立轴破转子耐磨件磨损机制研究

背景介绍：立轴冲击式破碎机（简称立轴破）是一种利用冲击破碎原理实现物料高效粉碎的破碎设备，由高速旋转的转子利用离心作用将进入其中的物料加速抛射至破碎腔进行破碎。由于物料在转子内的高速运动，与转子内结构相互碰撞、摩擦而造成零部件的物理磨损。目前，针对耐磨部件的磨损研究方法较为单一，多利用实验方法开展，耗时费力，本案例将离散元仿真方法与磨损模型有效结合，建立了立轴破转子磨损仿真模型，对关键耐磨部件的磨损区域、耐磨性质进行了分析，为转子耐磨性能优化设计提供了理论基础。

磨损理论：

实际工作中，转子受到化学腐蚀和物理磨损的综合影响，其中耐磨件的主要磨损形式为物理磨损。耐磨件的表面与物料发生碰撞或相对滑移而产生磨损，按照磨损机理进行分析[6]，其磨损形式可分为粘着磨损、磨料磨损和冲蚀磨损三种。由于物料在加速过程中与转子碰撞时的相对速度较小，对耐磨件的磨损量影响较小，因此本文只考虑粘着磨损和磨料磨损两种形式。

（1）粘着磨损

Archard模型[7、8]是由Holm最先提出，Archard发展完善的[9]，认为磨损体积∆V_h与接触法向载荷F_N、滑动位移l成正比，而与接触材料的表面硬度H成反比，计算模型如下(1)式中，K称为磨损系数。

（2）磨料磨损

Rabinowicz[10、11]在1965年推导得出了磨料磨损模型，同样认为磨损体积∆V_h与接触法向载荷F_N、滑动位移l成正比，而与接触材料的表面硬度H成反比，但引入了磨料的摩擦角概念，计算模型如下：

(2)式中，θ为摩擦角。

观察可知，Archard模型与Rabinowicz模型十分相似，对于同时存在两种磨损形式的工况下，磨损系数K和tanθ/π可以统一表示，合并式(1)与式(2)：

(3)式中，。

基于离散元法的计算机仿真软件日益成熟，其中EDEM是应用范围较广的一款商业仿真软件，其内置仿真计算流程如图2左侧部分所示。软件内置了用户开发接口程序（API），使用户可以根据自身需要对仿真过程中产生的接触、运动数据进行提取、运算等自定义操作。

式(3)中磨损计算所需表面硬度H与材料属性直接相关，可通过耐磨实验的方式获得。磨损系数K_H与生产工况相关，具有一定的统计学意义，需要根据实际生产工况进行标定。EDEM中物料基础模型是球形，因此摩擦角θ可简化为如图1所示的形式，其计算模型如下：

(4)式中，R代表颗粒的半径，δ代表颗粒与几何体的重叠量。

利用C++语言，根据式(3)编译了计算磨损体积的自定义接口程序(API)，其分析流程如图2右侧部分所示。除磨损系数K_H和表面硬度H需人为设置外，其他参数都可以通过API程序由EDEM计算过程数据中获取。

       

图1 离散元仿真中的摩擦角                               图2磨损分析流程图

分析结果图片：

1，上耐磨板；2，抛料头；3，下耐磨板；4，分料锥

图3闭式转子主要结构示意图  

图4关键耐磨件网格划分处理

图5 分料锥磨损特征

图6 上、下耐磨板磨损特征

图7 抛料头磨损特征

图8不同入料量下的抛料头、耐磨板磨损量

图9不同入料量下的分料锥磨损量

图10 不同入料量下的分料锥磨损形式

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本案例已发表在《中国矿业》杂质，2016年10月第25卷增刊，矿业纵横栏目。文章名称“基于离散元法费立轴破转子磨损机制研究”，作者，吕龙飞、侯志强、廖昊