Analisi e ricerca sul materiale delle barre di soffiaggio del frantoio a impatto basate sul metodo degli elementi discreti

12/12/2024

Riepilogo:Per ridurre l'usura da impatto soffiatori frantoio e prolungarne la durata utile, secondo l'equazione di Rabnowicz, il contenuto di materiale della barra di soffiaggio del frantoio a impatto è stato ottimizzato prendendo il carico sulla barra di soffiaggio del frantoio a impatto come criterio di valutazione della sua usura. Viene eseguita la misurazione fisica del frantoio a impatto LT1213 e del minerale di rame. Il modello UG del frantoio a impatto LT1213 viene stabilito e importato nel software EDEM. Viene analizzato il modello di particelle del minerale di rame. Viene adottato il design del test di combinazione rotatoria ortogonale di regressione quadratica. Il carico della piastra di impatto viene testato dal software a elementi discreti EDEM. L'equazione di regressione di ciascun fattore di prova viene ottenuta dal software SPSS e la mappa di contorno tridimensionale viene disegnata da matlab e viene determinata la regola di influenza di ciascun parametro sull'indice di prestazione. La combinazione ottimale di parametri viene ottenuta ottimizzando i fattori di prova. Quando il contenuto di TiC è del 3.58%, il contenuto di TaC è del 2.77% e il contenuto di Ni è dello 0%, il carico sulle barre di battuta del frantoio a impatto è di 33 kN. L'andamento dell'influenza del contenuto di TaC e TiC sull'usura delle barre di battuta del frantoio a impatto LT24 è stato ottenuto tramite esperimenti e la conclusione della simulazione è stata verificata. I risultati forniscono una base teorica per ottimizzare le barre di battuta del frantoio a impatto, riducendone l'usura e prolungandone la durata utile.

La barra di soffiaggio è una delle parti principali del frantoio a impatto, e le sue condizioni di lavoro sono dure e complesse, ed è soggetta a usura, deformazione e altre forme di guasto. L'adozione di metodi corrispondenti per ridurre la quantità di usura della piastra di impatto e migliorare la resistenza all'usura è di grande importanza per estendere la sua durata di servizio e ridurre i costi di produzione. EDEM è un tipo di software applicativo del metodo degli elementi discreti, che è molto adatto per lo studio del comportamento del movimento e del comportamento meccanico tra popolazioni di particelle discontinue, e ha molte applicazioni e ricerche prospettiche in diversi ambienti di ingegneria.

In questo documento, il processo di frantumazione del minerale di rame con il frantoio a impatto LT1213 è studiato con il metodo degli elementi discreti. Su questa base, viene analizzata la quantità di usura della barra di soffiaggio del frantoio a impatto e il test di combinazione di rotazione ortogonale quadratica viene eseguito dal software degli elementi discreti EDEM, con l'obiettivo di ottenere la combinazione di composizione ottimale della barra di soffiaggio del frantoio a impatto con determinati metodi di calcolo.

Istituzione del modello

Modello di teoria degli elementi discreti

Nel metodo degli elementi discreti proposto in questo studio, l'interazione tra particelle è principalmente la forza radiale e la forza normale, e la forza normale può essere espressa come:

$F_{\mathrm{n}}=\frac{4}{3} E^{*}\sinistra(R^{*}\destra)^{1 / 2} \alfa^{3 / 2}$

Nella formula sopra, $Il^{*}$ è la media del raggio di tutte le particelle, $α$ è l'intervallo di contatto delle particelle e $E^{*}$ è la media del modulo elastico di tutte le particelle, espressa come:

$\frac{1}{E^{*}}=\frac{1-\nu_{1}^{2}}{E_{1}}+\frac{1-\nu_{2}^{2}}{E_{2}}$

Nella forma sopra, ${E_{1}}$ la forma è il modulo elastico di una particella, e $\nu_{1}$ forma è il rapporto di Poisson di una particella. La ${E_{2}}$ e $\nu_{2}$ nella stessa espressione.

La forza radiale può essere espressa come:

$FA_{\mathrm{t}}=-8 SOL^{*} \sqrt{R^{*} \alpha} \eta$

Nella formula sopra, η è l'area di sovrapposizione tra particelle interagenti e $Il^{*}$ è il modulo tradotto dalle particelle.

Pertanto, si può analizzare che nello studio del metodo degli elementi discreti, le forze sulle particelle e sugli oggetti con cui le particelle entrano in contatto sono strettamente correlate al loro modulo di elasticità, al coefficiente di Poisson, al modulo di taglio, ecc., e i valori di questi parametri sono indissolubilmente legati al tipo di materiale.

La creazione del modello delle particelle e del modello geometrico

Equazione di Rabnowicz:

$\frac{V}{S}=K_{\mathrm{abr}} \frac{W}{H}$

$K_{abr}$ è il coefficiente di usura, ${V}$ è la quantità di usura abrasiva (mm), ${S}$ è la distanza di usura (mm); ${Il}$ è il carico (kN); ${H}$ è la durezza del materiale (MPa).

Pertanto, nel processo di funzionamento del frantoio a impatto, generalmente nel caso di ${S }$ e ${H}$ l'usura delle parti funzionanti del frantoio a percussione (ad esempio: barre d'urto, piastra d'urto) è correlata al carico che riceve.

I materiali interni della piastra d'impatto del frantoio a impatto LT1213 sono stati analizzati mediante analizzatore di spettro energetico (FIG. 1) e, combinati con la letteratura pertinente, si è scoperto che i principali componenti dei materiali che avevano un impatto maggiore sull'usura delle barre di soffiaggio erano TiC, TaC, Ni, ecc. TaC, TiC e NI sono stati selezionati per condurre test di simulazione. Nell'esperimento è stato utilizzato il design di combinazione di rotazione ortogonale con regressione quadratica.

Nello studio del metodo degli elementi discreti nell'ingegneria mineraria, indipendentemente dal tipo di minerale frantumato, le caratteristiche geometriche esterne del minerale hanno un impatto importante sui risultati di calcolo del metodo degli elementi discreti. Pertanto, in questo studio, viene analizzata la dimensione geometrica del minerale di rame (FIG. 2), le sue caratteristiche geometriche vengono misurate tramite scanner laser e vengono analizzati l'ambito e la legge della sua distribuzione dimensionale. In base ai risultati dell'analisi, il corrispondente modello di elementi discreti del minerale di rame viene stabilito in EDEM per la successiva ricerca di simulazione.

Nel calcolo di simulazione di elementi discreti, non è necessario stabilire un modello esterno completo, ma solo le parti a contatto con le particelle devono essere modellate. Pertanto, il modello UG del frantoio è relativamente semplificato in EDEM (Figura 3).

Fig. 3 Modello di simulazione del frantoio a impatto lt1213

Progettazione e ottimizzazione dei parametri ausiliari basati su EDEM

Simulazione software EDEM

L'angolo di riposo viene misurato secondo l'esperimento di collasso (FIG. 4) e, combinando le caratteristiche fisiche tra il minerale di rame e il frantoio a impatto con quelle della letteratura, vengono illustrate nella Tabella 1.

Tabella 1 Parametri di simulazione
Materiali Necessari	densità (kg·m³)	rapporto di Poisson	Modulo di taglio /Pa	Coefficiente di restituzione	Coefficiente di attrito statico	Coefficiente di attrito cinetico
Minerale di rame	2520	0.245	2.5×10⁸	0.4	0.45	0.02
Acciaio	7800	0.3	7×10¹⁰	0.5	0.85	0.06
Tic	4930	0.3	7.9×10⁹	0.6	0.8	0.07
Tac	5650	0.33	8.3×10¹⁰	0.6	0.8	0.07
Ni	8902	0.27	2.2×10¹¹	0.65	0.9	0.09

A causa dell'effetto di non adesione della superficie del minerale di rame e della ricerca di cui sopra sul modello di elementi discreti, è noto che Hertz-MindLin (anti-slittamento) integrato viene scelto come modello di contatto di simulazione.

Fattori e indici dei test di simulazione

Sulla base dell'analisi dell'equazione di Rabnowicz di cui sopra, il carico (Z) sulla piastra d'impatto è preso come indice di valutazione. Secondo l'analisi teorica di cui sopra e i requisiti operativi effettivi del frantoio a impatto LT1213, l'intervallo di variazione dei fattori di prova è ragionevolmente controllato, ogni prova viene ripetuta 7 volte e il valore medio è preso come risultato della prova, il codice del livello del fattore è mostrato nella Tabella 2 e il piano di prova e i risultati sono mostrati nella Tabella 3.

Codifica	Tabella 2. Codifica orizzontale dei fattori
	Contenuto di TiC/%	Contenuto Tac/%	Contenuto Ni/%
	X₁	X₂	X₃
1.682	4.4	3.2	1.05
1	3.93	2.92	0.90
0	3.25	2.5	0.68
-1	2.57	2.08	0.46
all'1.682 ottobre	2.1	1.8	0.31

Tabella 3 Schema del test e risultati
Campionati	Contenuto di TiC/%	Contenuto TaC/%	Contenuto Ni/%	Carico parti soggette ad usura/%
1	1	1	1	25.79
2	1	1	-1	24.8
3	1	-1	1	24.66
4	1	-1	-1	26.11
5	-1	1	1	29.03
6	-1	1	-1	27.22
7	-1	-1	1	31.60
8	-1	-1	-1	31.80
9	1.682	0	0	26.01
10	all'1.682 ottobre	0	0	30.84
11	0	1.682	0	26.17
12	0	all'1.682 ottobre	0	32.71
13	0	0	1.682	25.02
14	0	0	all'1.682 ottobre	24.99
15	0	0	0	25.28
16	0	0	0	25.13
17	0	0	0	24.67
18	0	0	0	26.39
19	0	0	0	25.32
20	0	0	0	26.08
21	0	0	0	24.79
22	0	0	0	24.71
23	0	0	0	25.80

Risultati dei test e analisi

Carico delle parti soggette ad usura

È stato utilizzato il software di analisi dei dati Spss per condurre un'analisi di regressione sui risultati del test di carico della piastra di contrattacco nella Tabella 3, mentre i dati del test dell'equazione di regressione sono stati mostrati nella Tabella 4.

Tabella 4 Tabella di prova dell'equazione di regressione per il carico delle parti soggette ad usura
Fonte	Somma dei quadrati	Grado di libertà	Quadrato medio	Valore F
regressione	16575.89	10	1657.59	2334.63
Errore residuo	9.233	13	0.71
Prima della correzione	16585.13	23
Dopo la correzione	143.77	22

Vedere la tabella F.₀ ₀₁(10,13)=4.10,F=2334.63>F₀. ₁(10,13),Pertanto, l'equazione di regressione è altamente significativa e il modello di equazione di regressione quadratica è il seguente:

$\begin{array}{l}A=142.296-23.028 X_{1}-56.088 X_{2}- \\3.209 X_{3}+2.184 X_{1}{ }^{2}+7.969 X_{2}{ }^{2}-3.902 X_{3}{ }^{2}+ \\2.854 X_{1} X_{2}-1.585 X_{1} X_{3}+5.624 X_{2} X_{3}\end{array}$

Utilizzare Matlab per disegnare una mappa dei contorni 3D, come mostrato nella Figura 5.

Fig.5 Diagramma del contorno del carico delle parti soggette ad usura da impatto

L'analisi della FIG. 5 mostra che quando il contenuto di TiC è a livello zero, con l'aumento del contenuto di TaC, il carico della piastra d'impatto mostra una tendenza prima decrescente e poi crescente. Quando il contenuto di TaC è a livello zero, con l'aumento del contenuto di TiC, il carico della piastra d'impatto mostra una lenta tendenza al declino. Quando il contenuto di TiC è a livello zero, la variazione di Ni ha scarso effetto sul carico della piastra d'impatto. Quando il contenuto di Ni è a livello zero, con l'aumento del contenuto di TiC, il carico della piastra d'impatto mostra un brusco declino e poi un leggero aumento. Quando il contenuto di TaC è a livello zero, il carico della piastra d'impatto diminuisce leggermente con l'aumento del contenuto di Ni, ma ha scarso effetto su di esso. Quando il contenuto di Ni è a livello zero, con l'aumento di TiC, il carico della piastra d'impatto mostra un brusco declino e poi un lento trend al rialzo. Inoltre, si può vedere dall'equazione di regressione e dalla mappa di contorno tridimensionale che tre fattori hanno effetti significativi sul carico della piastra d'impatto all'interno dell'intervallo di prova: contenuto di TaC, contenuto di TiC e contenuto di Ni.

Ottimizzazione delle barre di frantumazione dell'impatto

In base al modello matematico di ottimizzazione e all'equazione di regressione di ciascun indice di valutazione delle prestazioni del frantoio a impatto, viene utilizzata la funzione di ottimizzazione non lineare fmincon in Matlab e il processo di ottimizzazione viene eseguito nella condizione di Fₘᵢₙ=Z, ovvero il carico minimo. La funzione di vincolo proposta è la seguente:

$\begin{array}{l}F_{\min }=Z \\\testo { st }\sinistra\{\begin{array}{l}2.1 \% \leqslant X_{1} \leqslant 4.4 \% \\1.8 \% \leqslant X_{2} \leqslant 3.2 \% \\0.31 \% \leqslant X_{3} \leqslant 1.05 \%\end{array}\destra.\end{array}$

I risultati ottimali del trattamento sono i seguenti: contenuto di TiC 3.58%, contenuto di TaC 2.77%, contenuto di Ni 0.33%. In queste condizioni, il test di simulazione mostra che il carico delle parti soggette ad usura del frantoio a impatto è di 24.76 kN.

Verifica di prova

Per eseguire il test in modo ragionevole e a causa dei requisiti di accuratezza dello strumento di preparazione del materiale, quando il contenuto di Ni è dello 0.3%, è stato utilizzato lo strumento di misurazione dell'usura UMT-3 per testare e analizzare l'usura delle barre di soffiaggio del frantoio con diversi contenuti di TaC (1.8%, 2%, 2.5%, 3%, 3.2%) e diversi contenuti di TiC (2.1%, 2.6%, 3.2%, 3.8%, 4.3%) e il test è stato ripetuto 10 volte in ciascun caso. La quantità di usura della barra di soffiaggio del frantoio ottenuta dal test è mostrata nella Figura 6.

Fig. 6 Perdita di usura del martello con diversi contenuti di Tac e Ni

Dalla Fig. 6, quando il contenuto di TiC è lo stesso, con l'aumento del contenuto di TaC, l'usura delle barre di soffiaggio del frantoio a impatto diminuisce gradualmente e quando il contenuto di TaC raggiunge il 2.5%, l'usura delle barre di soffiaggio del frantoio a impatto raggiunge il minimo e quindi con l'aumento del contenuto di TaC, l'usura delle barre di soffiaggio del frantoio a impatto aumenta gradualmente. Quando il contenuto di TaC è lo stesso, il contenuto di TiC è diverso, tranne nel contenuto di TaC dell'1.8%, il contenuto di TiC del 3.8% di usura è maggiore del contenuto di TiC del 2.6% di usura, il resto dei risultati del test riflette che l'usura della piastra di impatto da piccola a grande corrispondente al contenuto di TaC è: 3.2%, 3.8%, 2.6%, 4.3%, 2.1%, rispettivamente. L'andamento dell'effetto del contenuto di TaC e TiC sull'usura della piastra di impatto del frantoio a impatto è lo stesso di quello dei risultati della simulazione.

Conclusione

Utilizzando EDEM come test di frantumazione virtuale del minerale di rame ortogonale, l'equazione di regressione basata sulla forza della contropiastra viene stabilita dal test di combinazione rotante ortogonale di regressione quadratica. Utilizzando Matlab per disegnare la mappa di contorno dell'indice di indagine, è stata ottenuta la tendenza dell'influenza dei fattori di prova sulla forza della barra di soffiaggio e i fattori principali e secondari che influenzano la forza della barra di soffiaggio sono stati determinati come contenuto di TaC, contenuto di TiC e contenuto di Ni.
Viene determinata la combinazione ottimale dei parametri per ridurre la componente di usura della piastra d'impatto del frantoio a impatto LT1213. Quando il contenuto di TiC è del 3.58%, il contenuto di TaC è del 2.77%, il contenuto di Ni è dello 0.33%, l'usura della barra di battuta è minima e il carico sulla barra di battuta del frantoio a impatto è di 24.76 kN.
L'andamento dell'influenza del contenuto di TaC e TiC sull'usura della barra d'urto del frantoio a percussione è stato ottenuto tramite esperimenti, che dimostrano la correttezza dell'analisi della piastra d'urto mediante il metodo degli elementi discreti.

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