何生成，王現(xiàn)文，劉 康，李 戩，于 磊，張朝磊

(1.青海大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2.北京科技大學(xué) 碳中和研究院，北京 100083；3.黃河大通發(fā)電有限責(zé)任公司，青海 西寧 810100)

隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的推進(jìn)，高效使用煤炭資源顯得尤為重要[1-4]。磨煤機(jī)作為煤塊破碎的重要設(shè)備，是提高煤炭利用率的重要一環(huán)[5]。磨煤機(jī)襯板是破碎煤塊的主要部件，它一方面可以保護(hù)筒體，使筒體免受磨球和煤料的沖擊和摩擦，另一方面通過(guò)使用不同形狀的襯板，可以調(diào)節(jié)磨球的運(yùn)動(dòng)軌跡，增強(qiáng)磨球?qū)γ毫系姆鬯樽饔?，提高磨煤機(jī)的磨粉效率[6]。

磨煤機(jī)襯板形狀影響著磨球與物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也決定了研磨效率的高低[7]，M.S.Powell[8，9]結(jié)合理論研究，探討了梯形襯板的提升條對(duì)最外層磨球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，并提出了有關(guān)襯板提升條的理論設(shè)計(jì)；孫軍峰[10]等通過(guò)改變襯板提升條數(shù)量、高度和形狀，明顯提升了磨礦效率；許利民[11]基于球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和球磨機(jī)耐磨件的磨損機(jī)理，設(shè)計(jì)了適用于破碎倉(cāng)的凸形分級(jí)襯板和適用于研磨倉(cāng)的斜溝分級(jí)襯板，在實(shí)際生產(chǎn)中，研磨產(chǎn)量增加8.7%～20.0%、能耗降低8.5%～18.0%；謝卓宏[12]等將單峰波形襯板改進(jìn)為雙峰波形襯板，同時(shí)將襯板的提升條設(shè)計(jì)為非對(duì)稱錐面，延長(zhǎng)了襯板的使用壽命；Xiang Lu[13]等提出一種具有多級(jí)波峰的新型襯板，襯板上的小球被臺(tái)階卡住，這樣可以減輕襯套波峰的磨損，使其保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，還可以將小球帶到合理的高度，使落點(diǎn)分散，從而減少鋼球用量35%～50%，降低電耗30%～40%。

在涉及工業(yè)生產(chǎn)中的顆粒處理和設(shè)備生產(chǎn)的模擬仿真時(shí)，往往會(huì)結(jié)合離散元法建立相關(guān)模型來(lái)解決問(wèn)題，王曉[14]等通過(guò)離散元法建立單塊礦石的多顆粒粘結(jié)模型，仿真礦石的破碎過(guò)程，得到單塊礦石的破碎粒度分布并與落重實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證明了離散元法的可行性；李靜[15]等基于離散元法，建立罐式爐排料過(guò)程中石油焦顆粒運(yùn)動(dòng)行為的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)在1/15等比例縮小的料罐模型上進(jìn)行冷態(tài)物理實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，說(shuō)明離散元法的可以較好的描述罐式爐內(nèi)石油顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；劉莉[16]等利用Pro/E軟件建立磨樣機(jī)模型，并導(dǎo)入離散元軟件EDEM進(jìn)行仿真模擬，以粘結(jié)鍵的斷裂數(shù)目作為破碎效果的判斷標(biāo)準(zhǔn)，探討在不同轉(zhuǎn)速下，磨機(jī)的破碎效果并用試驗(yàn)樣機(jī)加以驗(yàn)證，驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。俞章法[17]等基于離散元法對(duì)球磨機(jī)襯板表面顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，并對(duì)襯板結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)，增加襯板高度，增加波峰和波谷的高度差，使得在磨礦細(xì)度不變的情況下，磨機(jī)產(chǎn)量提高7%；瞿鐵[18]等基于離散元法建立球磨機(jī)計(jì)算模型，研究了填充率、轉(zhuǎn)速率和襯板數(shù)量對(duì)研磨效率的影響，隨著填充率、轉(zhuǎn)速率和襯板數(shù)量的增加，球磨機(jī)研磨效率呈先增大后減小的趨勢(shì)。但這些關(guān)于襯板的研究都是在轉(zhuǎn)速一定的條件下完成的，在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著磨機(jī)的運(yùn)行，襯板的磨損會(huì)導(dǎo)致磨機(jī)研磨效率降低，需要及時(shí)更換襯板來(lái)保證研磨效率，這一過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為此，林陽(yáng)輝[19，20]研究在不同轉(zhuǎn)速下不同磨損程度的襯板對(duì)磨球運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，通過(guò)調(diào)節(jié)筒體轉(zhuǎn)速?gòu)浹a(bǔ)因襯板磨損導(dǎo)致研磨效率降低來(lái)延長(zhǎng)襯板的使用壽命，這為磨煤機(jī)襯板研究提供了一個(gè)新的方向，但在他的研究中未能將其與襯板型腔改進(jìn)方式作對(duì)比，對(duì)于轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償襯板磨損的優(yōu)越性闡述不夠深入。

基于上述研究背景，本文基于離散元軟件(EDEM)進(jìn)行數(shù)值仿真，通過(guò)調(diào)節(jié)筒體轉(zhuǎn)速補(bǔ)償受損襯板對(duì)研磨效率的影響，并與改變襯板型腔的方法對(duì)比，多角度深入比較了兩種方式對(duì)物料破碎效果的影響，可以為進(jìn)一步提升生產(chǎn)效益提供參考。

1 數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)

1.1 EDEM模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)置

利用EDEM2020軟件建立磨煤機(jī)模型，在筒體內(nèi)裝有梯形襯板，各材料特性參數(shù)、接觸參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1、表2。為提高仿真效率，根據(jù)相似理論進(jìn)行推理，使其滿足幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力相似法則，將磨煤機(jī)模型簡(jiǎn)化，保留關(guān)鍵破碎部分，如圖1所示。

圖1 磨煤機(jī)關(guān)鍵破碎部分的簡(jiǎn)化模型

表1 EDEM2020中各材料特性參數(shù)設(shè)置

表2 各材料之間的接觸作用參數(shù)

1.2 襯板磨損進(jìn)度及筒速調(diào)節(jié)方案

襯板在實(shí)際使用時(shí)不可避免會(huì)出現(xiàn)磨損，依據(jù)真實(shí)磨損情況建立磨損后襯板模型，如圖2所示。圖2(c)中顯示了磨損90%的襯板橫截面，變形后的襯板主要表現(xiàn)為攜球面角度趨于平緩，且襯板的波峰高度有所降低，本研究依據(jù)常磨損位置提出一種改進(jìn)的襯板形狀，如圖2(d)所示。

圖2 磨煤機(jī)使用襯板

磨煤機(jī)轉(zhuǎn)筒現(xiàn)在使用的轉(zhuǎn)速為16.6 r/min，為實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償磨損帶來(lái)的破煤率降低問(wèn)題，制定了如下筒速調(diào)節(jié)方案。當(dāng)磨損程度達(dá)到90%后，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至18.4，21.3、27.3、33.2 r/min，探究不同轉(zhuǎn)速對(duì)破煤率的補(bǔ)償效果和其他影響。

2 襯板結(jié)構(gòu)改進(jìn)與桶速調(diào)節(jié)效果分析

2.1 現(xiàn)用襯板與改進(jìn)后破碎效果分析

磨煤機(jī)使用現(xiàn)襯板和改進(jìn)后兩種類型的襯板在3.95 s時(shí)刻的物料及磨球運(yùn)行狀態(tài)如圖3所示，其中圖3(a)(c)是現(xiàn)使用的襯板，圖3(b)(d)是改進(jìn)后的襯板，物料在襯板帶動(dòng)下隨筒體轉(zhuǎn)動(dòng)，在超過(guò)休止角后物料做泄落或拋落運(yùn)動(dòng)，在沖擊研磨區(qū)及沖擊破碎區(qū)的物料顆粒速度最高，相較于現(xiàn)襯板型腔中物料的泄落運(yùn)動(dòng)，改進(jìn)后的高襯板型腔可以使得拋落運(yùn)動(dòng)更為頻繁，這與其他研究結(jié)果[21]一致，在拋落區(qū)出現(xiàn)了更多高速顆粒，它們所具備的動(dòng)能和勢(shì)能更高，可以對(duì)煤料實(shí)現(xiàn)高效的破碎。

圖3 使用兩種襯板型腔時(shí)不同時(shí)刻物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(m/s)

在模擬時(shí)間內(nèi)各物料與磨球的速度-數(shù)量分布如圖4所示，磨煤機(jī)內(nèi)研磨介質(zhì)的裝載質(zhì)量是一定的，當(dāng)球徑增大時(shí)，磨球的數(shù)量呈下降趨勢(shì)，與物料顆粒的接觸碰撞次數(shù)減少，而且隨著物料被破碎、研磨，顆粒體積變小，部分小物料顆粒會(huì)隨著筒體轉(zhuǎn)動(dòng)落到襯板與襯板之間，而大直徑磨球不容易接觸碰撞到落入襯板之間的體積變小物料顆粒，當(dāng)磨球直徑變大時(shí)，磨球與磨球之間的間隙增大，沒(méi)有完全被破碎的部分小物料顆粒也會(huì)落到磨球與磨球間的間隙中間，部分變小物料顆粒不容易被磨球破碎。相對(duì)于現(xiàn)襯板而言，改進(jìn)后的襯板型腔中處于高速狀態(tài)下的60 mm磨球、煤料、煤料粘結(jié)顆粒數(shù)增加，這極大地提升了磨煤機(jī)對(duì)煤料的破碎作用，且能發(fā)揮煤料與煤料之間的自磨作用，可有效提升生產(chǎn)的煤粉細(xì)度。

圖4 兩種襯板型腔中磨球與煤料速度-數(shù)量分布

為研究磨煤機(jī)的破碎效率，將單位時(shí)間內(nèi)顆粒間黏結(jié)鍵斷裂數(shù)量作為效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，大物料顆粒由小物料顆粒粘結(jié)而成，當(dāng)大物料顆粒被鋼球破碎研磨時(shí)，小物料顆粒逐漸被分解，顆粒間的粘結(jié)鍵斷裂，顆粒粘結(jié)鍵斷裂數(shù)量隨時(shí)間的變化如圖5所示，可以看出當(dāng)0 s時(shí)筒體開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，投入的物料跟隨筒體轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程粘結(jié)鍵斷裂數(shù)目急劇增長(zhǎng)，這是由于在投放物料過(guò)程中發(fā)生了磨球與煤料的激烈碰撞，具備較高的破碎率。相比于現(xiàn)襯板，改進(jìn)襯板起初的破碎狀態(tài)基本不變，但自5 s時(shí)刻開(kāi)始，其破碎優(yōu)勢(shì)極為明顯，具備了遠(yuǎn)超現(xiàn)襯板的破碎速度，在第7.83 s就實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有襯板10 s才能具備的破碎效果，磨煤時(shí)間縮短了21.7%。這其中的原因如圖5(b)所示，與現(xiàn)有襯板相比，改進(jìn)后襯板使得煤料的分布傾向于更大范圍，這可以提升其他區(qū)域特別是拋落區(qū)磨球?qū)γ毫系钠扑樽饔?，減少無(wú)效碰撞，提高磨煤效率。

圖5 兩種襯板型腔中粘結(jié)鍵破碎實(shí)況

襯板所受的累計(jì)接觸能量可以定量表征磨煤過(guò)程中發(fā)生的磨損，能量愈大，磨損量愈大[22]，在相同襯板中累計(jì)接觸能的增加代表著襯板壽命的降低，若累計(jì)接觸能長(zhǎng)期處于高能狀態(tài)，則襯板極易發(fā)生失效，降低使用壽命。兩種襯板型腔承受能量分析如圖6所示，圖6(a)為改進(jìn)后襯板運(yùn)行時(shí)承受的法向累計(jì)接觸能，圖中可以看出改進(jìn)后襯板承受的法向累計(jì)接觸能遠(yuǎn)小于現(xiàn)用襯板，在模擬時(shí)間內(nèi)累計(jì)接觸能同比降低了11.9%，能量云圖可以更為直觀地展示降低磨損效果。圖6(b)為改進(jìn)后襯板運(yùn)行時(shí)承受的切向累計(jì)接觸能，改進(jìn)后襯板承受的切向累計(jì)接觸能亦遠(yuǎn)小于現(xiàn)用襯板，在模擬時(shí)間內(nèi)切向累計(jì)接觸能同比降低了31.6%，增加易磨損處的襯板用料即可大幅提升襯板服役壽命。

圖6 兩種襯板型腔承受能量分析

2.2 筒速調(diào)節(jié)補(bǔ)償襯板磨損分析

前述分析已證實(shí)通過(guò)提升襯板傾角或波峰高度可以大幅提升破煤效率，在使用過(guò)程中襯板磨損后會(huì)使得波峰降低、傾角減緩，這樣造成的磨損襯板攜帶物料與磨球出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示，嚴(yán)重磨損后的襯板腔體中拋落區(qū)域基本消失，顆粒速度大幅降低，并且在死區(qū)的煤料顆粒占據(jù)大多數(shù)，基本不發(fā)生碰撞，與其他研究結(jié)果[21]規(guī)律一致，破碎煤料數(shù)量降低27%。同時(shí)，襯板磨損后也會(huì)導(dǎo)致磨球與物料沖擊作用加強(qiáng)，使得法向與切向累計(jì)接觸能分別增加16.8%、52.2%，加速襯板磨損，縮短更短周期，大幅增加成本。

圖7 90%磨損襯板與現(xiàn)用未磨損襯板破碎效果對(duì)比

對(duì)90%磨損襯板采取提高轉(zhuǎn)速的方案，轉(zhuǎn)速分別提高至18.4、21.3、27.3、33.2 r/min，探究提升轉(zhuǎn)速對(duì)破煤過(guò)程的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8，圖9所示，提升磨煤機(jī)筒體轉(zhuǎn)速可以有效提高破煤效率，由圖8(a)可知，提高筒速至33.2 r/min后破煤量可提高98.6%，圖8(b)展示了各個(gè)筒速對(duì)應(yīng)的物料速度分布關(guān)系，隨著筒速增大，處于拋落區(qū)的顆粒數(shù)目越來(lái)越多，這有利于發(fā)揮更多顆粒的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為沖擊破碎能。在圖9(a)中顯示了不同速度下物料在襯板型腔優(yōu)化內(nèi)的分布狀態(tài)，在提高轉(zhuǎn)速后，處于死區(qū)的顆粒數(shù)明顯向沖擊破碎區(qū)、研磨區(qū)、拋落區(qū)流動(dòng)，極大地發(fā)揮了磨損后襯板的拋落沖擊和研磨潛力。但與此同時(shí)也對(duì)造成了襯板承受接觸能量增大的現(xiàn)象，如圖9(b)所示，襯板承受累計(jì)接觸能量也隨著筒速的增加而增加，當(dāng)筒速為33.2 r/min時(shí)，襯板法向、切向累計(jì)接觸能量分別提高144.9%，54.9%，這符合現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)破煤率的提升勢(shì)必帶來(lái)襯板的加速損耗，但對(duì)于磨損90%的襯板而言，這種代價(jià)顯然是值得的。

圖8 多階筒速下90%磨損襯板型腔破碎效果

圖9 多階筒速下90%磨損襯板型腔煤料分布及襯板承受能量

與改進(jìn)襯板型腔來(lái)提高破煤率相比，提升筒速可以一定程度補(bǔ)償襯板嚴(yán)重磨損帶來(lái)的效能降低問(wèn)題，但不同的是，改進(jìn)襯板型腔不僅使得破煤時(shí)間縮短了21.7%，而且使得襯板法向與切向累計(jì)接觸能分別降低了11.9%、31.6%，襯板使用壽命得到延長(zhǎng)。與更換新襯板相比帶來(lái)的成本劇增狀況，磨損程度較高時(shí)提升筒速作為一種新的思路，它不但使得破煤效率得到提高，并且具有加速淘汰磨損襯板的作用，這在一定程度上可以加快生產(chǎn)節(jié)奏，避免出現(xiàn)低效率長(zhǎng)時(shí)間磨煤的狀況。

3 結(jié) 論

針對(duì)磨煤機(jī)襯板磨損嚴(yán)重導(dǎo)致破煤率低下問(wèn)題，提出了型腔改進(jìn)和筒速調(diào)節(jié)方案，對(duì)比了兩者所帶來(lái)的破碎機(jī)理、襯板承受沖擊能等方面存在的差異，得出如下結(jié)論：

1)改進(jìn)后的襯板型腔會(huì)使得更多煤料由泄落運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為拋落運(yùn)動(dòng)，獲得更大的破碎能量轉(zhuǎn)化，使得高速顆粒碰撞頻次增加，可有效提升21.7%破煤效率，同時(shí)改進(jìn)后型腔襯板承受法向與切向累計(jì)接觸能量減少11.9%、31.6%，服役壽命得到延長(zhǎng)。

2)襯板磨損90%后會(huì)使得更多煤料困于死區(qū)內(nèi)，破煤效率降低27%，研究提出采用提高筒速方式補(bǔ)償磨損帶來(lái)的生產(chǎn)效能低下是可行的，隨著筒速?gòu)?6.6 r/min增加至33.2 r/min，破煤率提升98.6%，充分發(fā)揮了磨損后襯板的拋落沖擊和研磨潛力。

3)為提高破煤率而提出的兩種方式都可提高生產(chǎn)效能，不同點(diǎn)在于使用筒速提升方法會(huì)使得襯板法向、切向累計(jì)接觸能量分別提高144.9%，54.9%，這會(huì)加速淘汰磨損襯板，促進(jìn)生產(chǎn)循環(huán)加快，綜合而言兩種方式都對(duì)實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。