PDF《基于离散元法的矿石对溜槽冲击力的模拟研究》

3 ] 在20世纪

7 0年代提出 的离散元法( D E M) ,因能给出颗粒的微观和宏 观力学结果而成为最近几年的研究热点之一.本 文正是在这样的背景下,从理论计算与数值模拟 两方面分析落料对溜槽的冲击. ・

4 3 ・ 重型机械2018N o

3 1 数学模型 颗粒材料是大量离散固体颗粒的聚集体,在 外力作用和内部应力状态改变时发生的类似于流 体的运动状态叫做颗粒流[

4 ] .高炉炉料大部分 是散料体颗粒介质,由于单位炉料对溜槽的冲击 力不方便实测,假设炉料为粉末状在溜槽内流 动,将炉料颗粒流从喉管到溜槽的受力情况简化 成流体流通过流体平面上的弯管[

5 ] .典型溜槽 损坏情况如图 1所示. 图1溜槽损坏图 首先将矿石粉看做连续流体,用理论计算矿 石粉对管道的冲击力.力学模型等效图如图 2所示.图中料流阀处初始速度 V

1 ;

V

2 为溜槽下端 速度;

N ″ x 、N ″ y分别表示由于流体的动量变化引 起的反力沿坐标轴的两个分力. 图2力学模型等效图

1

1 基本原理 炉料是由具有不同密度、粒度、表面粗糙度 和形状等特性的颗粒组成,炉料在流动过程当中 呈现出不同于连续介质的离散性,如果将连续散 状物料等效为连续介质会带来误差,可采用离散 元法( D E M) [

3 ] .

1

2 基本假设 (

1 ) 按大小将高炉炉料分为几个等级,并简 化为等效直径下的圆形准刚性颗粒. (

2 ) 适用于二维平面问题研究. (

3 ) 炉料之间只有摩擦力而无拉力. (

4 ) 炉料的颗粒接触模型是一种弹性力学 模型. 粒间作用力用 弹簧 -阻尼器 -摩擦板 表示,如图 3所示,颗粒 i 主要受两种力的作用, 即重力、颗粒与壁面间和颗粒间的接触力.此外,颗粒 i 还受到两种力矩的作用,即切向力造 成的力矩和滚动摩擦力矩,则根据牛顿第二定 律,每个颗粒的平动和转动方程为 m i d v i / d t = ∑ k i j =

1 F c n , i j+ F d n , i j+ F c t , i j+ F d t , ( ) i j + m i g (

1 ) I i d ω i / d t = ∑ k i j =

1 ( T i j+ Mi j ) (

2 ) 式中,m i 、v i 、ω i 、I i分别为颗粒 i 的质量、平 动速度、转动速度和转动惯量;

m i g为颗粒重 力;

F c n , i j 、F c t , i j 、F d n , i j 、F d t , i j 、Mi j 、T i j 分别为颗 粒i和j间的接触力、力矩以及阻尼力;

k 表示 与颗粒 i 同时接触的数目.在该模型中涉及的颗 粒-壁面间和颗粒 - 颗粒的接触力及力矩计算见 文献[

6 ] . 图3颗粒间相互作用力示意图

2 落料对溜槽冲击 E D E M模拟

2

1 落料冲击模型的建立 本次模拟主要研究了料流对溜槽的不同角度 的冲击效应,另外在 E D E M软件当中可以设置 转速以及 α角,所以只建立喉管和溜槽两个零部 件,然后对溜槽和喉管进行装配,布料器三维模 型如图 4所示.模拟仿真参数设置表 1所示,详 见文献[

7 -

9 ] . 图4布料器三维模型图 ・

5 3 ・

2 0

1 8N o

3 重型机械表1模拟仿真参数 平均粒度 / m m 法向刚度 / N ・m-

1 切向刚度 / N ・m-

1 摩擦因数 质量阻 尼因数 刚度阻 尼因数 时步/ s <

5 1 2*

1 0

4 1 0*

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3 5~

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3 为了尽可能接近理论假设,在其他影响因素 不改变的情况下,在EDEM中模拟两种不同粒 径的矿石,模拟参数如表 1所示.首先模拟一种 粒径小于 5m m的矿石.模拟结果如图 5所示. 由于模拟结果对溜槽的作用力和实际需要存在一 个角度关系,转换关系坐标如图 2所示.所需转 换公式为式(