基于正交實驗規劃的球磨機介質參數優化設計

任國強

（四川職業技術學院汽車工程系，四川 遂寧　629000）

基于正交實驗規劃的球磨機介質參數優化設計

任國強

（四川職業技術學院汽車工程系，四川 遂寧629000）

球磨機是靠工作介質運動的沖擊與研磨來完成物料的破碎和細磨，磨機中影響介質運動及磨礦效果的要素中，最首要有介質尺度、形狀、填充率和轉速率、筒體直徑等.對球磨機進行以介質尺度、介質填充率和磨機轉速率為中心的介質運動研討，不但能夠進一步探討清楚有關磨礦進程中的有關規則，并且對于提高球磨機的功率和改善生產技術經濟指標具有重要含義.本文在分析介質運動的基礎上，找到合理的球磨機介質運動狀況，建立球磨機離散單元模型，應用PFC3D軟件對工作介質的運動進行了仿真，最后得出最優參數組合，這樣的實驗過程和實驗結果對球磨機的實踐具有較強的參考價值和指導意義.

球磨機；介質參數；正交實驗規劃；優化設計

球磨機是物料被破碎后再進行粉碎細磨的關鍵設備，主要用于粉磨各種礦石和其它物料，被廣泛應用在建材、礦廠、冶金、化工、及電力等若干基礎行業中.球磨機中物料的破碎是靠介質運動的沖擊與研磨來完結，球磨機的磨礦作用跟介質運動狀況有著直接關系，而球磨機介質運動狀況是由其介質作業參數所決定.

1　影響球磨機工作介質運動因素分析

對球磨機破碎力影響的因素較多，主要影響因素主要有：筒體直徑、轉速率、磨球直徑、裝球率、球磨機內襯板構造與形狀等，下面主要分析影響球磨機工作介質的主要因素.

1.1介質尺度

球磨機的介質尺度是指磨球直徑的大小或者是圓柱鋼鍛的大小.

球磨機的工作原理就是靠工作介質對物料進行沖擊和研磨，從而實現對物料的破碎和細磨.工作介質的幾何尺度大小決定著介質攜帶的能量的大小，也就決定介質對物料實施的破碎力的大小，最終決定著球磨機粉磨的功率以及其質量特性，從另一個方面也將影響球磨機粉磨的能量消耗和工作介質耗費，因而，工作介質幾何尺度的大小是一個影響球磨機粉磨的首要和關鍵要素.

1.2裝球率

球磨機筒體內研磨體填充的容積與球磨機筒體的有效容積之比的百分數，稱為磨礦介質的裝球率.

裝球率越大，在球磨機的筒體容積相同的情況下，參與粉碎和研磨的有用磨球的個數就會增多，這樣就可以增加球磨機的產能.但是如果裝球率過高，同時參與粉碎和研磨的內層磨球的數量增多，從而導致內層的破壞效果較小；另一方也會導致在粉碎和研磨的過程中磨球的堆積較高，從而降低了磨球拋離點與拋落點之間的距離，也就降低了磨球的有用沖擊高度，減緩了磨球的沖擊和破壞的效果，由此可見，當球磨機的裝球率過大時，對于磨礦的效果反而不利.

1.3轉速率

當球磨機筒體轉動時，工作介質隨著筒體一起作回轉運動，當其轉速達到一定值的時候，介質由于作旋轉運動產生的離心力等于其本身的重力，這時，介質被升舉至脫離角為零的位置，此時，研磨體將緊貼附在筒壁上而不會降落下來，這個轉速就稱為球磨機的臨界轉速.介質的提升高度和提升力大小、介質的運動形態是由球磨機的轉速決定；球磨機轉速不一樣，介質的運動狀態就不一樣.

2　正交實驗規劃

通常實驗優化可以用實驗規劃和回歸規劃的方式進行.而其中離散優化的最佳方式便是實驗規劃，即通過一系列的步驟，使用拉丁方、均勻表、正交表等方式來進行實驗.作規劃時，利用表格的方式處理實驗設定和數據，更有利于實驗的開展.

正交實驗規劃的進程包含規劃實驗計劃和處理實驗成果兩步.規劃實驗計劃的具體步驟如圖1所示.接下來通過實驗數據，對其中重要的步驟作詳細說明：

圖1　正交試驗方案設計流程

試驗過程中會產生三個重要因素:填充率、轉速率、磨球尺寸（鋼球尺寸），待試驗的球磨機磨球工作參數與相應水平情況如表4.1所示，取水平3.

表1　待試驗的球磨機磨球工作參數與相應水平

所選用的三因素三水平的正交表如下表2所示：

表2　選用的正交表

從上表中可以看出，通過正交表實驗，可以體現水平均勻，搭配均勻的原理.雖然試驗次數少，但是實驗效果明顯.

3　球磨機工作介質的優化設計

在程序中運用histwal l power指令，當結束球磨機仿真實驗運動后，在同目錄中找到相應文件，這個文件記錄了運動過程中各個部件功率的數據變化，即鋼球和筒體以及提高條之間的能量轉換.這些數據反應出不同時間各個墻體的功率差異.因此，下一步就是處理這些數據，以便得到球磨機的有效功率.

3.1試驗點仿真

對φ40mm、裝球率0.2、轉速率0.4情況運動分析，記錄筒體及提升條功率數據變化的程序如下所示：

筒體及提升條功率數據記錄程序

以φ20mm、裝球率0.2、轉速率0.4情況為例，得到某一時刻鋼球的運動形態及磨球速度矢量圖如下圖2所示：

圖2　某一時刻的運動形態及磨球速度矢量圖

3.2試驗數據處理

當球磨機仿真結束后，在相同目錄中找到后綴為.his的文件，這個文件反應了仿真運動中筒體和其他部分功率上的變化情況，即鋼球于筒體和襯板提高條之間碰撞耗費的能量.所記錄的數據是不同時間作用在各個墻體上的功率，因而，需要進一步的處理這些數據，以便得到球磨機的真實功率.

依據上述實驗數據處理辦法，得到有用功率后，再選用極差法處理，數據成果如表3所示.

表3　試驗方案數據

3.3試驗數據結果分析

（1）通過比較極差Ri的大小，可以知道鋼球的大小和轉動的速度是影響磨球運動的主要因素，其次就是鋼球的數量多少也是影響因素之一；

（2）通過比較的大小，試驗水平的優方案中第3水平的是填充率，第2水平為轉速率，第1水平則是磨球尺寸；

（3）綜上分析，第九組試驗點的情況為試驗中的最優組合.

4　結束語

球磨機的磨礦進程是一個復雜的過程，本文是忽略其他一些因素的影響，比如礦物質、水等，從而對球磨機的介質運動規則進行了必定的研討。根據正交實驗的計劃，以離散元軟件為手段，進行仿真實驗，而實驗數據的分析處理則采用了極差法原理，最后得出最優參數組合，這樣的實驗過程和實驗結果對球磨機的實踐具有較強的參考價值和指導意義，但是因為試驗條件的約束，論文的研討定論存在著必定的局限性.

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責任編輯：張隆輝

TD453

A

1672-2094（2016）04-0171-03

2016-05-16

任國強（1975-），男，四川南充人，四川職業技術學院副教授，碩士.研究方向：機械設計與制造、CAD/CAM技術.