基于離散元法的大型半自磨機端蓋襯板結構優化研究

梁澤躍，彭遠倫 ，孫春寶，胡 陽，張建國，閆增鑫

1云南迪慶有色金屬有限責任公司 云南迪慶 674400

2北京科技大學土木與資源工程學院 北京 100083

半自磨機以鋼球和礦石本身為磨礦介質，對礦石進行磨剝，具有適應性強、可靠性高、破碎比大等特點。半自磨機筒體部分安裝有筒體襯板，為保護磨機兩端不受損壞，在磨機給料端和排料端分別安裝有端蓋襯板。但工業生產中存在端蓋襯板磨損嚴重、端蓋結構參數不合理等諸多問題，導致端蓋襯板破裂，需停車檢修，對現場生產造成了巨大的經濟損失[1-3]。針對以上問題，對不同端蓋襯板提升條參數進行了仿真，探究端蓋襯板的磨損規律，對延長端蓋襯板使用壽命和降低廠區能耗具有重要意義。

襯板提升條高度和面角是磨機端蓋襯板磨損情況的主要影響參數，運用離散元法可以建立半自磨機端蓋結構模型，模擬不同端蓋襯板結構參數下顆粒在筒體內部的復雜運動，研究其對端蓋襯板磨損情況的影響[4-6]。Powell[7]基于一定的磨機轉速、提升條面角和磨機的載荷情況對提升條高度進行了試驗探究，發現將提升條高度增加至超過物料半徑時，沖擊點的高度和角度僅略微增加，超過一定提升條高度時，沖擊點的高度將會下降。因此，可以大幅度增加提升條高度而不必過分考慮增加物料對磨機襯板的直接沖擊。田秋娟等人[8]采用離散元軟件 EDEM 研究了磨機襯板提升條面角等設計參數對球磨機功率和沖擊能量分布的影響，并從單顆粒所受合力的角度分析了襯板的面角對顆粒破碎效果的影響，發現隨著提升條面角的減小，球磨機中單個介質所受合力的幅值增大，即物料的破碎概率增大；隨著提升條面角的增大，低能量沖擊次數增加，而高能沖擊次數以及最高沖擊能量減少。

1 端蓋襯板幾何模型的建立與參數設置

為了更加真實地模擬半自磨機的磨礦過程，筆者根據現場采集到的半自磨機端蓋襯板參數，利用 SolidWorks 軟件建立等比例半自磨機筒體襯板模型，如圖 1 所示。將端蓋襯板模型導入模擬軟件 EDEM，筒體襯板采用高低不同的提升條間隔排列方式。

圖1 端蓋襯板簡化模型Fig.1 Simplified model of liner of end cover

模擬過程中，采用的鋼球尺寸與數量均與現場保持一致。考慮到細顆粒對襯板磨損影響較小，且細顆粒數量巨大，為方便計算，根據對半自磨機入磨物料的粒度分析結果，取礦石顆粒的粒度為 100 mm，顆粒屬性與填充率如表 1 所列。選廠應用高鉻多元合金作為鋼球材料，通過對原礦的相關物理屬性進行測量并查閱文獻資料，可確定模擬中各材料的屬性參數，如表 2 所列。

表1 顆粒屬性與填充率Tab.1 Properties and filling ratio of particles

表2 材料屬性Tab.2 Material properties

2 端蓋襯板模擬仿真與分析

端蓋襯板主要用來保護磨機給料端與排料端，對物料運動狀態、磨礦效率的影響較小。襯板上的提升條能夠增強襯板強度，減小襯板表面的磨損。

2.1 端蓋襯板磨損仿真結果分析

端蓋襯板磨損云圖如圖 2 所示。可以看出，端蓋襯板上的磨損主要集中在中下部 (遠離軸線) 區域，且提升條位置磨損最為嚴重。這是因為磨機內的載荷集中于該區域，在磨機運轉時載荷與該區域接觸密切，且提升條位置凸出，與載荷的接觸更加密切，磨損最嚴重。而靠近磨機軸線的上部區域不直接與載荷接觸，僅有少量物料與其發生碰撞，因此磨損量較小。

圖2 端蓋襯板磨損云圖Fig.2 Wear contours of liner of end cover

利用 GridBinGroup 功能對端蓋襯板的某一提升條進行區域劃分，自下部至上部平均劃分為 20 個區域，編號依次為 1～20，各區域的磨損量如圖 3 所示。區域 3～9 的磨損量較大，在 2.0×10-3mm 左右，比區域 13～20 的 0.5×10-3mm 高出 3 倍。由于端蓋襯板在徑向方向的磨損極不均勻，因此通常采用多圈襯板相組合的方式進行裝配。

圖3 端蓋襯板各區域磨損量Fig.3 Wear loss of liner of end cover in each area

半自磨機為順時針旋轉，運轉過程中，與物料直接接觸的一側為工作面，另一側為非工作面，通常工作面與非工作面的磨損存在較大差異，如圖 4 所示。提升條左側為工作面，右側為非工作面，顯然工作面的磨損程度高于非工作面。說明在磨礦過程中，工作面與物料的接觸更為密切，磨礦介質和礦石對工作面的沖擊作用更強。

圖4 端蓋襯板提升條磨損云圖Fig.4 Wear contours of lifter of liner of end cover

端蓋襯板的底板磨損云圖如圖 5 所示。可以看出，底板的磨損情況存在與提升條類似的情況。兩提升條中間部分的位置為襯板的底板，與提升條相比，它的磨損量較小，但也存在磨損不均勻的情況；B 框所示區域磨損量明顯高于 A 框所示區域，也就是說靠近提升條工作面的底板區域磨損更加嚴重。通過觀察模擬過程發現，提升條以一定速度轉動時，會擾亂物料的運動狀態，距提升條較近的物料由于提升條的推力向磨機內部運動，此時提升條后方 (即 A 區域) 形成一個“空腔”，磨機繼續轉動，物料開始回落至下一提升條的前方 (即 B 區域)，因此造成了靠近提升條工作面的底板區域磨損更加嚴重的現象。

圖5 端蓋襯板底板磨損云圖Fig.5 Wear contours of bottom board of liner of end cover

2.2 提升條面角對端蓋襯板磨損的影響

為探究端蓋襯板提升條面角對襯板磨損的影響規律，設置了 4 種不同的提升條面角，其大小分別為 0°、5°、10°和 15°。面角為 0°時，提升條的截面形狀為矩形；其他角度時，面角的截面形狀為等腰梯形。

提升條面角對端蓋襯板磨損的影響如圖 6 所示。隨著模擬時間的延長，襯板的磨損厚度不斷增大，當模擬時間進行到 20 s 以后時，襯板磨損厚度隨時間的變化率達到穩定狀態。可以看出，襯板的磨損程度隨面角的增大逐漸減小，在模擬時間達到 35 s 時，0°提升條的磨損厚度最大，為 1.22×10-3mm；15°提升條的磨損厚度最小，為 1.14×10-3mm，比最大磨損程度減小了 7%。在磨機運行過程中，物料提升條面角越小，提升條形狀越接近矩形，其與物料的撞擊越直接，造成的襯板磨損更嚴重。

圖6 提升條面角對端蓋襯板磨損的影響Fig.6 Influence of face angle of liner on wear of liner of end cover

提升條面角對端蓋襯板累積接觸能量的影響如圖 7 所示。發現提升條面角對端蓋襯板的累積接觸能量影響總體較小，法向累積接觸能量與面角大小不存在明顯影響規律，而襯板的切向累積接觸能量則隨面角的增大而減小。分析可知，靠近端蓋襯板處拋落顆粒的數量較多，對襯板造成了強烈的沖擊作用，導致了較大的法向累積接觸能量，這部分能量與物料整體運動狀態相關性較大，而在不同的提升條面角下，物料的整體運動狀態基本相同，因此在端蓋襯板上的法向累積接觸能量無明顯變化；端蓋襯板上的切向累積接觸能量主要受到載荷與襯板之間的接觸情況影響，由前文分析可知，襯板面角對載荷的運動造成擾動，面角越小，其擾動作用越強烈，因此切向累積接觸能量隨面角的增大而減小。

圖7 提升條面角對累積接觸能量的影響Fig.7 Influence of face angle of lifter on accumulated contact energy

2.3 提升條高度對端蓋襯板磨損的影響

為探究端蓋襯板提升條高度對襯板磨損的影響規律，設置了 4 種不同的提升條高度，分別為 50、100、150、200 mm，其他參數保持相同，進行仿真模擬試驗。

提升條高度對端蓋襯板磨損的影響如圖 8 所示。隨著提升條高度的增加，襯板磨損厚度逐漸減小，35 s 時，提升條高度由 50 mm 增加至 200 mm，襯板磨損厚度則由 1.47×10-3mm 降低至 1.10×10-3mm，降低了 25%。可見端蓋襯板提升條的高度對襯板磨損存在較大影響，在適宜范圍內可以增加提升條的高度，以減少磨損。

圖8 提升條高度對端蓋襯板磨損的影響Fig.8 Influence of height of lifter on wear of liner of end cover

提升條高度對端蓋襯板累積接觸能量的影響如圖 9 所示。可以看出，隨著提升條高度增加，至 150 mm 和 200 mm 時，法向累積接觸能量具有較大值，說明提升條高度增加時物料對端蓋襯板的沖擊作用會略微增加；而當提升條高度從 150 mm 增至 200 mm 時，切向累積接觸能量隨提升條高度增大而減小，這是因為當提升條高度增加時，提升條對物料的擾動作用增強，物料與提升條底板的接觸概率降低，切向累積接觸能量隨之降低。

3 實際生產與應用

根據模擬結果可知，在一定范圍內增大提升條的面角和高度，可以減少端蓋襯板磨損，延長使用壽命。在工業生產中，基于上述研究，并結合現場襯板參數對半自磨機進行調整，進料端端蓋襯板提升條面角改為 15°，高度由 140 mm 提升至 180 mm，端蓋使用壽命得到明顯改善。

優化前后端蓋襯板運行情況如表 3 所列。根據表中數據可知，調整后端蓋襯板累計處理原礦增長了 12.36%，累計運行時間增長了 13.11%，頑石率減小了 1.27%。

表3 端蓋襯板運行情況Tab.3 Operation of liner of end cover

4 結論

(1) 運用離散元法分析半自磨機內顆粒對端蓋襯板磨損情況的影響，發現襯板提升條面角越小，提升條形狀越接近矩形，其與物料的撞擊越直接，造成襯板磨損更嚴重；提升條面角對端蓋襯板的累積接觸能量影響較小，法向累積接觸能量與面角大小不存在明顯影響規律，而襯板的切向累積接觸能量則隨面角的增大而減小。端蓋襯板提升條的高度對襯板磨損存在較大影響，隨著提升條高度的增加，襯板磨損厚度逐漸減小，在適宜范圍內可以增加提升條的高度；提升條高度增加時，物料對端蓋襯板的沖擊作用會略微增加，而切向累積接觸能量隨提升條高度從 150 mm 增至 200 mm 而逐漸減小。

(2) 在工業生產中，基于上述對半自磨機端蓋襯板的研究，并結合現場襯板參數對半自磨機進行調整，進料端端蓋襯板提升條面角改為 15°，高度由 140 mm 提升至 180 mm，端蓋使用壽命得到明顯改善。