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1、基于DEM的煤炭颗粒破碎模拟研究陆兴华徐州工程学院机电工程学院摘要：为了进一步理解煤矿颗粒齿辊式破碎机中的破碎行为，对煤炭颗粒的破碎行为 进行了试验研宄和DEM模拟研宄。研究结果表明，当齿辊速度高于150r/min吋, 提高齿辊转速不能有效地的改善产品质景;在相同的齿辊转速卜*,螺旋齿辊的破 碎产品质量最好。关键词：离散元法模拟;齿辊转速;齿辊形式;作者简介：陆兴华(1965-),男，江苏如皋人，副教授、高级工程师，主要从 事采矿工程与机械可靠性方面的研宄。基金：江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2015024-1)Simulation study on coal particle crus
2、hing based on DEMLu XinghuaSchool of Mechanical and Electrical Engineering,Xuzhou University of Technology;Abstract：In order to further understand the crushing behavior of the coal particle in toothed roll crusher, the crushing behaviors of coal particle were studied by experiments and DEM simulatio
3、n. The results showed that when the rotate speed of toothed roll was over 150 r/min, increasing the rotate speed could not effectively improve the product quality;at the sametoothed roll speed， the quality of crushed product of spiral toothed roller was the best.Keyword：DEM simulation; rotate speed
4、of toothed roll; toothed roll type;矿物加工与国民经济的发展息息相关，是国民经济的棊础产业，不仅要为其他 领域提供原材料，还耍确保自身的可持续发展。在矿物加工过程中，矿石破碎其 首要工艺环节的主要任务是充分解离出矿石中的有用成分，增加物料的比表面 积，为后续的加工、处理和使用提供粒度适中的颗粒。矿物颗粒在破碎设备中发生破碎是一个复杂过程，受很多因素的影响，主要包 括物料的物化性质、破碎设备的结构参数以及动力学参数等。同时，矿石颗粒破 碎过程中破碎设备和物料间的相互作用会对破碎设备造成磨损，从而严重影响 破碎设备的工作性能及产品质量，会导致能耗和生产成本的提高。
5、物料在破碎设 备的外力作用下表现出的裂纹扩展、内部裂隙被压缩以及部分物料被剥离等多种 行为。0前，虽然关于破碎机理的假说较多，但仍没奋完整的理论解释物料的破 碎行为。由于破碎过程中的某些参数，如物料粒级的分布情况、矿石的微观变化、 物料与设备的接触力以及功能关系等难以获得。在建立预测破碎设备磨损情况的 数学模型时，往往会忽略这些参数，从而使得模型难以真实地反应破碎过程。因 此，新型破碎理论的研究和破碎设备的研制仍然是矿物加工和矿山机械领域的 研究热点问题，具有重要的理论意义以及工程应用价值。为丫深入理解煤炭颗粒在齿辊式破碎机中的破碎行为，本文自制丫一种齿环安 装角度可调的破碎机试验模型机，并对
6、煤炭颗粒的破碎过程进行了试验和DEM 模拟研究。1试验装置的结构在用于实际作业的轮齿式对辊破碎机中，为/实现相邻的两齿环相对角度的连 读调整，安装时往往通过胀紧套将齿环固定在破碎齿辊转轴上，可以通过调整 胀紧套的转角实现齿环的转动。但是由于自制的破碎试验装置受到结构和尺寸的 限制，使用胀紧套安装难度较大，因此选择在破碎齿辊轴上开槽来限定破碎齿 环的安装位置，以此实现破碎齿环在破碎齿辊轴上安装角度的变化，齿环安装 方式及破碎试验台如图1所示。当破碎齿环上的凸起安装入角度不同的卡槽中时， 可以破碎齿环在齿辊轴上的位置和角度的变化。为了方便观测物料的破碎行为， 试验台的前挡板采用透明的钢化玻璃。(a
7、)齿环安装结构(b)破碎i阁1齿环安装方式及破碎试验台 下载原阁2 DEM破碎物料模型的构建需要破碎的矿石材料中通常伍含许多种矿物质以及多种晶界结构，在矿石中这 些物质成分以及各自的晶界结构往往使矿石具有不同的力学特性，而II这些力 学特性受到矿石成分的结构、比例、大小以及矿石中存在的裂隙等情况影响。为 了更加真实的模拟矿石，提出了双正态分布颗粒粘结模型，并用真实矿石扫描 而成的矿石模板进行填充，DEM破碎模型及仿真过程如图2所示。(a) DEM破碎物料(b) I2 DEM破碎模型及仿真过程下载原阁3试验与模拟结果分析为了探宄不同齿环排布形式的齿辊破碎作业情况，将齿环在不同排布形式及齿 辊在不
8、同速度下的试验结果和数值模拟结果经过进行了对比分析，不同破碎条 件下的粒径分布情况如图3所示。由图3 (a)可以看出，当破碎齿辊转速为50r/niin时，螺旋排布式破碎齿辊的 产物较平行排布式破碎齿辗以及差齿排布式破碎齿辗的产物质量有一定幅度的 改善，但无论是在试验结果中还是在仿真结果中，粒径超过35mm的产品所占比 例均超过总产物的50%,粒径在2535mm之间的中等产品所占比例均不超高总产 物的20%，由此可见齿辊转速为50r/min时，3种破碎齿辊的产品粒径都较粗。由阁3 (b)可以看出，当破碎齿辊的转速提高到lOOr/min时，3种齿辊的产物 质量都有明显的改善，但螺旋排布式破碎齿辊的
9、作业质量依旧优于平行排布式 破碎齿辊以及差齿排布式破碎齿辊。其中粒径超过35 的粗粒径产品所占比例 均不再超过总产物的50%，较之破碎齿辊转速为50r/min吋，人粒径产品所占比 例有所下降;粒径在1535mm之间的中等粒径产品所占在37%左右，较之齿辊转 速为50r/min时，中等粒径产品有所增加单增加并不明显;粒径在1015 mm之间 的小粒径产品所占比，较之齿辊转速为50r/min时约增加了 5%，占总产物的15% 左右。可见3种破碎齿辊的作业情况都冇一定程度的改善，其中螺旋排布式破碎 齿辊的作业质量改善最为明显，但其中大粒径产品所占比例仍较高，产品质量 不尚。由图3 (c)可以看出，当
10、破碎齿辊的转速提高到15(h、/min时，3种齿辊的产物 中均没有出现粒径超过45 mm的颗粒，其中螺旋排布式破碎齿辊的破碎产物中粒 径超过35 mm的产品比例仅为18%,平行排布式破碎齿辊和差齿排布式破碎齿辊 的产物中粒径超过35 mm的产品分别为33%和30%;粒径在1535 mm之间的中等 颗粒所占比例分别为52%，48%和45%;粒径在1015 mm之间的小颗粒所占比例分 别为21%，12%和17%;此外，由于齿辊转速的提高，破碎齿辊对物料的冲击作用 也随之增强，此时，破碎产物中粒径小于10mm的过度破碎产物所占比例也有增 加，分别为9%、7. 5%和7%。从上述分析数据可以看出，较之
11、齿辊转速为lOOr/min 时，此时这3种齿辊的破碎产品中等粒径颗粒增加明显，产品质量均进一步得 到提。由图3 (d)可以看出，当破碎齿辊的转速提高到250i、/min时，和齿辊转速为 150r/rnin时的产物粒径分布情况十分相似。产品质量几乎没有得到改善，可见 当边辗转速超过150r/min时，单纯的提高辗转速已经不能改善产品的质量。觀0J50300.250.200.15!0.10!0.0545 55 35 45 25 35 15 25 10 15平行齿辊（试验） 3差齿齿辊（试验）螺旋齿辊（试验）平行差齿螺旋粒径分布/mm（a） 50r/min时的产品粒径分布0.325 0.300.25
12、0.200.15酮平行齿辊差WW辊平行齿螺旋W（试验） （试验） （试验）0.104结语(1) 将单体颗粒破碎过程的试验研究结果与基于Bonding理论的离散元法模拟 结果相比较，验证丫离散元模拟颗粒破碎过程的可靠性。对棊于不同Bonding 模型的颗粒物料受压过程进行了 DEM模拟，分析了不同Bonding模型的力学特征, 结果表明，双正态分布形式的Bonding模型更符合真实矿物颗粒物料的力学特 性。(2) 对不同齿环排布形式的齿辊的破碎过程的进行了离散元法模拟研究，分析 丫破碎产物的质量和破碎齿辊形式以及转速之间的关系。结果表明，当齿辊转速 小丁 150r/min时，破碎产物的质量会随着
13、转速的捉高而明显改善，而当齿辊转 速高于150i、/min时，破碎产物的质量不再有明显的提高。转速和同时，螺旋排 布式齿辊的破碎产物质量高于其他两种形式的破碎齿辊。参考文献1赵卓，肖利平.发展低碳经济的技术创新瓶颈与对策J，中国科技论坛，2010 (6)2杨康康，赵啦啦，李允旺等.基于ANSYS/LS_DYNA的矿石破碎过程动态模拟 J,煤炭技术，2016 (11)3徐佩华，黄润秋，邓辉.颗粒离散元法的颗粒碎裂研究进展JL工程地质学 报，2012 (3)4雷强.基于离散元的物料破碎机理研究D.江丙理工大学，20125潘永泰，陈华辉.煤矸石分级破碎设备所用破碎齿材料的研究与效果评价J, 煤炭，2012 (4)6卢景英.煤炭机械技术的发展探索J.煤炭技术，2013 (6)7黄鹏鹏，肖观发，李成等.基于EDEM的物料破碎效果仿真分析J.矿山机械, 2014 (10)
