大型工业球磨机运动建模方法及介质轴向分层现象研究

In the roller, different sizes of mediums will agglomerate respectively at the operation process of large industrial mill. The motion of large mediums close to both ends of the cylinder, and the small mediums are assembled in the middle part of the roller to form axial segregation phenomenon of medium. This phenomenon makes the different sizes of media can not play the ideal grinding function, which leads to reduce the grinding efficiency greatly. In this study, according to the characteristics of charge motion in large scale industrial mill, the modeling method of mass charge motion is researched based on DSMC method and hard-sphere model firstly. Secondly, the motion information of media are extracted from laboratory and industrial mills through the image and signal processing methods, which can provide reliable model parameters for the above research and verify the validity of model to improve the simulation accuracy of charge motion. Based on the above research, the mechanism and influence factors for axial segregation phenomenon of charge motion are discussed and analyzed, and the appropriate design and operation parameters of ball mill are determined to eliminate this phenomenon. The research findings of this project will explore the direction of charge motion simulation for the large industrial mill. At the same time, it can supply the new idea and direction for increasing the utilization rate of grinding energy.

在大型工业球磨机运行过程中，滚筒内不同尺寸的介质会分别聚团，大介质靠近筒体两端运动，小介质向中部进行聚集，形成介质的轴向分层现象，使得大小介质不能起到理想中的混合粉磨功能，大大降低制粉效率。本项目针对大型工业球磨机介质运动的特点，基于直接模拟蒙特卡洛法、硬球模型等理论，对大量介质运动的建模方法进行研究；通过图像、信号处理等手段从实验室和工业球磨机运行过程中提取介质运动信息，为上述研究提供可靠的模型参数，并对模型有效性进行验证和修正，提高其模拟精度。在此基础上分析和探讨介质轴向分层现象的机理及影响因素，确定合适的设计和工作参数来消除分层现象。项目研究成果将为大型工业球磨机介质的运动仿真开辟探索方向，同时为提高球磨机粉磨过程中的能量利用率提供新的方向和思路。

在本项目中首先对离散元方法中的接触检测算法和接触力模型进行了研究，提出了一种基于多级网格和包围盒的接触检测算法和非增量摩擦模型，提高了接触判断的速度和准确性、降低了接触力计算的复杂度。针对GPU并行计算模型可以实现大规模多线程计算的特点，采用以颗粒为单位的计算任务划分方式，将颗粒作为最小线程单元，让每个线程负责一个颗粒的相关计算；根据GPU线程的轻量化特点，将上述改进离散元素法的计算步骤划分为逻辑上更简单的多个步骤，减少每个核函数的计算负担，从而建立基于GPU和离散元素法的计算框架，实现了大型工业球磨机的运动建模。通过实验室小型球磨机和工业球磨机实验验证了所建模型的有效性，并通过三种比较方案说明了所建球磨机运动模型的计算高效性。基于牛顿力学，对大小颗粒的碰撞过程进行了分析，研究了引起颗粒分层现象的原因。提出了一种基于轴向中心近邻指数的评估指标，能够在时间和空间上反映颗粒混合和分层的情况，提高了局部颗粒位置信息对分层程度的影响，突破了长滚筒单个径向截面的限制，实现了对轴向分层程度的准确量化。同时提出一种基于堆叠图像的表层分层程度的量化方法，该方法无需停机取样或使用侵入式探针，在实验和数值模拟中均可使用，能够很好地预测宏观层面的颗粒混合和分层过程。基于球磨机运动模型，以颗粒密度比、粒径比、滚筒长径比为可变参数进行了多组模拟实验，研究了轴向分层行为的影响因素。最后，基于颗粒粘结模型，实现了物料破碎过程的模拟。并通过粘结键断裂程度和相对区域总能量评估指标，得到了轴向分层特征、相对区域总能量和整体破碎效率三者之间的关系，为提高球磨机的粉磨效率提供了新的方向。