砂磨机定距盘的优化设计及离散元分析

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摘要： 以高填充率、低转速的卧式砂磨机为研究对象，通过solidworks对定距盘进行进行优化设计，运用离散元分析软件EDEM对优化前后的研磨系统进行分析对比，得出改良定距盘可以提高砂磨机中颗粒的平均速度和颗粒间的压缩力，进而提高砂磨机的研磨效果，为砂磨机的设计优化研究提供一定的参考作用.

Abstract： High fill rate， low speed of horizontal sand mill served as the research object， the paper optimized the design of distance disc by solidworks software. Through analysis and comparision of and analysis before and after the optimization of grinding system， it got that improved distance can increase the average particle velocity and the compressive force between particles by EDEM software， thus increasing grinding effect of sand mill. It provides a reference for the optimization design of sand mill.

关键词： 卧式砂磨机；定距盘；EDEM

Key words： horizontal sand mill；distance disc；EDEM

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）24-0148-02

0 引言

随着材料科学的快速发展，各行各业对超精细材料需求越来越大，而砂磨机作为超精细材料制备的关键设备之一，人们对砂磨机的研究也越来越深入。大多数研究主要集中在卧式砂磨机的研磨机理、研磨盘的结构参数以及工艺参数等，但却很少对研磨盘之间的定距盘进行研究。砂磨机在工作过程中可能会在研磨筒内部形成空腔的现象，定距盘的作用可能会很小，但对于高填充率、低转速的砂磨机而言定距盘的改变也会对研磨效果起到一定的帮助作用。本文以目前应用最为广泛的卧式砂磨机为研究对象，对卧式砂磨机的定居盘进行改进，也会对研磨效果起到一定的影响作用，通过离散元软件EDEM对改进前后的研磨装置进行对比研究[1]。

1 定距盘的设计

卧式砂磨机主要是由动力系统、传动系统、研磨系统和机架构成如图1所示，将砂磨机的装填一定量的研磨介质和物料，由电动机输出动力经传动带传动带动主轴和研磨系统转动，物料和研磨介质在摩擦力的作用下在研磨筒中做不规则的相对运动，粒子之间发生剪切、碰撞、冲击等作用从而达到粉磨的效果[2]。

定距盘位于各个研磨盘中间，起到调节研磨盘间的距离和固定研磨盘的作用。为了进一步提高物料和研磨介质之间挤压碰撞的力度，将定距盘设计为五边形状，可以起到棒状研磨盘的效果，提高研磨系统的搅拌力度。

2 离散元仿真模型建立

EDEM是世界上第一款基于离散元技术的进行颗粒模拟分析的软件，EDEM主要分为三大模块：前处理模块Creator、求解器Simulator、后处理模块Analyst。EDEM也可以与目前比较主流的软件Ansys、Adams等进行耦合计算[3]。但是EDEM的基础建模能力比较弱，一般采用从外部导入CAD文件。基于EDEM可以快速地建立颗粒模型，砂磨机中的物料颗粒都是独立的，是非常理想的离散单元，应用离散元软件EDEM对卧式砂磨机中的物料运动进行数值模拟是十分理想的[4]。

通过solidworks建立研磨系统模型，考虑到计算机的运算能力对模型进行简化，忽略主轴和研磨盘上的圆角、键、键槽、倒角和物料的进出口。由于研磨物料颗粒尺寸可以达到微米级，因此不考虑矿浆的影响因素，只对研磨介质进行分析[5]。砂磨机中颗粒数量的多少直接影响计算的运行时间，为了便于计算只截取研磨系统中的一部分进行建模模型尺寸如图3所示。由于EDEM需要建立虚拟的颗粒工厂，为了避免颗粒在生成过程中出现干涉的现象，在solidworks中提前建立颗粒工厂的区域。采用控制量的研究方法对定距盘的影响因素进行分析，故分别采用改良前后的研磨系统再EDEM中进行分析对比，改良前后定距盘的表面积和体积保持不变，模型如图3所示。

3 仿真建立与分析

将solidworks中的模型以.txt格式导入到EDEM中，用Hertz-Mindin（no slip）接触模型即无滑动接触模型[6]。通过查阅相关文献，确定仿真参数如表1所示。根据计算得出模型的有效容积为1525520，介质球的体积为110.3，按照填充率为80%得出介质球的数量约为11064个，设定仿真时间为3s。

仿真结束后通过EDEM的后处理功能分别生成改良前后的颗粒的平均速度与时间的折线图如图4、5所示，从折线图中可以看出在1.5s随着研磨盘的转动颗粒的平均速度趋于稳定。从图中可以看出经过改良后的定距盘，对粒子的平均速度提高起到一定的作用，转速的提高直接影响砂磨机的研磨强度。提取2s时改良前后颗粒的压缩力云图如图6、7所示可以看出改良后颗粒的平均压缩力较改良前有所提高[7]。

4 结论

通过离散元软件EDEM对改良前后研磨系统进行分析，得出对于高填充率、低转速的砂磨机而言定距盘的改良可以提高颗粒的平均运动速度和压缩力，可以提高砂磨机的粉磨效果，同时运用EDEM离散元软件也可以得到传统实验无法得出的结果，减少了财力物力的浪费，可以提高了研发效率。

参考文献：

[1]王国强，郝万军，王继新.离散单元法及其在EDEM上的实践[M].陕西：西北工业出版社，2010：5-20.

[2]王珊.转速和搅拌盘结构对卧式搅拌磨机粉磨效率的影响[J].矿山机械， 2015（11）：93-95.

[3]孟杰，孟文俊.影响EDEM仿真结果的因素分析[J].机械工程与自动化，2014（6）：49-51.

[4]基于离散元技术的球磨机参数优化研究[D].吉林：吉林大学，2009.

[5]刘长远.卧式圆盘搅拌磨机结构及工艺参数研究[D].秦皇岛：燕山大学，2016.

[6]赵国锋，王新文，胡章胜，等.新型卧式超细搅拌磨机的结构原理研究与中试应用[J].矿山机械，2011（2）：82-85.

[7]赵选恒.卧式搅拌磨机结构参数对其性能影响的研究[D]. 昆明：昆明理工大学，2013.