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加氣混凝土設備:球磨機工作參數的離散元仿真研究

作者:百合  來源:杜甫機械  時間:2013-09-02 09:46:31  點擊次數:5569

  球磨機是粉磨工業領域中具歷史的并被廣泛采用的一類粉磨設備,由于至今還沒有完全弄清楚球磨機的粉煤機理,在提高效率、降低能耗和減少鋼耗等方面的研究終未取得突破性發展,在球磨機的工作過程中,研磨介質在旋轉的筒體內高速運動,通過相互沖擊與碰撞傳遞能量,物料在這種運動過程中取得粉碎與研磨效果,但是由于介質運動的高速性、離散性和隨機性等特點,它們不能由傳統的研究方法準確描述,離散單元法不同于基于求解連續體的數值方法,它旨在處理離散體的動力學行為。

  球磨機工作參數的分析是球磨機設計過程中的重要一環,世界各國磨機設計者與制造上都非常重視,大都制訂了自己的工作參數標準,工作參數影響研磨介質在磨內的運動形態,在一定程度上決定著球磨機的介質能量分布和研磨效率,用DEM分析、改進球磨機的工作參數主要是1)基于DEM建立球磨機介質動力學仿真模型;2)利用DEM模型設置相關聯的各工作參數以便分析各參數對球磨機的效能影響;3)用DEM模型改進各相關工作參數;4)確定合理的工作參數配置。




  1離散單元法與球磨機工作參數

  1.1離散單元法

  離散單元法(DEM)是一種適合用于散體運動仿真的數值計算方法,離散單元法最早由Cundall和Strack提出并用于巖土力學的研究,DEM的基本思路是利用顆粒接觸模型計算相互接觸單元間的受力并利用牛頓第二運動定律求解顆粒的運動參量,在球磨機的DEM建模中,一般采用彈簧阻尼接觸模型來面熟研磨介質的接觸行為

  在該模型中,接觸單元間的重疊量和顆粒法向速度共同決定了法向力;切向力則由切向速度在碰撞過程上的積分決定.球磨機內的介質在筒體內不斷地進行碰撞和分離,要求算法能在極短的時間內檢測到介質顆粒間的接觸并計算各顆粒通過接觸傳遞的力.DEM方法采用一種網格算法周期性地檢測所有接觸并將單元間的位置關系保存在接觸表列中以便高效有序地計算出各顆粒單元的接觸力.在某一時刻,,顆粒P1的接觸力和力矩可以由接觸模型求得.在微小的時間間隔dt里對顆粒的力學方程連續積分即可求出顆粒P1,當時的速度與位移參量.在接下來的時刻 t + dt,根據前一時刻顆粒P1,的位置坐標判斷舊接觸的脫離與新接觸的產生,從而回到接觸判斷計算新的接觸力并返回力學方程進行迭代.將上述算法遍歷整個系統中每一個顆粒單元,最后通過后處理程序輸出系統的動力學數據并動態顯示顆粒系統的總體運動狀態.



  1 . 2 球磨機工作參數

  球磨機的工作參數大致可以分為結構參數、操作參數和研磨體參數等.對于同種型號的球磨機,各類工作參數相互影響并同時作用于磨機使其研磨介質的運動形態發生變化.球磨機相關工作參數的關聯性可以用圖2表示.




  由圖2可知,通過設定不同的工作參數, DEM模型能模擬出不同參數條件下介質的運動形態.通過調整相關聯的下作參數,介質的運動形態能夠發生相應的變化,在這樣的調試過程中,模型能夠找到更優化的參數設置和能產生更好研磨效果的參數配合.



  2 工作參數的離散元仿真分析與改進

  2 . 1 球磨機DEM仿真模型

  本文以φ3.5m×10.0m的工業球磨機為原型建立離散元法仿真模型.該模型將磨機筒體抽象為具有材料特性的圓柱體,其內壁上固定有一定數量的襯板條.截取其中一段(原長度的1/10)作為介質動.力學求解的邊界筒體內介質顆粒抽象為具有材料特性與尺寸參數的離散單元,其球徑分布在50~90 mm之間.其他模型參數見表l,初始化模型如圖3所示.



  


  2.2介質運動分析

  各工作參數的變化直接影響著介質的運動形態態,首先建立實驗對照組A:介質填充率為3  0%的磨機分別在轉速率N為30%、 70%和110 % (臨界轉速約為22.6r/min)的情況下運行10s后達到動態平衡,如圖4所示.從中可以觀察到,轉速率的變化可以明顯影響到介質的運動形態.當轉速率 N = 30%時,介質系統主要作泄落運動,運行在此種狀態下的球磨機對物料起研磨作用.當轉速率達到70%時價質系統的拋落運動可以對物料進行沖擊和粉碎.隨轉速的增大,顆粒體被提升到更高的脫離點,當轉速接近臨界轉速,最外層的顆粒開始貼附于襯板作離心運動.然后設定實驗對照組B:磨機轉速率為70 % , 分別在介質填充率, φ=30%、40%和50%的情況下運行10s后達到動態平衡,如圖5所示.從中可以觀察到:當中較小時有介質被提升到更高的脫離點,磨內拋落運動強烈;隨著φ的增加,磨內腎形區的研磨作用增大.




  由仿真過程可知,隨著設定的工作參數的變化,介質運動形態發生了明顯改變.當N= 60%~70 %, φ=30% ~40%時,這樣的參數配合使研磨介質的動態分布既保證了必需的沖擊破碎力,又使處于最外層部分的介質得到充分拋落,有利于磨機功率的合理利用與襯板磨耗率的降低.這些分析結果與理論描述基本相同.

  

  2.3功率分析

  影響球磨機功率消耗的因素很多,這里主要在φ=30%的情況下分析顆粒與筒體襯板間的摩擦系數f=0.7和f=0.25時,轉速n對磨機功率消耗的影響.從A組仿真實驗中,仿真模型得到筒體與各襯板提升條的功率數據,將筒體與各襯板提升條的功率疊加后取平均值即為球磨機的粉磨功率或者有用功率.在不同轉速率的情況下,有用功率對轉速的變化情況如圖6所示.由圖6可知,DEM模型的仿真結果與實驗測量結果非常接近,所以球磨機 DEM模型的有效性得到了初步的驗證.在轉速率N=75%之前,磨機的理論、實測和仿真功率結果均表明磨機功率隨轉速率的增加而增加,其中理論功率值幾乎與轉速呈線性關系.但是實測和仿真功率卻出現了功率增加率的降低,當N>90%時,磨機功率發生銳減.同時可以觀察到在N=75%之前,f= 0.25的介質系統與 f=0.7的介質系統具有基本相同的功率變化規律,但是N>75%后,f=0.25的介質系統反而具有了更高的功率消耗.這些現象可能與筒體內介質系統的動態不平衡性有關,由仿真模型求解的功率數據,可以用于進一步探尋球磨機高能量消耗的內部機理.


  2.4改進磨機結構的設計

DEM仿真模型除了能對諸如磨機轉速率、介質填充率等工作參數進行合理優化分析外,它還能對球磨機的結構,特別是對提升條輪廓形狀的設計提供改進參考.以上就是全部內容,更多有關球磨機設備的知識請咨詢河南省杜甫機械廠家專業人員。




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