吉林大学学报(工学版) ›› 2018, Vol. 48 ›› Issue (6): 1770-1776.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170772

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基于DEM-FEM耦合的双齿辊破碎机辊齿强度分析

毕秋实1(),王国强1,黄婷婷1,毛瑞2,鲁艳鹏1   

  1. 1. 吉林大学 机械科学与工程学院,长春 130022
    2. 太原重工股份有限公司 技术中心,太原 030024
  • 收稿日期:2017-07-24 出版日期:2018-11-20 发布日期:2018-12-11
  • 作者简介:毕秋实(1988-),男,博士研究生.研究方向:机械现代设计理论与方法.
  • 基金资助:
    2014年度山西省煤基重点科技攻关项目(MJ2014-02)

Tooth strength analysis of mineral sizer by coupling discrete element method and finite element method

BI Qiu-shi1(),WANG Guo-qiang1,HUANG Ting-ting1,MAO Rui2,LU Yan-peng1   

  1. 1. College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022,China
    2. Technical Center, Taiyuan Heavy Industry Co., Ltd., Taiyuan 030024, China
  • Received:2017-07-24 Online:2018-11-20 Published:2018-12-11

摘要:

由于双齿辊破碎机入料粒度大、破碎过程短,且破碎机理以拉伸和剪切破坏为主,从而导致在设计时难以确定载荷大小以及载荷分布。对此,本文提出了一种基于离散元(DEM)与有限元(FEM)耦合计算的双齿辊破碎机辊齿强度分析方法,通过施加分布载荷的方法提高了辊齿强度计算的真实性和准确性。分布载荷通过离散元软件EDEM仿真计算得到。本文针对双齿棍破碎机的入料粒度分布,考虑物料强度的尺寸效应,分别对不同粒度的物料进行了单轴压缩试验和巴西圆盘试验,标定物料的抗压和抗拉强度,并最终确定了离散元仿真中的粘结参数。通过分析离散元仿真结果,选取辊齿受力最大时辊齿上的分布载荷,将其加载到在ANSYS环境中对应时刻工作位置的辊齿FEM模型上,进行强度分析。结果表明:最大受力时刻辊齿载荷主要分布在齿背,此时在齿根前部有应力集中。

关键词: 机械设计, 双齿辊破碎机, 辊齿, 离散元与有限元耦合方法, 尺寸效应, 标定, 强度分析

Abstract:

Comparing with compressive primary crushers such as jaw crusher or gyratory crusher, mineral sizer breaks the material mainly by shear or tensile force. Besides, mineral sizer has unique characteristics that it can crush larger mineral particles and shorten the crushing process. Because of the complexity of the crushing process of the mineral sizers, it is difficult to calculate the breaking force acting on the breaking tooth and its distribution theoretically. Therefore, a DEM (discrete element method)-FEM (finite element method) coupling method was applied in this article for the tooth strength analysis in order to improve both the authenticity and the accuracy of the calculation. In this method, the distributed loads, which are the output from the DEM simulation software of EDEM, are applied to the FEM model constructed in the software of ANSYS. It is essential to calibrate the bonding parameters in DEM simulation so as to properly describe the breaking behavior. In this article, uniaxial compression experiment and Brazil disk test were taken as the calibration methods for the bonding parameters according to the compressive and tensile strengths of different bonded materials considering the size effect. After the calibration of bonding parameters, crushing process was simulated in software of EDEM and the breaking force distribution on the tooth at any second was obtained and analyzed. Finally, the force distribution at the moment when the largest breaking force occurred was exported and applied on the FEM model in the software of ANSYS for the strength analysis. The results of the FEM analysis show that the breaking force load mainly distributes on the back of the breaking tooth and the stress concentration occurs at the front part of it.

Key words: mechanical design, mineral sizer, roller tooth, discrete element method (DEM) and finite element method (FEM), size effect, calibration, strength analysis

中图分类号: 

  • TD451

图1

辊齿的DEM-FEM建模"

图2

粘结模型示意图"

图3

辊齿的基本参数"

表1

仿真物料入料粒度及数量"

选择粒径/mm 100 178 400 500 700 1300
质量百分比/% 76.8 4.3 6.4 3 3.1 2.9
数量 60000 490 75 18 7 1

表2

颗粒接触参数"

参数 物料 齿辊
密度/(kg·m-3) 2000 7850
泊松比 0.29 0.3
剪切模量/MPa 20 8.0×104
静摩擦因数 0.45 0.4
动摩擦因数 0.2 0.05
恢复系数 0.01 0.2

图4

煤的尺寸对抗压强度的影响"

图5

EDEM中单轴压缩仿真试验"

图6

模型的压应力-应变曲线图"

图7

EDEM中巴西圆盘仿真试验"

表3

粘结参数值"

物料粒度
/mm
单位面积
法相刚度/
(108 N·m-2)
单位面积
切向刚度/
(107 N·m-2)
临界法
向应力/
MPa
临界切
向应力/
(105Pa)
400 5.2 5.2 4.1 4.1
500 6.3 6.3 5.5 5.5
700 9.5 9.5 6.5 6.5
1300 1.1 1.1 8.0 8.0

图8

双齿辊破碎机破碎过程仿真"

图9

中间辊齿的受力图"

图10

EDEM模块与Static Structural模块的耦合"

图11

辊齿的有限元分析"

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