浅谈基于ADAMS的磨机参数化建模及仿真

庞国强　王建彬　林　阳　张金宝

(中煤科工集团西安研究院有限公司)



浅谈基于ADAMS的磨机参数化建模及仿真

庞国强王建彬林阳张金宝

(中煤科工集团西安研究院有限公司)

摘要以往磨机的性能优化一般通过制作实体模型、反复修改模型参数后通过理论计算进行比对调试，选择所需性能对应的参数值。不仅设计过程繁琐、研究周期长，还存在性能优化精度差的缺点。为确定影响磨机性能的主要技术参数，以溢流型球磨机为研究对象，基于ADAMS软件对磨机参数进行参数化建模，经布尔运算后获得目的模型。调整模型内各个滑块，施加STEP函数驱动，对变速磨机进行动力学的动态仿真。结果表明，基于ADAMS构造的参数化软件模型具有通用性，适用于不同筒径、衬板高度、球或棒等磨矿介质直径的溢流型磨机；可用于各种工况下的特性分析，方便选择满足性能要求的磨机参数值，缩短了磨机性能优化的周期；用户无需考虑模型内部构件间的关联变动，方便模型的快捷修改，建模效率高；动力学仿真结果符合实际情况和要求。

关键词ADAMS磨机建模参数化动力学仿真

磨机是粉碎物料的关键设备，广泛应用于矿山、水泥、玻璃陶瓷以及新型建筑材料、硅酸盐制品等生产行业。大型化、细磨和超细磨且高效节能的设备是磨机主要的发展趋势[1-2]。以往磨机研究都是通过制作实体模型，通过反复修改实体模型参数和理论计算进行比对调试，最终确定最佳参数的磨机模型，研究工期漫长，而采用仿真软件优化磨机性能的研究仍相对较少。

采用ADAMS软件进行动力学仿真，在所建模型上对磨机滚筒速度、介质的破碎力等进行参数化设计，进行性能比对和优化，可使磨机球介质和棒介质轻松地相互转化，实现一模多用。

1磨机参数化建模

目前，在ADAMS中建模的方式有两种，一是在ADAMS-View附带的工具中建模，二是将Pro/E、UG、SolidWorks等三维软件文件导入建模[3]。采用有利于模型参数化的第一种建模方式进行建模，并将其参数化，轻松获得各种规格的磨机模型，从而缩短新设备的设计周期。

1.1确定磨机技术参数

参数化点的确立原则：①所创建的参数化点能够确定研究对象的位置和方向；②根据特征点可创建模型的可视化几何实体。

由于溢流型磨机结构简单，影响其性能的因素较少，根据以上原则，选择市场上通用的溢流型磨机进行建模。统计某厂MQYG系列球磨机的性能参数、钢球直径与给料粒度的关系，分别见表1、表2。

表1　MQYG溢流型球磨机性能参数

表2　钢球直径与给料粒度之间的关系

依据表1、表2，可获得磨机的参数化表、各参数位置，分别见表3、图1。

表3　磨机的参数化表

考虑到动间隙和端面效应，磨机产品为-5 mm时，磨机衬板高度为0.5～1.5倍介质直径。

图1　磨机各参数位置

1.2创建参数化点及模型部件

创建参数化点方法有两种：①通过主工具箱创建；②通过Tool菜单中的Command Navigator命令创建。

采用第一种方法创建参数化点，首先在ADAMS主工具箱中建立一个圆柱，然后在该圆柱上下左右四个位置建立特征点(Marker)，所建的Marker点见图2。

图2　三维实体上的Marker点

在4个Marker点上重新建立圆柱。由衬板高(xiang_jiao_dian_wai_ban_jing)建立相关性，参数化以后，小圆柱随大圆柱移动，形成磨机滚筒衬垫。在主菜单中，选择Tools/ Dialog Box/Modify后，选择参数化后模块名称，设计目的滑块，参数化后可以自由控制滑块模型。通过作布尔运算，反复变换，可得到目的模型。布尔减运算后的模型和棒磨机模型分别见图3、图4。

图3　布尔减运算后的模型

图4　棒磨机模型

1.3注意事项

(1)两个Part(构件)不能共用1个Marker点。

(2)采用简单的半圆柱状衬垫，既有利于参数化设计，又可以对模型介质起到提升作用。

(3)通过ADAMS计算模型的某个位置时，会出现系统的解不唯一，即多解现象，说明系统的约束方程是奇异的，系统解算失败。

2磨机动力学参数化模型的设置与仿真

为使系统仿真更加真实，模型各构件间的相互约束关系被定义为基于接触碰撞力的约束关系，即构件间只通过法向的接触碰撞力和切向的摩擦力相互约束，而不存在其他约束关系[4-5]。基于ADAMS创建的棒介质磨机模型和球介质磨机模型分别见图5、图6。

图5　ADAMS棒介质磨机模型

图6　ADAMS球介质磨机模型

通过调整球介质磨机模型中的bang-jie-zhi-chang滑块，可以将棒介质变成球介质；通过调整qiu-mo-ji-nei-ban-jing滑块，可以改变滚筒直径大小；通过调整xiang-jiao-dian-wai-ban-jing滑块，可以改变衬板高度；通过调整gun-tong-chang滑块，可以调节滚筒长；通过调整bang-jie-zhi-ban-jing滑块，可以调整球(棒)介质直径。

该参数化模型可涵盖该厂MQYG系列溢流型磨机的全部产品，实现了磨机的仿真研究，达到了一模多用的目的。

常规恒速磨机存在“死区”现象，导致其在研磨过程中能耗浪费较大。变速磨机滚筒驱动角速度采用STEP函数，可以避免“死区”现象的发生，大大提高磨机研磨效率。筒体参数化模型建立后，加入介质，施加STEP函数的驱动(motion)，以控制滚筒驱动转速由停止到运转的不断变化以实现磨机变速。

滚筒驱动角速度见图7。在该STEP函数角速度驱动下，变速球磨机和棒磨机8#介质与滚筒内壁的撞击力和撞击次数分别见图8、图9[6-8]。

图7　变速球磨机滚筒驱动角速度

图8　变速球磨机8#球撞击力

图9　变速棒磨机8#棒撞击力

由图7～图9可知，滚筒驱动角速度在平衡位置上下波动，变化较大，可以满足球(棒)磨机滚筒驱动角速度的变速要求。球磨机介质撞击力超过 2 000 N，撞击次数为5次，而棒磨机介质在同样位置的撞击次数为11次，且撞击力明显大于球磨机。

3结论

基于ADAMS建立磨机参数化的模型可以方便地进行磨机参数调节，无需考虑模型间的关联变动。根据预先设置好的一系列可变参数，通过系列仿真可观察到不同参数值下模型性能的变化，按照实际性能需求选择对应的参数，提高了建模效率；可以求出每个设计变量对结果的影响大小，计算出每个设计变量的影响关系，从而找出对结果影响最大的设计变量并进行优化。该研究为提高分析算法的运算速度和可靠性奠定了理论基础，对于与磨机离心式工作原理类似设备的参数优化，具有借鉴作用。

参考文献

[1]陈炳辰.磨矿原理[M].北京：冶金工业出版社，1989.

[2]毛益平，黄礼富，赵福刚.我国铁矿山选矿技术成就与发展展望[J].金属矿山，2005(2):1-5.

[3]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M]. 北京：国防工业出版社，2009.

[4]魏勇亮，金圭.ADAMS仿真时发生接触穿透的原因及对策[J].机械工程师，2005(9) :53-54.

[5]陈立平，张云清，任为群，等．机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M]．北京：清华大学出版社，2005．

[6]杨忠高.提高球磨机磨矿效率的研讨[J].有色矿山，1991 (2)：37-43.

[7]刘嘉荔.关于调整磨机介质装载提高磨矿效率的初探[J].国外金属矿选矿，1998(6):16-17.

[8]张建华.球磨机中磨球的工作状况及受力分析[J].淮南矿业学院学报.1998，18(2):48-51.

(收稿日期2015-12-01)

庞国强 ( 1978—)，男，助理研究员，710077 陕西省西安市高新区锦业一路82号。