球磨机破碎能量评估方法

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2024-03-12 17:21:37

权利要求书： 1.一种球磨机破碎能量评估方法，包括如下步骤：S1、通过离散元素法建立颗粒运动仿真模型首先设置材料参数以及材料间的滚动摩擦系数、滑动摩擦系数、恢复系数，构建大、小钢球颗粒的几何模型，并导入滚筒几何体模型；

在滚筒几何体模型中生成一定数量的大、小两种直径的钢球颗粒，钢球生成位置服从均匀分布以模拟球磨机工作前混合均匀的钢球，开始转动球磨机滚筒；待滚筒中颗粒运动趋于稳定且开始呈现明显的轴向聚集于分层现象时，进入下一步；

S2、计算钢球间一次碰撞中的破碎能量其中，为用于破碎原子连接键的能量，反映破碎效率，和分别为碰撞前钢球1和钢球2的机械能，和分别为碰撞后钢球1和钢球2的机械能；

S3、计算轴向分区的区域总能量沿滚筒轴向将滚筒内划分为若干区域，在任一区域中假设颗粒均匀分布，分别统计每个区域内碰撞次数和每次碰撞的能量损失，计算区域内的总能量损失，即为该区域的区域总能量；

S4、绘制区域总能量图，分析破碎效果根据区域总能量信息，绘制图片，与滚筒中的颗粒分布信息比对，即反映滚筒中不同区域的破碎效果；

步骤S3中计算区域内的总能量损失分为两步：S3.1、沿轴向将滚筒内沿轴向划分为N个区域，N的值满足以下公式：，其中，D为滚筒内最大钢球的直径，L为滚筒长度；

S3.2、统计每个区域内的总破碎能量，对于区域i，t时刻处于碰撞状态的数目为S，单次碰撞能量损失为e，，其中Emin为该区域所有碰撞中能量损失最少的，Emax为该区域内所有碰撞中能量损失最大的，为分布函数，则区域i的碰撞损失总能量为式中ej根据分布函数抽样得到，Ei为该区域i的碰撞总能量，反映了该区域的粉磨效果。

2.根据权利要求1所述的球磨机破碎能量评估方法，其特征在于，步骤S2中破碎效率η通过多次重复试验取均值。

3.根据权利要求1所述的球磨机破碎能量评估方法，其特征在于，所述材料参数包括密度、剪切模量和泊松比。

说明书：一种球磨机破碎能量评估方法技术领域[0001] 本发明涉及球磨机破碎效率评估技术领域，特别是涉及一种球磨机破碎能量的评估方法。

背景技术[0002] 球磨机是工程中广泛使用的一种物料破碎机械，主要应用于矿石、水泥、化工和陶瓷等领域。

[0003] 在球磨机中，颗粒间相互碰撞是颗粒破碎的主要方式。球磨机的运行是一个资金和能源密集型的过程，因此即使是对于球磨机效率很小的提升，也能节省大量的能源与资

金开支，带来巨大的经济效益与环境效益。

[0004] 目前，对于球磨机破碎的研究主要有传统数学模型和数值仿真两类方法。传统模型有PBM(populationbalancemodel，群体均衡模型)、Bond's(邦德法)等；仿真方法主要

基于DEM(discreteelementmethod，离散元方法)。但这些方法的共同点在于，他们需要一

个数值来描述球磨机中的破碎能量。

[0005] 对球磨机中破碎能量的研究一般基于滚筒内颗粒是轴向均匀的假设，即认为钢球和物料在滚筒内的分布是轴向均匀的，对钢球沿轴向的移动忽略不计。然而，有研究表明，

滚筒内颗粒物质在运动过程中会出现轴向分层现象，即滚筒内同种颗粒会聚集在一起。颗

粒分层是颗粒物质运动的一个重要性质，球磨机中的颗粒分层与滚筒的运动形式、颗粒形

状、颗粒大小等参数有一些联系。另外，球磨机中的颗粒分层对于球磨机中不同区域的破碎

效果产生了不同影响，这给准确评估球磨机中的破碎效果带来了困难。因此，需要提出一种

适用于非均匀混合颗粒的指标对粉磨效果进行评估，反映颗粒分层对球磨机粉磨效果的影

响。

发明内容[0006] 本发明的目的在于：在考虑球磨机中颗粒轴向分层的情况下，提供一种更准确可靠的破碎能量评估方法，进而准确评估球磨机工作的破碎性能。

[0007] 实现上述目的的技术方案是：[0008] 一种球磨机破碎能量评估方法，包括如下步骤：[0009] S1、通过离散元素法建立颗粒运动仿真模型[0010] 首先设置材料参数以及材料间的滚动摩擦系数、滑动摩擦系数、恢复系数构建大、小钢球颗粒的几何模型，并导入滚筒几何体模型；

[0011] 在滚筒几何体模型中生成一定数量的大、小两种直径的钢球颗粒，钢球生成位置服从均匀分布以模拟球磨机工作前混合均匀的钢球，开始转动球磨机滚筒，待滚筒中颗粒

运动趋于稳定且开始呈现明显的轴向聚集于分层现象时，进入下一步；

[0012] S2、计算钢球间一次碰撞中的破碎能量[0013] Eb＝η·[(E1+E2)?(E1'+E2')][0014] 其中，Eb为用于破碎原子连接键的能量，η反映破碎效率，E1和E2分别为碰撞前钢球1和钢球2的机械能，E1'和E2'分别为碰撞后钢球1和钢球2的机械能；

[0015] S3、计算轴向分区的区域总能量[0016] 沿滚筒轴向将滚筒内划分为若干区域，在任一区域中假设颗粒均匀分布，分别统计每个区域内碰撞次数和每次碰撞的能量损失，计算区域内的总能量损失，即为该区域的

区域总能量；

[0017] S4、绘制区域总能量图，分析破碎效果[0018] 根据区域总能量信息，绘制图片，与滚筒中的颗粒分布信息比对，即反映滚筒中不同区域的破碎效果。

[0019] 步骤S3中计算区域内的总能量损失分为两步：[0020] S3.1、沿轴向将滚筒内沿轴向划分为N个区域，N的值满足以下公式：其中，D为滚筒内最大钢球的直径，L为滚筒长度；

[0021] S3.2、统计每个区域内的总破碎能量，对于区域i，t时刻处于碰撞状态的数目为S，单次碰撞能量损失为e，e～Θ(Emin,Emax)，其中Emin为该区域所有碰撞中能量损失最少的，

Emax为该区域内所有碰撞中能量损失最大的，Θ为分布函数，则区域i的碰撞损失总能量为

[0022][0023] 式中ej根据分布函数抽样得到，Ei为该区域i的碰撞总能量，反映了该区域的粉磨效果。

[0024] 所述材料参数包括密度、剪切模量和泊松比。[0025] 本发明采用了以上技术方案，使其具有的有益效果在于：[0026] 假设矿料的破碎效果与碰撞过程中的能量损失成正相关，并将滚筒内划分为若干区域，因此能准确反映出区域之间的差异，能全面反映球磨机整体工作性能。消除了传统方

法下忽略颗粒轴向分布不一致而导致的弊端，且在仿真环境下计算简单，计算的结果也比

较准确。

附图说明[0027] 图1为本发明球磨机破碎能量评估方法的流程图；[0028] 图2是颗粒轴向分层分布情况；[0029] 图3是颗粒对矿粒的破碎示意图；[0030] 图4是滚筒区域分割图(滚筒前视图)；[0031] 图5是大颗粒?大颗粒碰撞能量损失碰撞能量损失图；[0032] 图6为大颗粒?小颗粒碰撞能量损失图；[0033] 图7为小颗粒?小颗粒能量损失图；[0034] 图8为小颗粒?几何体能量损失图。具体实施方式[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

[0036] 步骤一：通过离散元素法建立颗粒运动仿真模型。[0037] 首先设置材料参数(密度、剪切模量和泊松比)以及材料间的滚动摩擦系数、滑动摩擦系数、恢复系数。构建大小钢球颗粒的几何模型，并导入滚筒几何体模型。

[0038] 在滚筒几何体模型中生成一定数量的大、小两种直径的钢球颗粒，钢球生成位置服从均匀分布以模拟球磨机工作前混合均匀的钢球。开始转动球磨机滚筒，待滚筒中颗粒

运动趋于稳定且开始呈现明显的轴向聚集于分层现象时，此时的大小球分布如图2所示。可

见大颗粒仍基本均匀分布，小颗粒在分布上呈现出在两端和中间聚集的情况。

[0039] 步骤二：计算钢球间一次碰撞的破碎能量。[0040] 球磨机对矿料进行破碎是利用滚筒内磨介与磨料之间的碰撞、挤压、研磨的过程。当磨料质量较大时，磨料间的碰撞、磨料与滚筒的碰撞可能引起矿粒的破碎。随着粉碎过程

的进行，磨料体积会不断变小。当磨料质量小时，磨料间的相互碰撞则不能引起颗粒的破

碎。此时矿料的破碎主要依靠钢球的撞击作用。如图2所示。

[0041] 钢球1碰撞前的机械能E1，钢球2碰撞前的机械能E2，碰撞后，钢球1和钢球2的机械能为E1'和E2'，则碰撞过程中损失的机械能为

[0042] ΔE＝(E1+E2)?(E1'+E2')[0043] 碰撞过程中损失的能量ΔE中，一部分以噪声、振动等形式耗散，还有一部分用于打破矿粒间的原子间连接键，实现对矿料的破碎。记η为碰撞的破碎效率，则

[0044] Eb＝η·ΔE[0045] 式中，Eb为用于破碎原子连接键的能量。实际每一次碰撞过程中，η的值都是不同的，但是对于特定的钢球配比，总可以给出一个η的均值，从总体上反映破碎效率。

[0046] 因此假设，矿料的破碎效果与碰撞过程中的能量损失成正相关，即碰撞过程中损失的能量越多，则用于破碎的能量也越多，破碎效率也就更高。

[0047] 步骤三：计算轴向分区的区域总能量。[0048] 沿轴向将滚筒内划分为若干区域，如图4所示，在任一区域中假设颗粒均匀分布。[0049] 区域的划分数量根据滚筒内钢球的大小来定。滚筒内最大钢球的直径为D，滚筒长L，划分的总区域数目为N，

[0050] 接下来，分别统计每个区域内碰撞次数和每次碰撞的能量损失，计算区域内的总能量损失，即为该区域的区域总能量。对于区域i(i＝1,2,3…N)，t时刻处于碰撞状态的数

目为S，单次碰撞能量损失为e，e～Θ(Emin,Emax)，其中Emin为该区域所有碰撞中能量损失最

少的，Emax为该区域内所有碰撞中能量损失最大的，Θ为分布函数，分布函数与该区域内钢

球总数、转速等有关。则区域i的碰撞损失总能量为

[0051][0052] 式中ej根据分布函数抽样得到。Ei为该区域i的碰撞总能量，反映了该区域的粉磨效果。

[0053] 步骤四：绘制区域总能量图，分析破碎效果。[0054] 对每种碰撞的能量损失进行抽样，得到能量损失样本空间S。[0055] 如表1所示，样本空间S有四个子空间，分别为大颗粒?大颗粒碰撞能量损失样本空间、大颗粒?小颗粒碰撞能量损失样本空间、小颗粒?小颗粒能量损失样本和小颗粒?几何体

能量损失样本空间。

[0056] 表1碰撞能量损失样本空间[0057][0058] 根据上述算法，计算各区域的各种碰撞的区域总能量，结果如图5～图8所示。[0059] 可以看出，小颗粒参与的碰撞能量损失，由于小颗粒数目沿滚筒轴向分布不均匀，区域总能量沿轴向也是不均匀的：碰撞在中部和两端区域的区域总能量要大于在其他区

域；且有小颗粒参与的三种碰撞能量的分布图形与小颗粒分布图形相似。而大颗粒?大颗粒

碰撞的能量损失在轴向分布几乎不变，呈均匀分布。

[0060] 由此可见，不同种类碰撞能量沿轴向分布不均匀，且区域总能量分布与颗粒数目分布近似正相关。

[0061] 区域总能量是将滚筒划分为若干区域，独立计算每一个区域内破碎能量的方法，此方法能准确反映球磨机各个区域内的工作效果，对整体工作效果的反映更加全面。

[0062] 算例计算结果表明当颗粒分布不均匀时，球磨机各区域的破碎效果是不均匀的。因此，采用区域总能量来评估球磨机工作效果是有必要的。

[0063] 以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成本发明的限定，本发

明将以所附权利要求限定的范围作为本发明的保护范围。