CN113468681B - 一种球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，属于选矿设备技术领域。所述方法包括：确定需要优化的弧形衬板腔型参数，分别建立不同腔型参数下的衬板模型，对建立的各衬板模型分别进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定腔型参数的最优取值；对弧形衬板迎矿面一侧进行增厚，分别建立不同增厚值下的衬板模型，对建立的不同增厚值下的衬板模型进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定迎矿面最佳增厚值。采用本发明，能够在平衡球磨机的破碎效率及磨损速率的同时，延长衬板使用寿命。

Description

一种球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法
技术领域
本发明涉及选矿设备技术领域，特别是指一种球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法。
背景技术
球磨机是利用钢球作为磨矿介质进行粉碎的设备，其结构简单、性能稳定、破碎比大(3～100)，既可湿磨又可干磨，可用于处理各种矿物原料，适应性强，易于实现自动化控制。在矿石加工、火力发电等行业中，常使用衬板来缓解球磨机的磨损，但由于球磨机衬板的工作环境、受力情况复杂及球磨衬板的性能低下将会导致球磨机衬板工作失效，造成巨大的经济损失。选矿高成本的问题一直困扰着企业，其中衬板的消耗占有极为显著的位置。
相比于老式的矿山球磨机所采用的高低形衬板，弧形衬板具有安装方式简单、更换方便和衬板残体剩余少的优势。但实际使用过程中弧形衬板的磨损消耗依然十分严重，会大大缩短衬板的使用寿命。
发明内容
本发明实施例提供了球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，能够在平衡球磨机的破碎效率及磨损速率的同时，延长衬板使用寿命。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，包括：
确定需要优化的弧形衬板腔型参数，分别建立不同腔型参数下的衬板模型，对建立的各衬板模型分别进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定腔型参数的最优取值；
对弧形衬板迎矿面一侧进行增厚，分别建立不同增厚值下的衬板模型，对建立的不同增厚值下的衬板模型进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定迎矿面最佳增厚值。
进一步地，在确定弧形衬板腔型参数之前，所述方法包括：
获取球磨机工艺参数及运行参数。
进一步地，所述工艺参数包括：球磨机的筒体直径和轴向长度、磨球的直径、矿料的平均粒径以及衬板、磨球和矿料的材料属性参数；
其中，所述材料属性参数包括：材料密度、杨氏模量和泊松比。
进一步地，所述运行参数包括：球磨机的转速、磨球填充率及矿料填充率。
进一步地，所述确定需要优化的弧形衬板腔型参数包括：
确定对球磨介质运动状态及衬板表面接触能影响大的弧形衬板腔型参数；
其中，确定的弧形衬板腔型参数包括：弧形衬板波峰-波谷高度差和波峰间宽度。
进一步地，所述分别建立不同腔型参数下的衬板模型，对建立的各衬板模型分别进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定腔型参数的最优取值包括：
分别建立波峰间宽度取不同值时的衬板模型；
将建立的波峰间宽度取不同值时的衬板模型、球磨机工艺参数及运行参数导入离散元分析软件中，由离散元模拟分析软件进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定波峰间宽度最优值；
当波峰间宽度取最优值时，分别建立波峰-波谷高度差取不同值时的衬板模型；
将建立的波峰-波谷高度差取不同值时的衬板模型、球磨机工艺参数及运行参数导入离散元分析软件中，由离散元模拟分析软件进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定波峰-波谷高度差的最优值。
进一步地，所述由离散元模拟分析软件进行离散元仿真分析包括：
在离散元分析软件中添加颗粒，为衬板模型添加转速，并根据实际情况，添加衬板、磨球和矿料的材料属性参数，并为衬板、磨球和矿料之间添加交互作用系数；
离散元模拟分析软件根据磨球填充率及矿料填充率计算出磨球数量和矿料数量，建立颗粒工厂用以生成相应数量的球磨介质；
设置仿真时间步长和仿真时间并启动模拟。
进一步地，所述对弧形衬板迎矿面一侧进行增厚包括：
根据衬板累计接触能的分布趋势，对弧形衬板迎矿面一侧进行增厚。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例中，为了提高弧形衬板的使用寿命，通过离散元仿真分析，优化弧形衬板腔型参数，同时为了进一步延长衬板的使用寿命，对弧形衬板迎矿面一侧进行增厚，并通过离散元仿真分析，得到迎矿面最佳增厚值，以达到平衡球磨机的破碎效率及磨损速率，并延长衬板使用寿命和提高经济效益的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的衬板模型尺寸示意图；
图3为本发明实施例提供的衬板模型示意图；
图4为本发明实施例中30个波峰仿真模拟运动轨迹图；
图5为本发明实施例中40个波峰仿真模拟运动轨迹图；
图6为本发明实施例中50个波峰仿真模拟运动轨迹图；
图7为本发明实施例中60个波峰仿真模拟运动轨迹图；
图8为本发明实施例中80个波峰仿真模拟运动轨迹图；
图9为本发明实施例中波峰-波谷高度差为40mm仿真模拟运动轨迹图；
图10为本发明实施例中波峰-波谷高度差为60mm仿真模拟运动轨迹图；
图11为本发明实施例中波峰-波谷高度差为80mm仿真模拟运动轨迹图；
图12为本发明实施例中波峰-波谷高度差为100mm仿真模拟运动轨迹图；
图13为本发明实施例中衬板迎矿面增厚示意图；
图14为本发明实施例中衬板迎矿面增厚1mm仿真模拟运动轨迹图；
图15为本发明实施例中衬板迎矿面增厚2mm仿真模拟运动轨迹图；
图16为本发明实施例中衬板迎矿面增厚3mm仿真模拟运动轨迹图；
图17为本发明实施例中衬板迎矿面增厚5mm仿真模拟运动轨迹图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，包括：
S101，确定需要优化的弧形衬板腔型参数，分别建立不同腔型参数下的衬板模型，对建立的各衬板模型分别进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定腔型参数的最优取值；
S102，对弧形衬板迎矿面一侧进行增厚，分别建立不同增厚值下的衬板模型，对建立的不同增厚值下的衬板模型进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定迎矿面最佳增厚值。
本发明实施例所述的球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，为了提高弧形衬板的使用寿命，通过离散元仿真分析，优化弧形衬板腔型参数，同时为了进一步延长衬板的使用寿命，对弧形衬板迎矿面一侧进行增厚，并通过离散元仿真分析，得到迎矿面最佳增厚值，以达到平衡球磨机的破碎效率及磨损速率，并延长衬板使用寿命和提高经济效益的目的。
在前述球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法的具体实施方式中，进一步地，在确定弧形衬板腔型参数之前，所述方法包括：
获取球磨机工艺参数及运行参数。
在前述球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述工艺参数包括：球磨机的筒体直径和轴向长度、磨球的直径、矿料的平均粒径以及衬板、磨球和矿料的材料属性参数；
其中，所述材料属性参数包括：材料密度、杨氏模量和泊松比。
在前述球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述运行参数包括：球磨机的转速、磨球填充率及矿料填充率。
在前述球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述确定需要优化的弧形衬板腔型参数包括：
确定对球磨介质运动状态及衬板表面接触能影响大的弧形衬板腔型参数；
其中，确定的弧形衬板腔型参数包括：弧形衬板波峰-波谷高度差和波峰间宽度。
本实施例中，当波峰间宽度一定时，可以直接确定波峰数量，因此，波峰间宽度也可由波峰数量替代。
在前述球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述分别建立不同腔型参数下的衬板模型，对建立的各衬板模型分别进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定腔型参数的最优取值包括：
分别建立波峰间宽度取不同值时的衬板模型；
将建立的波峰间宽度取不同值时的衬板模型、球磨机工艺参数及运行参数导入离散元分析软件中，由离散元模拟分析软件进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定波峰间宽度最优值；
当波峰间宽度取最优值时，分别建立波峰-波谷高度差取不同值时的衬板模型；
将建立的波峰-波谷高度差取不同值时的衬板模型、球磨机工艺参数及运行参数导入离散元分析软件中，由离散元模拟分析软件进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定波峰-波谷高度差的最优值。
本实施例中，可以采用多用途离散元素法软件(EDEM BulikSim)进行离散元仿真分析。
在前述球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述由离散元模拟分析软件进行离散元仿真分析包括：
在离散元分析软件中添加颗粒，为衬板模型添加转速，并根据实际情况，添加衬板、磨球和矿料的材料属性参数，并为衬板、磨球和矿料之间添加交互作用系数；
离散元模拟分析软件根据磨球填充率及矿料填充率计算出磨球数量和矿料(例如，矿石)数量，建立颗粒工厂(Factory)用以生成相应数量的球磨介质；
设置仿真时间步长和仿真时间并启动模拟。
本实施例中，在仿真模拟分析结束后，启用后处理界面，对球磨介质运动状态和衬板所吸收的接触能进行分析；具体的：
在后处理界面中可以看到球磨介质的运动状态，在Geometries选项里选择衬板的模型，选择切向累计接触能(Tangential Cumulative Contact Energy)和法向累计接触能(Normal Cumulative Contact Energy)观察衬板的接触能分布状态，在Particles中选择磨球颗粒，选择总能量(Total Energy)以观察磨球的能量变化。
本实施例中，比较不同衬板腔型参数下的球磨介质运动状态和衬板所吸收的接触能，可以结合实际矿料破碎要求，确定腔型参数的最优取值，在达到最佳的破碎效果的同时，降低衬板的磨损速率。
在前述球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述对弧形衬板迎矿面一侧进行增厚包括：
根据衬板累计接触能的分布趋势，对弧形衬板迎矿面一侧进行增厚。
目前市面上大多数弧形衬板的波形采用的是对称结构，但通过实地调研可知衬板在迎矿面(衬板顺转速一侧)一侧磨损较为严重，同时根据离散元模拟分析可知衬板在迎矿面一侧所吸收的接触能较多，因此，为了进一步延长衬板的使用寿命，本实施例对原弧形衬板结构进行优化，具体的：对弧形衬板在迎矿面一侧进行增厚以延长其使用寿命。
综上，本发明实施例所述的球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法至少具有以下的有益效果：
1).本发明实施例提出了增厚迎矿面的弧形衬板结构优化方法，并通过离散元仿真分析球磨介质的运动状态及衬板吸收的接触能，确定迎矿面最佳增厚值，以达到延长衬板寿命的目的。
2).本发明实施例提出了影响球磨介质运动状态及衬板表面接触能的两个主要腔型参数，通过离散元仿真分析，直观地展示球磨介质的运动状态，在控制球磨破碎效果的前提下，使用衬板表面累计接触能对衬板磨损情况进行表征，以达到在不同腔型参数下，预测衬板磨损趋势的目的；
3).本发明实施例通过影响球磨介质运动状态及衬板表面接触能的两个主要腔型参数，综合考虑了球磨机的破碎效果以及球磨机衬板的磨损速率，为球磨机弧形衬板的腔型参数选择提出了一套有效的优化方式，保证了球磨机衬板的优化效果。
为了更好地理解本发明提供的球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，对其进行详细说明：
假设某选矿车间共有25台球磨机，其中的QMG3231型球磨机筒体直径为3.6m，轴向长度为3.1m。球磨机的转速为21rpm，其磨球填充率为40％，磨球的直径为100mm，矿料填充率为10％，矿料的平均粒径为6mm。为了简便计算，取1/10的筒体长度建立衬板模型。
根据建模需求，将最外层半径(筒体半径)称为最大半径R1，将选取的基准半径称为第二半径R2，将其波峰所在的圆周的半径称为有效半径R3，其波峰-波谷高度差为h，波峰间宽度为d。
衬板模型具体尺寸如图2所示，建立的衬板模型如图3所示。
取球磨机的初始第二半径为1550mm，有效半径为1490mm，为了取不同的波峰间距，分别建立波峰数量为30、40、50、60和80的衬板模型，并将衬板模型导出为.stl格式，导入多用途离散元素法软件中。
本实施例中，假设磨球为钢球，矿料为矿石。
本实施例中，矿石、钢球和衬板的材料属性参数如表1所示，矿石、钢球和衬板之间的交互作用系数如表2所示。
表1
材料 泊松比 弹性模量(Pa) 密度(kg/m3)
矿石 0.25 7.55E+07 3500
钢球 0.3 7.90E+07 7980
衬板 0.3 8.00E+07 8598
表2
交互作用系数 矿石与矿石 钢球与钢球 钢球和矿石 钢球与衬板 矿石与衬板
恢复系数 0.4 0.35 0.4 0.3 0.3
静摩擦系数 0.3 0.4 0.3 0.35 0.4
滚动摩擦系数 0.009 0.009 0.009 0.01 0.01
多用途离散元素法软件进行模拟运行后，在后处理界面可以看到球磨介质的运动状态、球磨介质的能量变化状态以及衬板的接触能分布状态，其具体的数值如表3所示，其球磨介质的运动状态如图4-图8所示。
表3
比较球磨介质的运行轨迹和衬板的接触能后，可以得到波峰数量为60时，球磨介质的运转状况良好且衬板所吸收的接触能最小。因此，取球磨机的初始第二半径为1550mm、有效半径为1490mm、波峰数量为60，分别建立波峰-波谷高度差为40mm、60mm、80mm和100mm的衬板模型，并将衬板模型导出为.stl格式，导入多用途离散元素法软件中。
多用途离散元素法软件进行模拟运行后，在后处理界面可以看到球磨介质的运动状态、球磨介质的能量变化状态以及衬板的接触能分布状态，其具体的数值如表4所示，其球磨介质的运动状态如图9-图12所示。
表4
根据球磨介质的运动状态和衬板接触能的分布状态，可以得到当波峰-波谷高度差为80mm时，球磨介质的运转状况良好且衬板所吸收的接触能最小。
因此根据以上模拟分析过程，对于该球磨机来说，最终取波峰数量为60个，波峰-波谷的高度差为80mm。
为了选取迎矿面最佳增厚值，分别对弧形衬板迎矿面增厚1、2、3、5mm，并建立衬板模型，增厚方式如图13所示。将衬板模型导出为.stl格式，导入多用途离散元素法软件中。
进行模拟运行后，在后处理界面可以看到球磨介质的运动状态、球磨介质的能量变化状态以及衬板的能量分布状态，其具体的数值如表5所示，其球磨介质的运动状态如图14-图17所示。
表5
从图14-图17中可以看出在衬板迎矿面进行增厚对球磨介质的运动轨迹影响并不大。根据表5可以看出当增厚值为5mm时，衬板的累计接触能最达到最低值，因此，迎矿面最佳增厚值为5mm。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，其特征在于，包括：
确定需要优化的弧形衬板腔型参数，分别建立不同腔型参数下的衬板模型，对建立的各衬板模型分别进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定腔型参数的最优取值；
对弧形衬板迎矿面一侧进行增厚，分别建立不同增厚值下的衬板模型，对建立的不同增厚值下的衬板模型进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定迎矿面最佳增厚值；
其中，所述确定需要优化的弧形衬板腔型参数包括：
确定对球磨介质运动状态及衬板表面接触能影响大的弧形衬板腔型参数；
其中，确定的弧形衬板腔型参数包括：弧形衬板波峰-波谷高度差和波峰间宽度。
2.根据权利要求1所述的球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，其特征在于，在确定弧形衬板腔型参数之前，所述方法包括：
获取球磨机工艺参数及运行参数。
3.根据权利要求2所述的球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，其特征在于，所述工艺参数包括：球磨机的筒体直径和轴向长度、磨球的直径、矿料的平均粒径以及衬板、磨球和矿料的材料属性参数；
其中，所述材料属性参数包括：材料密度、杨氏模量和泊松比。
4.根据权利要求3所述的球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，其特征在于，所述运行参数包括：球磨机的转速、磨球填充率及矿料填充率。
5.根据权利要求1所述的球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，其特征在于，所述分别建立不同腔型参数下的衬板模型，对建立的各衬板模型分别进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定腔型参数的最优取值包括：
分别建立波峰间宽度取不同值时的衬板模型；
将建立的波峰间宽度取不同值时的衬板模型、球磨机工艺参数及运行参数导入离散元分析软件中，由离散元模拟分析软件进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定波峰间宽度最优值；
当波峰间宽度取最优值时，分别建立波峰-波谷高度差取不同值时的衬板模型；
将建立的波峰-波谷高度差取不同值时的衬板模型、球磨机工艺参数及运行参数导入离散元分析软件中，由离散元模拟分析软件进行离散元仿真分析，根据仿真结果中的球磨介质运动状态及衬板吸收的接触能，确定波峰-波谷高度差的最优值。
6.根据权利要求5所述的球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，其特征在于，所述由离散元模拟分析软件进行离散元仿真分析包括：
在离散元分析软件中添加颗粒，为衬板模型添加转速，并根据实际情况，添加衬板、磨球和矿料的材料属性参数，并为衬板、磨球和矿料之间添加交互作用系数；
离散元模拟分析软件根据磨球填充率及矿料填充率计算出磨球数量和矿料数量，建立颗粒工厂用以生成相应数量的球磨介质；
设置仿真时间步长和仿真时间并启动模拟。
7.根据权利要求1所述的球磨机弧形衬板结构及腔型优化方法，其特征在于，所述对弧形衬板迎矿面一侧进行增厚包括：
根据衬板累计接触能的分布趋势，对弧形衬板迎矿面一侧进行增厚。
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DEM modelling of liner evolution and its influence on grinding rate in ball mills;M.S. Powell 等;《Minerals Engineering》;第24卷(第3-4期);341-351 *
大型球磨机筒体衬板失效原因分析及改进;俞章法 等;《矿山机械》;第41卷(第11期);95-98 *

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