謝求泉

摘 要：基于有限元數(shù)值仿真觀察立式磨破碎過程，建立了陶瓷立式磨破碎過程的有限元模型，并進(jìn)行立式磨破碎過程的瞬態(tài)動力學(xué)仿真，得出單個(gè)陶瓷原料在整個(gè)擠壓過程的形變和力學(xué)特性。分析磨輥輥徑比對陶瓷原料破碎的影響，并對磨輥輥徑比進(jìn)行優(yōu)化，得出大致范圍磨輥輥徑比，對陶瓷立式磨的研制有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)健詞：陶瓷立式磨；破碎分析；磨輥輥徑比

1 引言

立式磨作為高效節(jié)能的粉磨設(shè)備，具有研磨力強(qiáng)、產(chǎn)品細(xì)度易于控制等特點(diǎn)，在陶瓷工業(yè)中得到了初步應(yīng)用，尤其是用于原料的粉磨。立式磨粉磨陶瓷原料工藝是一種新型高效節(jié)能的陶瓷原料研磨工藝流程，改善傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)工藝流程中球磨環(huán)節(jié)能耗巨大、磨料耗材成本高等缺點(diǎn)[1]。立式磨根據(jù)料床粉磨原理，有相對運(yùn)動的磨輥、磨盤裝置來完成物料的粉磨。本文運(yùn)用有限元數(shù)值仿真技術(shù)，在接觸理論基礎(chǔ)上，利用顯式分析后處理工具LS-DYNA對立式磨破碎物料過程顯示動力學(xué)分析，研究其破碎機(jī)理。

2 模型的創(chuàng)建

2.1幾何模型創(chuàng)建

本文以柱輥磨輥的立式磨建立簡化的模型。陶瓷原料在破碎時(shí)，作用在磨盤、磨輥上的負(fù)載主要在磨盤、磨輥的中部，簡化實(shí)體模型，即陶瓷原料于磨輥、磨盤兩個(gè)粉碎部件之間，該立式磨為三個(gè)磨輥均勻的分布在磨盤上，所以只對其中一個(gè)磨輥破碎物料建模，本模型在ANSYS中直接建立整體的幾何模型，如圖1所示，其中B為磨輥輥寬，D為磨輥直徑。

2.2材料參數(shù)確定

立式磨磨輥和磨盤的材料均為45#鋼，物料材料為陶瓷原料[2]。在破碎過程中，磨盤和磨輥的變形很小，因此把磨輥和磨盤設(shè)置為剛體；物料在破碎過程中變形大，所以把它假設(shè)成塑性雙線性各向同性模型。相應(yīng)的材料模型參數(shù)如表1所示。

2.3劃分有限元網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是有限元分析前處理最關(guān)鍵的一步，既影響計(jì)算的速度，又影響計(jì)算的精度。本文采用solid164單元對網(wǎng)格劃分，設(shè)置為全積分單元算法，由于該模型得進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，故采用自由劃分生成六面體網(wǎng)格，計(jì)算出立式磨的有限元模型如圖2所示。

2.4創(chuàng)建接觸對

立式磨在破碎陶瓷原料過程中，磨輥與原料、磨盤與原料之間發(fā)生接觸，由于接觸區(qū)域無法事先估計(jì)，因此采用自動面-面自由接觸建立兩對接觸對。由于存在摩擦的影響，在建立接觸對時(shí)設(shè)置靜摩擦系數(shù)為0.65，動摩擦系數(shù)是0.02[3]。

2.5施加約束和載荷

由立式磨的相對運(yùn)動規(guī)律，對物料單元施加一個(gè)Z方向的初速度v = -1 m/s，在柱坐標(biāo)系中，對物料單元設(shè)置X轉(zhuǎn)動方向的轉(zhuǎn)動約束；由于磨盤由電動機(jī)通過減速器驅(qū)動，對磨盤施加Y方向的角轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為35 r/min；而磨輥由于破碎過程中的摩擦力驅(qū)使它繞軸旋轉(zhuǎn)，所以對磨輥不需要約束X方向轉(zhuǎn)動約束。

3 基于ANSYS LS-DYNA的仿真結(jié)果分析

利用LS-PrePost后處理器查看數(shù)值計(jì)算結(jié)果。單個(gè)陶瓷物料顆粒剛開始分別與磨輥、磨盤相互接觸，隨著破碎進(jìn)行，物料在破碎過程中受到擠壓力隨時(shí)間變化而變化。物料剛開始運(yùn)動到磨輥正下方時(shí)，物料所受的壓力迅速地增大到達(dá)最大時(shí)，運(yùn)動時(shí)間T = 0.35，最大值為MPA = 2.919 × 109 Pa，如圖3所示；并且最大壓力值節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的位置也不斷地變化；由于剛開始假設(shè)了物料為塑性材料，隨著物料離開間隙最小處時(shí)，壓力逐漸地減小至某一值。物料在破碎過程中最大壓力隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。

4 磨輥輥徑比對破碎的影響

磨輥輥徑比（K = B/D）即磨輥的寬度B比磨輥的直徑D，由于磨輥的寬度（B = 720）與磨盤的直徑大小有關(guān)，從而本文通過改變磨輥的直徑去改變磨輥輥徑比。不同磨輥輥徑比如表2所示。通過7組數(shù)值計(jì)算，獲得了陶瓷原料在破碎過程中受到的最大壓力值如圖4所示。

在相同的粉磨條件下，物料在低壓力區(qū)，陶瓷原料所受到的壓力快速地增大；而當(dāng)物料受到高壓時(shí)，顆粒受到的壓力幾乎保持不變，而這一過程即為物料受壓粉碎階段；然后顆粒受到的應(yīng)力快速下降即物料反彈膨脹階段。由圖可知當(dāng)磨輥輥徑比大約為0.5時(shí)，陶瓷原料受到的壓力值最大，陶瓷原料受壓粉碎效果相對較好。

5 結(jié)論

對立式磨破碎過程的數(shù)值仿真，可知陶瓷原料破碎時(shí)間非常短，在該破碎過程中，最大受壓節(jié)點(diǎn)位置也是不斷改變，這由于物料運(yùn)動和受到磨輥、位置和受力位置改變。通過對幾組磨輥輥徑比數(shù)值仿真，其受擠壓力隨時(shí)間不斷變化，并得出一組較好磨輥輥徑比，提高立式磨破碎陶瓷原料能力，為研發(fā)陶瓷立式磨提供了相應(yīng)的理論。

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