CN110020496A - 基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法，包括以下步骤：计算前期准备，导出.XT格式，计算磨机转10圈的时间t0；设定材料属性参数；设定颗粒模型；导入几何体，并设置其边界、材料及类型，设定其按磨机转速及转向做旋转运动；计算颗粒数量，设置颗粒生成地点、方式及数量；观察是否有颗粒溢出几何体边界；观察时间‑平均速度曲线，找到基本稳定的点对应的时间；观察物料的运动轨迹、提取物料的平均速度、最大速度及筒体消耗的功率；对多个不同的衬板截面形状进行对比，选定衬板结构。优点是：能在磨机衬板生产之前，有效比较对应衬板的磨矿性能。

Description

基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法

技术领域

本发明涉及磨矿技术领域，尤其是涉及一种半自磨机衬板结构设计方法。

背景技术

磨机在作业时能源消耗高，其衬板在生产中投入占比大。现行磨机衬板设计主要依靠经验设计，模拟方法只是从物料运动轨迹上进行粗略的比对而判断物料是否砸衬板。该方法只能以磨机衬板在提升物料后物料下落是否砸衬板进行判断，不能定性分析出磨机衬板的性能优劣。

发明内容

本发明的目的是提供一种半自磨机衬板结构设计方法，它具有能在磨机衬板生产之前，有效比较对应衬板的磨矿性能的特点。

本发明所采用的技术方案是：

基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法，包括以下步骤：

S1、计算前期准备，包括：根据磨机填充率计算装球数量、磨机筒体衬板三维模型去除装配间隙并对体进行求和并导出.XT格式，计算磨机转10圈的时间t0，t0＝10×60/n，n为磨机转速；

S2、根据实际磨矿中钢球、矿石及衬板的材料特性参数设定材料属性参数；

S3、根据磨机填充的钢球的直径及给矿的颗粒级配比例设定颗粒模型；

S4、导入几何体，并设置其边界、材料及类型，并设定其按磨机转速及转向做旋转运动；

S5、由公式其中V_总为磨机总的填充体积m³；pp_i为对应的颗粒的级配比例；V_i为对应的单个颗粒的体积m³；λ为孔隙率，计算颗粒数量，然后设置颗粒生成地点、方式及数量；

S6、设置模拟步长为20％～30％瑞利步长，计算总时间3秒，设置Cell Size为2Rmin～3Rmin；

S7、启动模拟；

S8、观察是否有颗粒溢出几何体边界，如果有颗粒溢出，则将模拟置于0秒，减小瑞利步长，重复S7和S8步骤，直到没有颗粒溢出；

S9、设置计算时间为：t0+2秒；

S10、启动模拟，模拟完成后提取颗粒平均速度，形成时间-平均速度曲线；

S11、观察时间-平均速度曲线，找到平均速度开始在±0.1m/s波动的点对应的时间t1；

S12、设置计算时间为t0+t1+2秒，启动模拟；

S13、观察物料的运动轨迹、提取物料的平均速度、最大速度及筒体消耗的功率；

S14、把几何体更改成需要对比的磨机筒体结构，保持其他参数不变，再进行模拟，观察物料的运动轨迹、提取物料的平均速度、最大速度及筒体消耗的功率；

S15、对多个不同的衬板截面形状进行对比，找出物料落点不砸衬板，并且平均速度及最大速度大、筒体消耗功率低的衬板形状作为选定的衬板结构。

本发明和现有技术相比所具有的优点是：能在磨机衬板生产之前，有效比较对应衬板的磨矿性能。本发明的基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法能够预测物料在磨机中的运行轨迹及落点，尤其是模拟可及时发现砸衬板、夹球等不合理现象。根据物料在不同磨机衬板中运动稳定状态下的平均速度的对比，得出物料的碰撞活跃度及相互碰撞的能量的大小。对比最大速度，得出物料下落的最大高度，判断衬板的“碎矿”能力。通过对比优化，即可设计出最优的磨机衬板，使其具有磨矿性能好的特点。经实际验证，利用本发明的方法，分析不同的衬板截面形状，得到的数据与磨机的现场使用情况一致，验证了这种方法的有效性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1和图2分别是本发明的实施例2和实施例3的基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法的步骤S10中形成的时间-平均速度曲线曲线；

图3和图4分别是本发明的实施例2和实施例3的基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法的步骤S13中的运动轨迹图；

图5-1及图5-2是本发明的实施例2的基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法的模拟出的衬板截面图；

图5-1-1是图5-1的D部放大图；

图5-2-1是图5-2的E部放大图；

图6-1、图6-2和图6-3是本发明的实施例3的基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法的模拟出的衬板截面图；

图6-1-1是图6-1的A部放大图；

图6-2-1是图6-2的B部放大图；

图6-3-1是图6-3的C部放大图。

图7是本发明的设计框图。

具体实施方式

实施例1

结合图7所示，基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法，包括以下步骤：

S1、计算前期准备，包括：根据磨机填充率计算装球数量、磨机筒体衬板三维模型去除装配间隙并对体进行求和并导出.XT格式，计算磨机转10圈的时间t0。t0＝10×60/n。n为磨机转速，转速单位为rpm。在采用离散元的方式进行设计时，发现传统未予关注的模拟时间的设定，对设计的优化效果影响较大。若按照传统方式，直接选取不小于或者在16s左右，且趋向于增加，则效果不佳。本实施例中，仅计算10圈而不是小于10圈或大于10圈的时间，会极大提高设计和现实使用的接近程度。原因在于设计中颗粒数目多，故而t0选取时较小的变化即会对结果影响较大。同时，当选取较多的圈数时，会极大影响计算速度。

S2、根据实际磨矿中钢球、矿石及衬板的材料特性参数设定材料属性参数。

S3、根据磨机填充的钢球的直径及给矿的颗粒级配比例设定颗粒模型。

S4、导入几何体，并设置其边界、材料及类型，并设定其按磨机转速及转向做旋转运动。

S5、由公式其中V_总为磨机总的填充体积m³；pp_i为对应的颗粒的级配比例；V_i为对应的单个颗粒的体积m³；λ为孔隙率，计算颗粒数量，然后设置颗粒生成地点、方式及数量；

S6、设置模拟步长为20％～30％瑞利步长，计算总时间3秒，设置Cell Size为2Rmin～3Rmin。其中，实际设计中发现和证明，设置模拟步长为20％～30％瑞利步长主要原因在于若步长过大，颗粒会溢出几何体；太小则计算花费时间过长。经反复测试，对于大多数情况而言，颗粒刚好不溢出几何体的模拟步长在20％～30％瑞利步长的范围内。

S7、启动模拟。

S8、观察是否有颗粒溢出几何体边界，如果有颗粒溢出，则将模拟置于0秒，减小瑞利步长，重复S7和S8步骤，直到没有颗粒溢出。

S9、设置计算时间为：t0+2秒。

S10、启动模拟，模拟完成后提取颗粒平均速度，形成时间-平均速度曲线。

S11、观察时间-平均速度曲线，找到平均速度开始在±0.1m/s波动的点对应的时间t1。在此时，物料运动趋于稳定。

S12、设置计算时间为t0+t1+2秒，启动模拟。

S13、观察物料的运动轨迹、提取物料的平均速度、最大速度及筒体消耗的功率。

S14、把几何体更改成需要对比的磨机筒体结构，保持其他参数不变，再进行模拟，观察物料的运动轨迹、提取物料的平均速度、最大速度及筒体消耗的功率；

S15、对多个不同的衬板截面形状进行对比，找出物料落点不砸衬板，并且平均速度及最大速度大、筒体消耗功率低的衬板形状作为选定的衬板结构。在不能同时满足前述条件时，优先考虑平均速度及最大速度大的结构。

更具体的解释是：

步骤S6中，设置模拟时间步长以及模拟时间的原则为：模拟时间步长过小，计算时间比较长；模拟时间步长过大，颗粒会溢出几何体，最恰当的模拟步长是颗粒刚好不溢出几何体的临界步长；模拟时间过短，颗粒运动状态不稳定，导致提取的数据不准确，而延长模拟时间，计算花费时间随之延长并且所需要的空间也急剧增加，故需要寻找一个恰当的模拟时间。观察运动轨迹时，存在一个最恰当的脱离角，此脱离角下物料提升高度最大，冲击破碎的作用最明显。数据分析中，比较平均速度：代表颗粒的整体活跃度，及冲击能量的大小；比较最大速度：颗粒的最大提升高度；筒体消耗的功率：比较相同状况下，磨机消耗功率的情况。仅当设置Cell Size为2Rmin～3Rmin时，划分网格大小极佳。即，网格越小，数据越准确，但计算时间越长。

在结论分析时，若改造后效果比原金属更好，主要表现在颗粒总体平均速度变大、冲击功变大、被提升的最大高度变高、消耗功率减小。

下面，以具体的设计实例，进一步予以说明。

实施例2

结合图7所示，以基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法，对某7.5x3.2半自磨机衬板进行优化改造。

包括以下步骤：

S1、计算前期准备，包括：根据磨机填充率计算装球数量、磨机筒体衬板三维模型去除装配间隙并对体进行求和并导出.XT格式，计算磨机转10圈的时间t0。t0＝10×60/n，n为磨机转速。即，n为11.7rpm，计算磨机转10圈的时间t0为51.28秒。

其中，磨机填充率为：23％，由公式其中V_总为磨机总的填充体积m³；pp_i为对应的颗粒的级配比例；V_i为对应的单个颗粒的体积m³；λ为孔隙率，计算颗粒数量，然后设置颗粒生成地点、方式及数量；其中，v_总为41m³；λ为0.58，生成地点为圆柱体的颗粒工厂、方式为初始速度为水平向下4m/s。

表1：

磨机筒体衬板三维模型去除装配间隙并对体进行求和并导出.XT格式，所导出的.XT格式。

S2、根据实际磨矿中钢球、矿石及衬板的材料特性参数设定材料属性参数，具体见表2。

表2：

材料	泊松比	弹性模量(Pa)	密度(KG/M3
				金属	0.3	7.8E+08	7850
矿石	0.25	7.55E+07	2930
				interaction	金属-金属	金属-矿石	矿石-矿石
恢复系数	0.4	0.35	0.4
				静摩擦系数	0.35	0.35	0.3
滚动摩擦系数	0.009	0.009	0.009

S3、根据磨机填充的钢球的直径及给矿的颗粒级配比例设定颗粒模型。

其中，磨机填充的钢球的直径见表1。

S4、导入几何体，并设置其边界、材料及类型，并设定其按磨机转速及转向做旋转运动。

其中，材料为表2中的金属材料。

S6、设置模拟步长为20％瑞利步长，计算总时间3秒，设置Cell Size为2Rmin。需要注意的是，此处设置的20％等具体数值只是设置了一个初值，并不代表最终的设置值。

S7、启动模拟。

S8、观察是否有颗粒溢出几何体边界，如果有颗粒溢出，则将模拟置于0秒，减小瑞利步长，重复S7和S8步骤，直到没有颗粒溢出。

S9、设置计算时间为：t0+2秒。

S10、启动模拟，模拟完成后提取时间-平均速度，并做时间-平均速度曲线，具体见图1。

S11、观察时间-平均速度曲线，找到平均速度开始在±0.1m/s波动的点对应的时间t1。

S12、设置计算时间为t0+t1+2秒，启动模拟。

S13、观察物料的运动轨迹、提取物料的平均速度、最大速度及筒体消耗功率，结果见图3和表3。

S14、把几何体更改成需要对比的磨机筒体结构，保持其他参数不变，再进行模拟，观察物料的运动轨迹、提取物料的平均速度、最大速度及筒体消耗的功率结果见图3和表3；

表3：

S15、对多个不同的衬板截面形状进行对比，找出物料落点不砸衬板，并且平均速度及最大速度大的衬板形状作为选定的衬板结构。设计好的衬板的截面图见图5-1、图5-1-1和图5-2、图5-2-1所示。

经实施例2改造后比原金属衬板提升的颗粒轨迹靠前，物料刚好落在料趾处，恰好没有砸衬板。在数据方面，改造后的衬板比原金属衬板相比，颗粒的平均速度及最大速度都增大了。故改造后的衬板的磨矿性能优于原金属衬板。

在实际使用时得到的现场情况是衬板改造后比原金属衬板消耗功率下降5％，表明改造后的衬板的磨矿性能优于原金属衬板，与模拟分析结果一致。

实施例3

以基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法，对某6.4x3.3半自磨机衬板进行优化改造。

包括以下步骤：

S1、计算前期准备，包括：根据磨机填充率计算装球数量、磨机筒体衬板三维模型去除装配间隙并对体进行求和并导出.XT格式，计算磨机转10圈的时间t0。t0＝10×60/n，n为磨机转速。即，n为13.2rpm，计算磨机转10圈的时间t0为45.45秒。

其中，磨机填充率为：28％，由公式其中V_总为磨机总的填充体积m³；pp_i为对应的颗粒的级配比例；V_i为对应的单个颗粒的体积m³；λ为孔隙率，计算颗粒数量，然后设置颗粒生成地点、方式及数量；其中，v_总为29.18m³；λ为0.52，生成地点为圆柱体的颗粒工厂、方式为初始速度为水平向下4m/s。

表4：

磨机筒体衬板三维模型去除装配间隙并对体进行求和并导出.XT格式，所导出的.XT格式。

S2、根据实际磨矿中钢球、矿石及衬板的材料特性参数设定材料属性参数，具体见表5。

表5：

S3、根据磨机填充的钢球的直径及给矿的颗粒级配比例设定颗粒模型。

其中，磨机填充的钢球的直径见表4。

S4、导入几何体，并设置其边界、材料及类型，并设定其按磨机转速及转向做旋转运动。

其中，材料为表5中设置的金属。

S6、设置模拟步长为25％瑞利步长，计算总时间3秒，设置Cell Size为3Rmin。同样，此处设置的25％等具体数值只是设置了一个初值，并不代表最终的设置值。

S7、启动模拟。

S8、观察是否有颗粒溢出几何体边界，如果有颗粒溢出，则将模拟置于0秒，减小瑞利步长，重复S7和S8步骤，直到没有颗粒溢出。

S9、设置计算时间为：t0+2秒。

S10、启动模拟，模拟完成后提取时间-平均速度，并做时间-平均速度曲线，具体见图2。

S11、观察时间-平均速度曲线，找到平均速度开始在±0.1m/s波动的点对应的时间t1。

S12、设置计算时间为t0+t1+2秒，启动模拟。

S13、观察物料的运动轨迹、提取物料的平均速度、最大速度及总能量，结果见图4和表6。

S14、把几何体更改成需要对比的磨机筒体结构，保持其他参数不变，再进行模拟，观察物料的运动轨迹、提取物料的平均速度、最大速度及筒体消耗的功率结果见图4和表6；

表6：

S15、对多个不同的衬板截面形状进行对比，找出物料落点不砸衬板，并且平均速度及最大速度大的衬板形状作为选定的衬板结构。设计好的衬板的截面图见图6-1、图6-1-1和图6-2、图6-2-1以及图6-3、图6-3-1所示。

经实施例3改造的衬板磨矿效果比原金属更差，主要表现在颗粒总体平均速度变小，冲击功变小，被提升的最大高度略低，料层略厚；改造2效果比原金属更好，表现在颗粒的总体平均速度变大，冲击功变大，料层更薄。

在实际使用时得到的现场情况是衬板改造1比原金属衬板处理量下降5％，即比原金属磨矿磨矿性能差，衬板改造2在耐磨矿增加的情况下，处理量保持与原金属的相同，即衬板改造2比原金属磨矿性能好。现场使用结构与模拟分析结果一致。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.基于离散元的半自磨机衬板结构设计方法，包括以下步骤：

S1、计算前期准备，包括：根据磨机填充率计算装球数量、磨机筒体衬板三维模型去除装配间隙并对体进行求和并导出.XT格式，计算磨机转10圈的时间t0，t0＝10×60/n，n为磨机转速；

S2、根据实际磨矿中钢球、矿石及衬板的材料特性参数设定材料属性参数；

S3、根据磨机填充的钢球的直径及给矿的颗粒级配比例设定颗粒模型；

S4、导入几何体，并设置其边界、材料及类型，并设定其按磨机转速及转向做旋转运动；

S5、由公式其中V_总为磨机总的填充体积m³；pp_i为对应的颗粒的级配比例；V_i为对应的单个颗粒的体积m³；λ为孔隙率，计算颗粒数量，然后设置颗粒生成地点、方式及数量；

S6、设置模拟步长为20％～30％瑞利步长，计算总时间3秒，设置Cell Size为2Rmin～3Rmin；

S7、启动模拟；

S8、观察是否有颗粒溢出几何体边界，如果有颗粒溢出，则将模拟置于0秒，减小瑞利步长，重复S7和S8步骤，直到没有颗粒溢出；

S9、设置计算时间为：t0+2秒；

S10、启动模拟，模拟完成后提取颗粒平均速度，形成时间-平均速度曲线；

S11、观察时间-平均速度曲线，找到平均速度开始在±0.1m/s波动的点对应的时间t1；

S12、设置计算时间为t0+t1+2秒，启动模拟；

S13、观察物料的运动轨迹、提取物料的平均速度、最大速度及筒体消耗的功率；

S14、把几何体更改成需要对比的磨机筒体结构，保持其他参数不变，再进行模拟，观察物料的运动轨迹、提取物料的平均速度、最大速度及筒体消耗的功率；

S15、对多个不同的衬板截面形状进行对比，找出物料落点不砸衬板，并且平均速度及最大速度大、筒体消耗功率低的衬板形状作为选定的衬板结构。