加率的降低,当N>90%时,磨机功率发生锐减.同时可以观察到在N=75%之前,f= 0.25的介质系统与 f=0.7的介质系统具有基本相同的功率变化规律,但是N>75%后,f=0.25的介质系统反而具有了更高的功率消耗.这些现象可能与筒体内介质系统的动态不平衡性有关,由仿真模型求解的功率数据,可以用于进一步探寻球磨机高能量消耗的内部机理.


  2.4改进磨机结构的设计

DEM仿真模型除了能对诸如磨机转速率、介质填充率等工作参数进行合理优化分析外,它还能对球磨机的结构,特别是对提升条轮廓形状的设计提供改进参考.以上就是全部内容,更多有关球磨机设备的知识请咨询河南省杜甫机械厂家专业人员。




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