基于正交實驗規(guī)劃的球磨機介質(zhì)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

任國強

（四川職業(yè)技術(shù)學院汽車工程系，四川 遂寧　629000）

基于正交實驗規(guī)劃的球磨機介質(zhì)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

任國強

（四川職業(yè)技術(shù)學院汽車工程系，四川 遂寧629000）

球磨機是靠工作介質(zhì)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(zhì)運動及磨礦效果的要素中，最首要有介質(zhì)尺度、形狀、填充率和轉(zhuǎn)速率、筒體直徑等.對球磨機進行以介質(zhì)尺度、介質(zhì)填充率和磨機轉(zhuǎn)速率為中心的介質(zhì)運動研討，不但能夠進一步探討清楚有關(guān)磨礦進程中的有關(guān)規(guī)則，并且對于提高球磨機的功率和改善生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟指標具有重要含義.本文在分析介質(zhì)運動的基礎(chǔ)上，找到合理的球磨機介質(zhì)運動狀況，建立球磨機離散單元模型，應(yīng)用PFC3D軟件對工作介質(zhì)的運動進行了仿真，最后得出最優(yōu)參數(shù)組合，這樣的實驗過程和實驗結(jié)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(zhì)參數(shù)；正交實驗規(guī)劃；優(yōu)化設(shè)計

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

1　影響球磨機工作介質(zhì)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(zhuǎn)速率、磨球直徑、裝球率、球磨機內(nèi)襯板構(gòu)造與形狀等，下面主要分析影響球磨機工作介質(zhì)的主要因素.

1.1介質(zhì)尺度

球磨機的介質(zhì)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(zhì)對物料進行沖擊和研磨，從而實現(xiàn)對物料的破碎和細磨.工作介質(zhì)的幾何尺度大小決定著介質(zhì)攜帶的能量的大小，也就決定介質(zhì)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(zhì)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(zhì)耗費，因而，工作介質(zhì)幾何尺度的大小是一個影響球磨機粉磨的首要和關(guān)鍵要素.

1.2裝球率

球磨機筒體內(nèi)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(shù)，稱為磨礦介質(zhì)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(shù)就會增多，這樣就可以增加球磨機的產(chǎn)能.但是如果裝球率過高，同時參與粉碎和研磨的內(nèi)層磨球的數(shù)量增多，從而導致內(nèi)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(zhuǎn)速率

當球磨機筒體轉(zhuǎn)動時，工作介質(zhì)隨著筒體一起作回轉(zhuǎn)運動，當其轉(zhuǎn)速達到一定值的時候，介質(zhì)由于作旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力等于其本身的重力，這時，介質(zhì)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(zhuǎn)速就稱為球磨機的臨界轉(zhuǎn)速.介質(zhì)的提升高度和提升力大小、介質(zhì)的運動形態(tài)是由球磨機的轉(zhuǎn)速決定；球磨機轉(zhuǎn)速不一樣，介質(zhì)的運動狀態(tài)就不一樣.

2　正交實驗規(guī)劃

通常實驗優(yōu)化可以用實驗規(guī)劃和回歸規(guī)劃的方式進行.而其中離散優(yōu)化的最佳方式便是實驗規(guī)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(guī)劃時，利用表格的方式處理實驗設(shè)定和數(shù)據(jù)，更有利于實驗的開展.

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

圖1　正交試驗方案設(shè)計流程

試驗過程中會產(chǎn)生三個重要因素:填充率、轉(zhuǎn)速率、磨球尺寸（鋼球尺寸），待試驗的球磨機磨球工作參數(shù)與相應(yīng)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(shù)與相應(yīng)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(xiàn)水平均勻，搭配均勻的原理.雖然試驗次數(shù)少，但是實驗效果明顯.

3　球磨機工作介質(zhì)的優(yōu)化設(shè)計

在程序中運用histwal l power指令，當結(jié)束球磨機仿真實驗運動后，在同目錄中找到相應(yīng)文件，這個文件記錄了運動過程中各個部件功率的數(shù)據(jù)變化，即鋼球和筒體以及提高條之間的能量轉(zhuǎn)換.這些數(shù)據(jù)反應(yīng)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(shù)據(jù)，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(zhuǎn)速率0.4情況運動分析，記錄筒體及提升條功率數(shù)據(jù)變化的程序如下所示：

筒體及提升條功率數(shù)據(jù)記錄程序

以φ20mm、裝球率0.2、轉(zhuǎn)速率0.4情況為例，得到某一時刻鋼球的運動形態(tài)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(tài)及磨球速度矢量圖

3.2試驗數(shù)據(jù)處理

當球磨機仿真結(jié)束后，在相同目錄中找到后綴為.his的文件，這個文件反應(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，以便得到球磨機的真實功率.

依據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)處理辦法，得到有用功率后，再選用極差法處理，數(shù)據(jù)成果如表3所示.

表3　試驗方案數(shù)據(jù)

3.3試驗數(shù)據(jù)結(jié)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(zhuǎn)動的速度是影響磨球運動的主要因素，其次就是鋼球的數(shù)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(yōu)方案中第3水平的是填充率，第2水平為轉(zhuǎn)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(yōu)組合.

4　結(jié)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(zhì)、水等，從而對球磨機的介質(zhì)運動規(guī)則進行了必定的研討。根據(jù)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(shù)據(jù)的分析處理則采用了極差法原理，最后得出最優(yōu)參數(shù)組合，這樣的實驗過程和實驗結(jié)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.

[1]于福家，韓躍新.磨機細磨介質(zhì)優(yōu)化研究[J].金屬礦山, 1997,（03）.

[2]徐泳，孫其誠，張凌，黃文彬.顆粒離散元法研究進展[J].力學進展.2003,（02）.

[3]史國軍.基于三維離散單元法的球磨機介質(zhì)工作參數(shù)研究[D].昆明:昆明理工大學,2008.

[4]應(yīng)靈靈.球磨機介質(zhì)運動規(guī)律的實驗研究[D].昆明:昆明理工大學,2009.

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(yè)技術(shù)學院副教授，碩士.研究方向：機械設(shè)計與制造、CAD/CAM技術(shù).