摘要：双齿辊破碎机是一种新型的节能、高效破碎机，其工作原理突破了传统破碎理论，带来系列综合性能优点，用离散单元法(DEM)对双齿辊式破碎机破碎不同形状颗粒的过程进行了数值模拟。仿真过程中，进行颗粒替换，颗粒粘接，模拟不同双辊齿参数(辊齿倾角、辊齿排数与转速)下破碎情况。通过DEM计算出双齿辊式破碎机所承受载荷，然后与有限元法(FEM)耦合计算得出双齿辊破碎机的变形量。
关键词：双齿辊破碎机；综合破碎性能；离散单元法；有限元法
一、双齿辊破碎机简介与破碎机理
双齿辊破碎机是一种比较新型的矿用破碎，适用于烧结矿、煤炭、水泥、硅酸盐、玻璃、陶瓷等行业，适于中等硬以下脆性物料的破碎，主要用于矿石的中细碎作业。双辊破碎机的优点是结构单，工作可靠，动力消耗小，其辊面有较高的耐磨性及可修复性，确保在工作对辊间隙的稳定性。由于物料是靠两辊挤压破碎，因此对物料的含水率有较宽的适应范围。
双齿辊破碎机的主要工作部件为两个平行安装的齿辊，每个齿辊沿轴向布置一定数量的齿环，齿环上均布有若干破碎齿，这些破碎齿在齿辊轴向上是螺旋布置的，旋转运动的齿辊遇到大块物料，首先对其进行冲击剪切，接着进行挤压破碎，破碎齿的螺旋布置迫使物料翻转，等待被破碎齿继续破碎，被粗碎后的物料由于包容体积逐渐变小，而被强行破碎，破碎后的物料从齿隙间漏下，由于旋转的破碎齿形成格筛把合格的物料排出，因此，破碎后的物料粒度匀整，不会产生过大粒度，而且双齿辊破碎机会使有合格粒度的物料在机器中很快被排除，不收到破碎作用，从而提高破碎机的破碎效率。
二、双齿辊破碎机功率计算
破碎机功率计算一般是以破碎理论为依据，从理论上阐明物料粉碎过程的输入与破碎前后物料潜能变化之间的关系，从而明确输入功德消耗量。实际计算发现以裂纹学说为依据的功指数计算法是指导设计的最行之有效的方法。粉碎物料消耗的能量与物料产生的裂缝长度成正比，而裂缝又与物料径粒的平方根成反比，经数学诱导，得出物料破碎所消耗的功W为式8，式中K为调整系数，中碎时K值取1，双齿辊破碎机在实际破碎过程中，满足出料粒度要求的物料可不经过破碎直接排除，所以实际消耗功率需要在计算值得基础上考虑实际情况以及通过经验作适当调整。
三、DEM与FEM耦合方法
DEM是岩土工程领域里发展起来的一种模拟岩土块体、颗粒群力学过程的数值方法。DEM模拟颗粒群流动颗粒之间的碰撞运动。FEM是将研究对象划分为有限个微小单元体的离散化方法，相邻两单元之间通过节点相连接。将作用在单元上的外载荷按静力等效原则化成等效节点载荷向量，进行相应的受力分析。本文采用单向稠合，将离散元中所得数据流作为一种载荷条件输入到有限元计算中，然后对设备进行静力学或动力学分析，，离散元计算导出破碎颗粒对结构的接触载荷，然后转换为有限元的节点载荷，分析颗粒对结构的作用，求得总变形、等效应力、等效应变，为进一步分析作依据。
1、颗粒模型的建立。通过三维建模软件创建物料外轮廓模型，小颗粒填充于外轮廓，施加一定的力，使轮廓中填充的小颗粒充分接触，处于平衡稳定状态。然后获取所有小颗粒的位置坐标，进行AP文件编译。本文首先进行三维建模建立正方体与椭球体物料形状，导入离散单元法软件EDEM中。过分稀疏的填充颗粒会导致物料填充后瞬间爆开。例如本文中正方体颗粒的直径25mm，数目为137个填充后体积为0.002立方米，椭圆体颗粒粒直径25mm，填充数目为68个。填充后体积为0.001立方米。通过粘结模型将小颗粒粘结，颗粒与颗粒之间会产生重叠量，其值反应了颗粒抗变形破裂能力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆半径越大，颗粒在发生较大的变形才会破裂，反之，较小的变形就产生破裂。颗粒群是依靠颗粒间的粘结力形成的。粘结力的大小由物料的法相临界应力和切向临界应力所确定，即抗压强度和抗剪强度。
2、过程仿真设置。在EDEM软件中选择颗粒与颗粒间的碰撞模型为her1z-mindin with bond built-in，颗粒与几何体间的碰撞模型为 her1z-mindin with Bond built-in，颗粒体积力模型为编译的AP文件。设置颗粒和几何体的材料属性，以及材料间相互作用属性。例如采取450mm*500mm齿辊，坐枪式齿型。2双齿辊的中心距L1保证齿辊的齿顶到另一齿辊的齿面距离大于颗粒直径即L>D。2齿辊的初始位置保证齿排交错排列，个辊的齿置于另一个辊表面4个齿中间。正方体和椭圆体的数量均为10个，以5000/s的速度生成。
3、有限元分析。在 Workbench中建立 DEM Solutions模块，将EDEM所得的受力情况导入到 Workbench中。建立静力系统模块，导入齿辊的几何模型，进入 Mechanical界面，定义球磨机衬板的材料、密度、泊松比为。网格划分完后添加约束，载入颗粒对齿辊的力。
四、辊式破碎机参数对破碎指标的关系
1、齿辊倾角对物料破碎的影响关系。齿辊倾角的变化影响双齿辊破碎机破碎率和变形量。不同角度对于物料的破碎存在不同的效果，同时破碎物料的同时，辊齿的受力程度也不一样，进而对其产生的变形也不相同。通过单因素试验，改变齿辊的倾角，观察其对评价指标的影响情况。例如，当齿辊倾角为55度时，其破碎效果最好但对于齿辊的磨损也是最严重的，所对应的综合指标是最低的。在齿辊倾角为70度时，综合指标是最高的，此时双齿辊破碎机的状态最为理想。
2、齿排数对物料破碎的影响关系。破碎机的齿排数决定了同时参与同一个物料破碎的齿数，但齿数越多，齿与齿之间的空间就变小，排料时，就造成了对物料的过渡挤压破碎的效果，产生过粉现象，同时加剧了对齿的变形以及对辊面的磨损量。反之，齿排数太少，会导致齿间空间过大，造成跑粗现象，并且由于参与破碎的齿数太少，加大齿的受力情况，进而加剧变形。合理的齿排数对于破碎效果和磨损量有着重要的作用。以改变破碎机的齿排数来进行单因素试验，观察其对评价指标的影响情况。
3、齿辊的运行转速对物料破碎的影响关系。齿辊的运行转速是决定破碎机产量的指标之一。转速太高，齿辊单位时间内接触物料增多，容易造成跑粗现象，破碎不完全。不同的转速对物料会产生不同的破碎力，进而造成不同程度的变形量。合适的运行转速有助于破碎质量的保证以及延长双齿辊破碎机的使用寿命，保持其他因素不变，进行单因素试验，例如，在转速为5rad/s时，其破碎率最大，但是所造成的变形也最大，而综合指标反而是最小的。当转速为8rd/s时，破碎机的变形量最小，但是所对应的综合指标却是最大的。平均变形量与综合指标呈相反的趋势。
结语
(1)本文利用离散单元法对非圆颗粒的破碎过程进行了仿真分析，利用颗粒破碎的断裂键等进行了分析计算，统计颗粒的破碎率。
(2)利用离散单元法结合有限元方法，统计计算颗粒对颗粒破碎过程中双辊齿的变形量。并以破碎率与双辊齿的变形量为基础，定义综合指标，由单因素及正交实验，得到双辊齿倾角、转速与排数与综合指标的关系。
参考文献
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[2]毛瑞,崔达,李光,冉翌正.辊齿结构及布置形式对双齿辊破碎机性能的影响[J].矿山机械,2018,46(02):44-49.
论文作者:赵长岭
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/20
标签：物料论文; 颗粒论文; 破碎机论文; 倾角论文; 转速论文; 载荷论文; 指标论文; 《基层建设》2019年第31期论文;