陶瓷立式磨破碎數值分析

謝求泉

摘 要：基于有限元數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，并進行立式磨破碎過程的瞬態動力學仿真，得出單個陶瓷原料在整個擠壓過程的形變和力學特性。分析磨輥輥徑比對陶瓷原料破碎的影響，并對磨輥輥徑比進行優化，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意義。

關健詞：陶瓷立式磨；破碎分析；磨輥輥徑比

1 引言

立式磨作為高效節能的粉磨設備，具有研磨力強、產品細度易于控制等特點，在陶瓷工業中得到了初步應用，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能的陶瓷原料研磨工藝流程，改善傳統陶瓷生產工藝流程中球磨環節能耗巨大、磨料耗材成本高等缺點[1]。立式磨根據料床粉磨原理，有相對運動的磨輥、磨盤裝置來完成物料的粉磨。本文運用有限元數值仿真技術，在接觸理論基礎上，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分析，研究其破碎機理。

2 模型的創建

2.1幾何模型創建

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，作用在磨盤、磨輥上的負載主要在磨盤、磨輥的中部，簡化實體模型，即陶瓷原料于磨輥、磨盤兩個粉碎部件之間，該立式磨為三個磨輥均勻的分布在磨盤上，所以只對其中一個磨輥破碎物料建模，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置為剛體；物料在破碎過程中變形大，所以把它假設成塑性雙線性各向同性模型。相應的材料模型參數如表1所示。

2.3劃分有限元網格

網格劃分是有限元分析前處理最關鍵的一步，既影響計算的速度，又影響計算的精度。本文采用solid164單元對網格劃分，設置為全積分單元算法，由于該模型得進行相應的優化，故采用自由劃分生成六面體網格，計算出立式磨的有限元模型如圖2所示。

2.4創建接觸對

立式磨在破碎陶瓷原料過程中，磨輥與原料、磨盤與原料之間發生接觸，由于接觸區域無法事先估計，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，在建立接觸對時設置靜摩擦系數為0.65，動摩擦系數是0.02[3]。

2.5施加約束和載荷

由立式磨的相對運動規律，對物料單元施加一個Z方向的初速度v = -1 m/s，在柱坐標系中，對物料單元設置X轉動方向的轉動約束；由于磨盤由電動機通過減速器驅動，對磨盤施加Y方向的角轉速，轉速為35 r/min；而磨輥由于破碎過程中的摩擦力驅使它繞軸旋轉，所以對磨輥不需要約束X方向轉動約束。

3 基于ANSYS LS-DYNA的仿真結果分析

利用LS-PrePost后處理器查看數值計算結果。單個陶瓷物料顆粒剛開始分別與磨輥、磨盤相互接觸，隨著破碎進行，物料在破碎過程中受到擠壓力隨時間變化而變化。物料剛開始運動到磨輥正下方時，物料所受的壓力迅速地增大到達最大時，運動時間T = 0.35，最大值為MPA = 2.919 × 109 Pa，如圖3所示；并且最大壓力值節點產生的位置也不斷地變化；由于剛開始假設了物料為塑性材料，隨著物料離開間隙最小處時，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，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組數值計算，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，陶瓷原料所受到的壓力快速地增大；而當物料受到高壓時，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；然后顆粒受到的應力快速下降即物料反彈膨脹階段。由圖可知當磨輥輥徑比大約為0.5時，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 結論

對立式磨破碎過程的數值仿真，可知陶瓷原料破碎時間非常短，在該破碎過程中，最大受壓節點位置也是不斷改變，這由于物料運動和受到磨輥、位置和受力位置改變。通過對幾組磨輥輥徑比數值仿真，其受擠壓力隨時間不斷變化，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，為研發陶瓷立式磨提供了相應的理論。

參考文獻

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