王赞斌，张伟伟，吉宏志，刘江花

（河南黎明重工科技股份有限公司，河南 郑州 450001）

离散单元法是指通过建立固体颗粒体系的参数化模型，进行颗粒行为模拟和分析，为解决众多涉及颗粒、结构、流体、电磁及其耦合等综合问题提供了一个平台。现如今，EDEM在工业领域的应用逐渐成熟，并已从散体力学的研究、岩土工程和地质工程等工程应用拓展至工业过程与工业产品的设计与研发的领域，且在诸多工业领域取得了重要成果。随着离散单元法在工程应用的不断成熟，相关软件开发也不断出现。EDEM是Favier博士创立的英国Dem—Solution公司的主导产品。

1 基于离散单元法的EDEM颗粒仿真系统

EDEM颗粒算法是现如今最欢迎的一种基于离散单元法的运算模式，它拥有一个能够分析颗粒系统中多种接触关系的CAE软件。在EDEM的装置中，需要设置不同的接触模型，然后使用一个参数来连接不同的颗粒，来承受法向的荷载运动。如果该连接键破碎，破碎后的颗粒能够作为球体进行求解。利用这样的方法，可以模拟出制砂机中的砂石破碎过程，进而定义出最小的颗粒模型，但在这个过程中存在着一个问题，计算机模拟能力无法满足破碎后总颗粒的计算及监控工作，导致计算机资源消耗巨大。通过对比颗粒仿真方法，计算出模拟方法的对比结果，能够生成适合基于离散单元法的粒子破碎的仿真结果。通过分析仿真结果能够发现：当物体的体积破碎后，高速粒子从转子发射的第一次碰撞和第二次碰撞的过程中，均被转子击打，但质量要低于体积破碎的需求。因此，在仿真中直接应用粒子模型进行仿真，降低计算量，通过采用碰撞接触来计算出粒子能量的损耗，推导出模拟成砂率。在仿真过程中，通过判断仿真系统，合理设计结构的参数，来提升转子的转速和关键尺寸等内容，来得出制砂机的最佳优化方法。

2 制砂机新破碎方法的仿真优化设计

制砂机也称立轴式冲击破，利用高速旋转的转子抛射石料，使石料相互撞击。制砂机的成砂率和砂石的质量主要由石料撞击概率、磋磨作用及石料加速充分性来决定。

（1）前期处理。仿真环境设计中，主要涉及转子、破碎腔等工作部件，这些工作部件使用PROE软件来实现建模，矿山在处理尾矿过程中，通过借助软件的建模能力，来设计出以下内容：①产品结构的参数设计需要结合尺寸进行设计，来实现仿真模型的实时更新，以此提升设计的质量；②基于离散单元法的仿真原理及经验，来对已有的零部件进行设计更新，进而简化建模的构建难度，比如转子的固定零部件与三维设计的螺栓组和螺栓孔等特征，来减少仿真软件的计算量；③在各个仿真环境中，装备合适的零部件，将其导入进EDEM中，来形成承载装配关系，降低前期处理模型需要花费的时间。在前期的处理过程中，仿真模块的定义粒子系统和模型的颗粒值都具有反弹关系，包括了颗粒与颗粒、颗粒与金属之间的系数，当系数为1时碰撞运动状态和参与碰撞实验材料硬度和弹性具有很大关系。实验系数的不同，产生的实验结果也不同，通过验证不同石料在同一个机制中制造出不同的破碎效果，来分析不同的差异。在完成模型后，制砂机的入料口可以简化为例子工厂中的粒子仓，其参数需要按照实际的仓速度进行设计，位置随机。

（2）后期处理。在测试砂子运动速度时候，在前期采用10%的计算步长，达到平衡后，采用0.5%步长计算，这样既能够降低仿真的消耗时间，又能够确保相关计算的精准性。同时要注意，每次数据保存的时间需要进行调整，调高颗粒速度，使其缩短为0.01s。此外，仿真设计的统计计算需要整合碰撞的次数及能力的损失情况，对于需要勾选数据保存中的项目，要确保配置中的粒子速度和能量等相关数据的精准性。在计算的过程中通过查看软件的仿真过程以及后期处理的模块中，观察粒子在转子中高速击打设备内部的整个过程；通过粒子的显示模式查看转子垫料层的运行状态等，掌握影响转子结构优化设计的关键因素。

（3）数据分析和结论。为进一步分析数据，本文按照破损理论，取矿石尾矿的邦德功指数，选取D1、D2、D3三个破碎仿真参数模型，来计算出40mm颗粒破碎功。在此次研究中要忽略其他的因素，简化仿真颗粒在接触后发生的体积破损问题，将其功能转化为大于参数的值。如果得出的值大于参数破损值，说明表面积破碎，而统计数据则是模型的成砂率及砂子的质量。在进行第一阶段的D2参数模型设计过程中，测试出此次项目的成砂为34.7%。通过推算，得出了成砂率数据信息，在数据中，石打铁与石打石（矿石尾矿抗压强度60MPa～140MPa，莫氏硬度值是3）的模型成砂率数据需要按照行业的测试数据为依据，而数据参数模型在行业的参数模型数据是来源于实验室的实验测试验证。通过推算其他模型的成砂率，检测相应的测验数据，能够证明使用离散单元法可以提升成砂率。在EXCEL统计数据中生成了对比分析数据，从数据可以得出，新型的模型数据成砂率会大幅度的提升，但是新型的“数据顺序”却打破了模型的成砂率。在选取新型的D1、D2数据模型的时候，会发现研磨的效果会产生大幅度的下降趋势。因此，选择了D3来作为最佳设计方案。根据设计的结果分析，D3模型破碎打破了石打铁的72%效率，研磨效果能够达到石打铁10倍。数据如下：D1研磨次数44，破碎次数为0.13×103；D2研磨次数为64，破碎次数为0.5×103；D3的研磨次数为154，破碎次数为1.0×103。

3 实验验证

为进一步验证仿真实验的可实施性，本文记录了新一代的制砂机应用在生产中的各项指标，并对其稳定性和实验性进行了测试。

实验的过程如下：首先，选择40mm的石灰石作为入料条件，系统筛选的地层过滤网为2.8mm孔径；其次，进行测试，测试的数据为：采样1，成砂率为54.8，堆积密度（t·m-3）1628.4，空隙率为38.4；采样2成砂率为53.4，堆积密度（t·m-3）1685.3，空隙率为37.6；采样3成砂率为52.5，堆积密度（t·m-3）1682.8，空隙率为38.5。

通过这组数据能够分析出成砂率略高于仿真数据，原因是仿真能力的为100t/h～150t/h，实验室设备的实验条件是60t/h。当制砂机出现制砂量下降的时候，就会导致实验数据和仿真数据出现误差。按照相关行业标准，对于建筑用砂，砂的表面密度、堆积密度等数据需要满足规定要求，同时空隙率要小于47%。因此，实验生产的成品砂满足国家的标准，细度模数在2.6～2.7，属于中等砂，成品砂质量优秀。

4 结论

综上所述，矿山在处理尾矿过程中将离散单元法应用在制砂机成砂率提升研究中，能够得出准确的实验数据。在此基础上，仿真设计的统计计算需要整合碰撞的次数及能力的损失情况，对于需要勾选数据保存中的项目，要确保配置中的粒子速度和能量等相关数据的精准性；同时将离散单元法应用在制砂机中，实现优化制砂机结构，达到提升设备成砂率，降低生产能耗的目的。因此，本文研究的基于离散单元法在制砂机成砂率提升的研究适用于矿山的尾矿处理破碎机中，提升数据的准确性。