陶瓷立式磨破碎数值分析

    谢求泉

    摘 要：基于有限元数值仿真观察立式磨破碎过程，建立了陶瓷立式磨破碎过程的有限元模型，并进行立式磨破碎过程的瞬态动力学仿真，得出单个陶瓷原料在整个挤压过程的形变和力学特性。分析磨辊辊径比对陶瓷原料破碎的影响，并对磨辊辊径比进行优化，得出大致范围磨辊辊径比，对陶瓷立式磨的研制有一定指导意义。

    关健词：陶瓷立式磨；破碎分析；磨辊辊径比

    1 引言

    立式磨作為高效节能的粉磨设备，具有研磨力强、产品细度易于控制等特点，在陶瓷工业中得到了初步应用，尤其是用于原料的粉磨。立式磨粉磨陶瓷原料工艺是一种新型高效节能的陶瓷原料研磨工艺流程，改善传统陶瓷生产工艺流程中球磨环节能耗巨大、磨料耗材成本高等缺点[1]。立式磨根据料床粉磨原理，有相对运动的磨辊、磨盘装置来完成物料的粉磨。本文运用有限元数值仿真技术，在接触理论基础上，利用显式分析后处理工具LS-DYNA对立式磨破碎物料过程显示动力学分析，研究其破碎机理。

    2 模型的创建

    2.1几何模型创建

    本文以柱辊磨辊的立式磨建立简化的模型。陶瓷原料在破碎时，作用在磨盘、磨辊上的负载主要在磨盘、磨辊的中部，简化实体模型，即陶瓷原料于磨辊、磨盘两个粉碎部件之间，该立式磨为三个磨辊均匀的分布在磨盘上，所以只对其中一个磨辊破碎物料建模，本模型在ANSYS中直接建立整体的几何模型，如图1所示，其中B为磨辊辊宽，D为磨辊直径。

    2.2材料参数确定

    立式磨磨辊和磨盘的材料均为45#钢，物料材料为陶瓷原料[2]。在破碎过程中，磨盘和磨辊的变形很小，因此把磨辊和磨盘设置为刚体；物料在破碎过程中变形大，所以把它假设成塑性双线性各向同性模型。相应的材料模型参数如表1所示。

    2.3划分有限元网格

    网格划分是有限元分析前处理最关键的一步，既影响计算的速度，又影响计算的精度。本文采用solid164单元对网格划分，设置为全积分单元算法，由于该模型得进行相应的优化，故采用自由划分生成六面体网格，计算出立式磨的有限元模型如图2所示。

    2.4创建接触对

    立式磨在破碎陶瓷原料过程中，磨辊与原料、磨盘与原料之间发生接触，由于接触区域无法事先估计，因此采用自动面-面自由接触建立两对接触对。由于存在摩擦的影响，在建立接触对时设置静摩擦系数为0.65，动摩擦系数是0.02[3]。

    2.5施加约束和载荷

    由立式磨的相对运动规律，对物料单元施加一个Z方向的初速度v = -1 m/s，在柱坐标系中，对物料单元设置X转动方向的转动约束；由于磨盘由电动机通过减速器驱动，对磨盘施加Y方向的角转速，转速为35 r/min；而磨辊由于破碎过程中的摩擦力驱使它绕轴旋转，所以对磨辊不需要约束X方向转动约束。

    3 基于ANSYS LS-DYNA的仿真结果分析

    利用LS-PrePost后处理器查看数值计算结果。单个陶瓷物料颗粒刚开始分别与磨辊、磨盘相互接触，随着破碎进行，物料在破碎过程中受到挤压力随时间变化而变化。物料刚开始运动到磨辊正下方时，物料所受的压力迅速地增大到达最大时，运动时间T = 0.35，最大值为MPA = 2.919 × 109 Pa，如图3所示；并且最大压力值节点产生的位置也不断地变化；由于刚开始假设了物料为塑性材料，随着物料离开间隙最小处时，压力逐渐地减小至某一值。物料在破碎过程中最大压力随时间变化的曲线如图4所示。

    4 磨辊辊径比对破碎的影响

    磨辊辊径比（K = B/D）即磨辊的宽度B比磨辊的直径D，由于磨辊的宽度（B = 720）与磨盘的直径大小有关，从而本文通过改变磨辊的直径去改变磨辊辊径比。不同磨辊辊径比如表2所示。通过7组数值计算，获得了陶瓷原料在破碎过程中受到的最大压力值如图4所示。

    在相同的粉磨条件下，物料在低压力区，陶瓷原料所受到的压力快速地增大；而当物料受到高压时，颗粒受到的压力几乎保持不变，而这一过程即为物料受压粉碎阶段；然后颗粒受到的应力快速下降即物料反弹膨胀阶段。由图可知当磨辊辊径比大约为0.5时，陶瓷原料受到的压力值最大，陶瓷原料受压粉碎效果相对较好。

    5 结论

    对立式磨破碎过程的数值仿真，可知陶瓷原料破碎时间非常短，在该破碎过程中，最大受压节点位置也是不断改变，这由于物料运动和受到磨辊、位置和受力位置改变。通过对几组磨辊辊径比数值仿真，其受挤压力随时间不断变化，并得出一组较好磨辊辊径比，提高立式磨破碎陶瓷原料能力，为研发陶瓷立式磨提供了相应的理论。

    参考文献

    [1] 魏华. CKP磨机破碎水泥熟料的能量耗散机理和动力学研究[D]. 中国矿业大学， 2014.

    [2] 滕凤明. 水泥辊压机磨辊表面形态设计及其耐磨性与破碎性研究[D]. 吉林大学， 2014.

    [3] 黄胜. 高压辊磨机粉碎行为研究[D]. 中南大学，2012.

    [4] 黄俊宇. 冲击载荷下脆性颗粒材料多尺度变形破碎特性研究[D]. 中国科学技术大学， 2016.

    [5] 梁海果，严苏景，梁志江，等. 一种用于陶瓷原料粉磨的立磨设备，CN203577881U[P]. 2014.

    [6] Tavares L M， King R P. Modeling of particle fracture by repeated impacts using continuum damage mechanics[J]. Powder Technology， 2002， 123（2-3）：138-146.

    [7] Panigrahy P K， Goswami G， Panda J D， et al. Differential comminution of gypsum in cements ground in different mills[J]. Cement & Concrete Research， 2003， 33（7）：945-947.