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机电君：最近摸索粒子仿真，故找一个案例分享，仅抛砖引玉，为大家提供多一个思路，软件。案例做了什么：高压辊磨机的粉碎过程是通过高压慢速压缩颗粒床来实现的。案例运用离散元仿真技术来分析高压辊磨机粉碎效果的各相关因素。即对高压辊磨机的工作原理及粉碎过程进行了简要介绍，采用基于离散元仿真方法的Rocky软件，通过正交试验，定量分析辊轮转速、辊轮间隙以及入料粒径对高压辊磨机粉碎效果的影响，主要包括辊轮受力、平均破碎比、矿石与辊轮的能量耗散。1 工作原理高压辊磨机的结构如图1所示，主要包括机架、定辊、动辊、施压装置、传动装置和给料装置。高压辊磨机的机架是支撑整个设备的主体结构，承载着辊子、压力系统等部件。定辊和活动辊之间形成一个研磨区域，在它们的相对转动下使物料受到挤压、变形和粉碎。液压系统一方面用于控制活动辊的位置以实现物料的粉碎，另一方面能缓冲过载情况，保护设备。物料从物料仓进入高压辊磨机，在重力和辊面摩擦的作用下通过辊隙被压缩并破碎。被磨细的物料最后从高压辊磨机的两个辊子下方排出。图 1 高压辊磨机结构2 Rocky-DEM 仿真处理2.1 导入仿真模型与参数设定选用某型号高压辊磨机，辊轮直径1400mm，辊宽1100mm，静态辊隙 21mm。辊子表面装有钢钉，钢钉直径为50mm，长度为30mm。简化后的3D模型如图 2所示。图 2 高压辊磨机简化模型图在3D软件中将该仿真模型另存为STL文件，导入Rocky中，进行前处理，仿真流程图如图3所示。图 3 仿真流程图本次仿真以铁矿石作为颗粒材料，高压辊磨机选用钢材。表 1、表 2 分别为材料相关力学参数和接触参数，这些参数是基于里约热内卢联邦大学路易斯·马塞洛·塔瓦雷斯教授对中试规模高压辊磨机进行 DEM 仿真研究的标定结果。表 1 材料相关力学参数表 2 材料接触参数2.2 破碎模型的选用目前Rocky中有两种用于模拟颗粒破碎的模型：Ab-T10破碎模型和 Tavares破碎模型。Ab-T10模型将每个粒子视为单独的实体，当粒子受到定义的动能值时，会立即转化为碎片，更适合于一些需要快速破碎的场景。而Tavares 破碎能模型主要基于破碎能来描述单颗粒的破碎过程，当冲击能大于破碎能时，物料便发生破碎。该模型捕获了粒子碰撞期间发生的各种体破损机制，详细描述了脆性材料断裂机制的适应性，并解释了断裂概率的可变性和尺寸依赖性，而且能方便地对破碎后的颗粒进行粒径分布分析、计算平均破碎比等后处理，直观地展示破碎效果。Tavares破碎模型原理如图4所示。图 4 Tavares 破碎原理图参考罗德里格斯等校核的Tavares破碎模型参数来定义物料的破碎参数，具体破碎参数如表3所示。表中E50为破碎能量分布的中值。表 3 Tavares 破碎模型参数2.3 平均破碎比计算平均破碎比可以反映物料在破碎过程中粒度变化的平均程度，是评估高压辊磨机破碎效果的关键指标之一。而中值粒径d50，即将颗粒划分为体积或质量均等的两部分时所对应的粒径，mm，常作为一个特征值表示颗粒样品平均粒径。d50可通过罗逊-拉姆勒（Rosin-Rammler）函数计算得出，该函数通常应用于描述颗粒粒径的分布情况，具体形式如下：则高压辊磨机的理论平均破碎比 i 为：式中，D50和d50分别表示破碎前后累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径，mm。3 正交试验模拟方案与极差分析3.1 正交试验模拟方案的确定本案例通过正交试验方法，考虑影响因素：辊轮转速（A）、辊轮间隙（B）以及入料粒径（C）。每个因素选取三个水平，因素水平表如表4所示，正交试验与模拟结果表如表5所示，为评估高压辊磨机的粉碎效果，主要从辊轮平均受力、平均破碎比以及矿石与辊轮平均能量耗散这三个方面进行分析。表 4 正交试验因数水平表表 5 正交试验表与模拟结果以下是一组仿真试验0.5~0.8 s 的破碎过程图，直观展示了破碎效果和颗粒粒径大小。（a）0.5 s 破碎仿真图（b）0.6 s 破碎仿真图（c）0.7 s 破碎仿真图（d）0.8 s 破碎仿真图3.2 正交试验极差分析表6展示了基于表5中正交试验模拟结果计算得出的辊轮平均受力极差分析。其中，Ki代表i水平对应的试验指标总和，ki则为Ki的平均值。由表 6 可知，以辊轮的平均受力为试验指标，因素重要性顺序为：B>A>C，即辊轮间隙影响最大，辊轮转速次之，入料粒径影响最小。由此得出的最优解为A1B3C1，即辊轮转速30r/min(A1)，辊轮间隙25mm(B3)，入料粒径为 55 mm(C1)。表 6 辊轮平均受力极差分析表根据正交试验模拟结果，得到矿石平均破碎比极差分析表如表7所示：表 7 破碎比极差分析表由表7可知，以矿石平均破碎比为试验指标，因素重要性顺序为：C>A>B，即入料粒径影响最大，辊轮转速次之，辊轮间隙影响最小。由此得出的最优解为A2B1C3，即辊轮转速45 r/min(A2)，辊轮间隙21 mm(B1)，入料粒径为65mm(C3)。由正交试验模拟结果计算得到矿石与辊轮平均能量耗散极差分析表如表8 所示。由表8可知，以矿石与辊轮平均能量耗散为试验指标，因素重要性顺序为：B>A>C，即辊轮间隙影响最大，辊轮转速次之，入料粒径影响最小。由此得出的最优解为A3B1C3，即辊轮转速60r/min(A3)，辊轮间隙 21mm(B1)，入料粒径为65 mm(C3)。表 8 矿石与辊轮平均能量耗散极差分析表4 单因素对矿石破碎效果的影响4.1 辊轮转速对破碎效果的影响为研究辊轮转速对矿石破碎效果的影响，选取30、45、60r/min 三组不同转速进行分析对比，辊轮间隙为21mm，入料粒径为65 mm。在以上参数条件下进行模拟仿真，得到模拟结果如表9所示，不同辊轮转速下矿石破碎次数随时间变化，矿石破碎后粒径分布如图6、7 所示。由表9与图6可知，矿石破碎总数、总破碎次数、平均破碎比大小随着辊轮转速的增加而减小；辊轮平均受力随着辊轮转速的增加而增加；矿石与辊轮平均能量耗散、矿石与矿石平均能量耗散随着辊轮转速的增加而增加。这表明在辊轮间隙和入料粒度保持相同的状态下，辊轮转速提高，矿石与辊轮、矿石与矿石间产生的无用功都增加，且增量较大，对平均破碎比的下降有直接影响。由图7可以看出不同辊轮转速下矿石破碎后的粒径分布状态，辊轮转速在30r/min 时的破碎效果最好。图 6 不同辊轮转速下矿石破碎次数随时间变化图图 7 不同辊轮转速下矿石破碎后粒径分布表 9 不同辊轮转速下各试验指标结果表4.2 辊轮间隙对破碎效果的影响为研究辊轮间隙对矿石破碎效果的影响，选取21、23、25mm三组不同辊轮间隙进行分析对比，辊轮转速为30r/min，进料粒度为65mm。在以上参数条件下进行模拟仿真，得到模拟结果如表10所示。不同辊轮间隙下矿石破碎次数随时间变化以及矿石破碎后粒径分布如图8、9所示。由表10与图8，辊轮平均受力、平均破碎比大小、总破碎次数、矿石破碎总数随辊轮间隙的增加而减小；矿石与辊轮、矿石与矿石平均能量耗散随辊轮间隙的增加而减小。这表明在辊轮转速、入料粒度保持相同状态下，辊轮间隙变大，矿石与辊轮、矿石与矿石间产生的无用功相对减少，对于破碎比的影响并不明显。由图9可以看出不同辊轮间隙下矿石破碎后的粒径分布状态，辊轮间隙在21mm时的破碎效果最好。图 8 不同辊轮间隙下矿石破碎次数随时间变化图图 9 不同辊轮间隙下矿石破碎后粒径分布表 10 不同辊轮间隙下各试验指标结果4.3 入料粒径对破碎效果的影响为研究入料粒径对矿石破碎效果的影响，选取55、60、65mm 三组不同入料粒径进行分析对比，辊轮转速为30r/min，辊轮间隙为21mm。在以上参数条件下进行模拟仿真，得到模拟结果如表11所示。不同入料粒径下矿石破碎次数随时间变化以及矿石破碎后粒径分布如图10、11所示。由表11与图10可知，辊轮平均受力、平均破碎比大小随着入料粒径的增加而减小；总破碎次数、矿石破碎总数随着入料粒径的增加而增大；矿石与辊轮平均能量耗散随着入料粒径的增加而增加；矿石与矿石平均能量耗散随着入料粒径的增加而减小。这表明在辊轮转速、辊轮间隙保持相同的状态下，随着入料粒径的增加，矿石与辊轮之间作用产生的无用功增加，矿石与矿石之间作用产生的无用功减少，对于平均破碎比的影响并不明显。由图11可以看出不同入料粒径下矿石破碎后的粒径分布状态，入料粒径在 65 mm 时的破碎效果最好。图 10 不同入料粒径下矿石破碎次数随时间变化图图 11 不同入料粒径下矿石破碎后粒径分布表 11 不同入料粒径下各试验指标结果5 结论1）影响辊轮平均受力的因素重要性顺序为：辊轮间隙>辊轮转速>入料粒径；影响矿石平均破碎比的因素重要性顺序为：入料粒径>辊轮转速>辊轮间隙；影响矿石与辊轮平均能量耗散的因素重要性顺序为：辊轮间隙>辊轮转速>入料粒径。即辊轮间隙对辊轮平均受力及矿石与辊轮平均能量耗散的影响最大，而入料粒径对平均破碎比的影响最大。 2）辊轮间隙和入料粒径一定时，分析对比30、45、60r/min 三组不同转速，得出辊轮转速在30r/min 时的破碎效果最好，矿石与辊轮、矿石与矿石的平均能量耗散对于破碎效果有直接影响；辊轮转速和入料粒径一定时，分析对比21、23、25mm 三组不同间隙，得出辊轮间隙在21mm时的破碎效果最好；辊轮间隙和辊轮转速一定时，分析对比55、60、65mm三组不同粒径，得出入料粒径在65mm时的破碎效果最好。分析对比三组单因素试验，确定辊轮转速30r/min、辊轮间隙21mm、入料粒径65mm 时，破碎效果最佳，平均破碎比为2.77。 （想知道如何操作，可看下篇，有简单案例操作）网络整理，仅限内部分享，禁止商用公众 号：机电君来源：机电君