球磨机衬板及相关零部件的改进设计

北京科技大学硕士学位论文该篇文章的最终顺利创作完成，离不开韩建友教授细致入微的指导、关心以及帮助。

在专业知识的学习上，韩教授为我答疑解惑，在日常生活上更是给予我莫大的支持和帮助。

老师严谨的治学风范、优良的教学态度以及平易近人的生活作风，都是我时刻学习的典范。

从论文开题到全文的完成，经过这系统化的论文创作过程，我对学习过的专业知识有了更高层次的理解，专业领域的科研水平进一步提升，这正是我提升工作水平和学习能力所必需的，必将加速我的成长和进步。

所以，我要向敬爱的韩教授致以最诚挚的谢意！在创作此论文时，李威、邱丽芳和边新孝等老师给予了我很大专业性的指导，让我从容应对并解决遇到的各种难题，我由衷地感谢他们。

历经多年求学，我终于就要学成毕业，在物质方面我的家人给我全力支持和鼓励，精神方面亦是如此，感谢我最亲最爱的人。

创作本文，我引用了国内外多为行业权威的科研理论成果，一道向他们表示感谢。

- I -北京科技大学硕士学位论文行业。

它的运行原理并不复杂，通过机械传动的方式，让磨筒保持每分钟二十转左右的低速转动，内置钢球受到离心力的影响，位置上升到水平夹角的五十三到六十度之间，之后依照抛物线的轨迹向下落，需要破碎的各类矿石等介质受到钢球的冲击，成为细小颗粒，从而进行下一步工序。

选矿厂的生产过程中，球磨机对于整个生产活动至关重要，整个厂的产能以及能耗是由磨矿的产能和能耗决定的。

所以，对球磨机的研究就有巨大的现实意义。

本文对国内外的球磨机研究理论成果进行了全面的介绍，并对创作本文所必须的理论内容和分析工具进行了深入的说明。

除此之外，还深入分析了衬板的材质、构造以及受力状况。

所创建的与标准相符的介质运动数值模型，是基于对相关理论的深入研究、离散单元法以及三维离散元软件PFC3D而设计的，还通过运用其他专家科研成果对其有效性进行了检验。

球磨机有用功会受到衬板波纹的影响，论文的结尾部分进行了相关的模拟活动，对两者的关系进行了分析，还对其他影响因素（诸如转速、填充程度等）进行深入分析。

通过球磨机的数值仿真形成的研究结果，为后续的磨机衬板研究提供了借鉴价值。

对于磨机设计方法的创新，也具有重要的指导意义。

在建材制造及矿山开发的研磨工艺环节中，球磨机发挥了关键性作用，在工作过程中，球磨机发生故障，超过一半是由零部件严重受损导致的，其中磨机衬板是磨损最为严重的，与欧美国家相比，国产衬板质量较差，使用年限仅为它们的四分之一。

根据有关部门的测试克制，只要将磨机的工作效率提高百分之一，其产能就会提高百分之三，还会使得设备配件的更换更贱方便。

所以，要使得磨机的工作效率更高，并增加衬板的使用年限，关键在于其材质和构造。

因为与球磨机构造相关的研究活动并不多，在设计其衬板构造的时候，完全是通过经验的积累以及多次实验来实现的。

国际国内的多位专家对衬板的受力状况和与有用功之间的关系进行了深入的研究，取得了一定的理论研究成果。

因为内部的介质活动是相当复杂的，再加上在进行磨机衬板研制的关键词：球磨机，衬板，PFC3D时候缺乏相关的数据资料，所取得的理论并未通过仿真手段进行验证，只是- 1 -基于相关的经验而提出的。

这就导致这些理论成果存在一定的缺陷。

除此之外，因为没有深入研究介质运动状况，诸如工作状态中磨球和衬板摩擦力、衬板所受压力数值以及衬板外形等数据无法准确测量。

这就增加了研制磨机衬板的难度，在选取衬板的时候并不存在规定的标准。

该文的主要创作目的，是对磨机内介质运动规律和磨机衬板进行深入的研究，通过使用计算机创建数据分析模型，从而明确磨机内介质运动规律、衬板所受压力状况以及衬板外形改变与有用功之间的关系，从而为磨机衬板的研制奠定基础。

北京科技大学硕士学位论文1文献综述1.1磨矿原理在上世纪二十年代，戴维斯对磨矿理论进行了全面的研究，取得了重大的科研成果。

之后，各个国家的专家在该领域进行了许多的研究实践，都相继形成了自己的理论认识。

从磨机的介质运动状态角度进行区分，这些研究理论可以划分为不同的学派，主要提出了以下三种理论:纯二相运动理论的主要观点是，磨筒内的介质会按照两种轨迹发生运动：其一，在磨筒保持低速运转的时候，介质会随着磨筒一起转动，上升趋势成圆轨迹，当升至标准高度时，介质会发生自由落体运动，该情形叫做“泻落式”；其二，在磨筒保持高速运转的时候，介质会随着磨筒一起转动，上升趋势成圆轨迹，当升至标准高度时，介质会沿抛物线轨迹与筒体分离，该情形叫做“抛落式”。

不管是什么方式，介质的位置上升轨迹没有多大差异，因此下落趋势也类似。

三相混合运动理论的观点是，磨筒内介质的运动方式是综合性的，不会是单纯的一种方式，也就是说，介质在某个转动速度中，外层、中间层以及内层的运动方式是各不相同的。

当介质在筒内沿着圆形轨道升高之后，保持一定的速度与磨筒分离，然后抛落到某个位置，再下滑到地面。

筒内不同层面的介质运动趋势各有差异，综合来讲分为抛落、滑落以及圆轨道三种类型，所以被称之为三相运动理论。

肾形蠕动理论的观点是，筒体内的介质持续运动，在中心部位会产生肾形的核心，站在整体角度，它的运动幅度极小，肾形内的介质运动也异常缓慢，导致该区域的摩擦力度极小，磨矿功能可以忽略不计。

尽管如此，它对于能源、钢材的消耗是客观存在的，还会极大的降低磨矿产能。

介质在磨机内的运动状态受到多种因素的影响，其运动状态问题相当复杂，必须进行更加全面的分析。

磨矿过程是极为复杂的，其形态及内在都会发生剧烈的变化，各种要素都会对它产生影响，且这些要素有千丝万缕的联系。

在该节中，针对于该理论，简单介绍了比较重要的几个概念，它们在下文中的模拟仿真试验中都会派上用场。

- 3 -1.1.1球磨机中磨球的运动与磨损分析磨筒的转速、球荷填充率、衬板形状以及矿物岩浆比例等因素，会对磨球产生较大的影响，相比较而言，前两个因素的影响比较突出。

球磨机在运行当中，不管是衬板、介质还是磨机的钢球都会发生磨损，这种现象比较突出，在转动过程中，它们会发生损坏、磨碎，从而导致功能的丧失。

在运行过程中，磨机衬板会与设备中的矿料、钢球等零部件产生相对运动，形成对向的摩擦，从而受到相对低程度的冲击，在这种情况下，衬板会逐渐从球磨机中脱离，对磨料产生损害。

磨机内衬板的受力性质磨机内衬板基本会受如下三种力的挤压，分别是待磨物料的摩擦冲击、内部衬板运动产生的摩擦力以及待磨物料和衬板的性对运动产生的摩擦。

球磨机内的钢球主要有如下三种运动状态：泻落式、抛落式以及离心运转。

要保证球磨机的球荷运动轨迹和磨机筒体保持一致，则要求磨机的球荷填充率必须符合规定。

如果磨机的保持低速运转，球荷体的运转角度向上偏移一点。

钢球的轴线与筒体是水平的，此时它们会进行自转，转动速度越快，角度的偏移就越明显。

图1-1 泻落式球的受力分析北京科技大学硕士学位论文- 5 -如果球荷的倾斜角大于钢球堆自然状态下的休止符的时候，此时钢球就会从球荷倾斜坡往下滚动。

钢球的此中运动形式如上面a 图所示，被称之为泻落状态。

球磨机在此状态中工作，矿料的破碎并非是受到较大的冲击力，而是被磨剥破碎的，颗粒比较细小的矿料可以通过这种方式进行磨碎。

如下图所示，当呈现泻落状态的时候，磨球在i O 处受力状况为：钢球重量G ，通过分解得到的法向分力N 以及切向下滑力T ；如果磨球会与筒体一起发生旋转的话，除了上述力度之外，还要承受离心力C ，与筒壁的相向运动形成的力F ，在它的作用下，磨球呈上升趋势，受到T 力的作用，磨球会向下滑动。

下图主要对泻落式磨球的受力状况进行解析，此时的球心受到下滑力T 的影响，磨球的表面受到力F 的影响，在这种情况下，磨球受到力T 和力F 的共同作用，从而发生旋转。

综上所述，磨球整体上是向上的运动轨迹，而且它和衬板是相向运动的。

磨球经过运动，达到A O 处的时候，法向分力N 以及摩擦力F 变小，下滑力T 变大。

在这种情况下，推动磨球升高的力F 在变小，下滑力T 变大，磨球受到T 力的影响，而向下运动。

磨球向下运动主要是沿着斜面进行滚动，这主要是因为有球荷斜面，而且磨球在运动过程中产生摩擦力。

当球荷处于工作状态的时候，矿物位于磨球之间，受到摩擦力，在磨制过程中矿物会球荷也会产生损害。

在这种条件下，这种球面的磨损是有球磨机内的磨料导致的。

如果磨球沿着球荷斜面运动到底端的时候，受惯性影响会冲击道衬板，矿物受到这种冲击力而被分为细小颗粒。

在工作过程中，磨球会被磨料所冲击，产生的磨损就是冲击磨料磨损。

在具体过程中，各个球荷在转动的时候，也会产生冲击，但这种冲击程度是比较低的，也会出现冲击磨料磨损。

综上所述，当磨球进行泻落运动的时候，产生的磨损主要是磨料磨损，随之也会产生冲击磨料磨损，它不是主要的。

此处需要特别指出的是，在球磨机运转过程中，磨球和磨料、磨球之间的接触都是点的形态，尽管受到的负载总量比较小，但是在接触点受到的压力是很强的。

因此，这类磨料磨损的应力程度是比较高的。

当球磨机保持高速旋转的时候，磨球既沿着自身的轴线转动的，还会与球磨机的内壁一起进行不规则轨迹的转动，在达到标准高度的时候，就会向下成抛物线轨迹的下落，如上文的b 图显示，这就是所谓的抛落状态。

钢球钢球往下落到的区域被称之为底脚区，钢球在此处会进行剧烈的挤压和滚动翻转。

所以，处在此处的矿料受到下落的钢球的冲击挤压，再加上剧烈运动的钢球会对矿料产生磨剥。

对颗粒比较大的矿料来讲，是比较适合使用这种磨矿方式的。

加快球磨机的转动速度，产生的离心力也会随之上升，此时的N C +变大，故)(N c f F +=也会变大，这充分表明推动球荷上升的力度变大。

除此之外，后上来的钢球会推动先前上来的钢球。

如下图所示，钢球就会由下象限上升到上象限。

在钢球的位置提高到A 处的时候，因为高度增加，法向力N 也会随之变大(当钢球移动到上象限的时候，因为力N 对球磨机的中心部位产生影响，导致钢球滑落下来)。

如果钢球的高度进一步提高，也就是说钢球脱离产生的角度a 会更小，a G N cos =变得更大。

在C N =的时候，这两个力度会相互作用消失，不会挤压球磨机的内壁，此时的钢球的摩擦力0)-(==N C f F 。

在这个时候，钢球会重新回到B 处，并从此处重新向上移动，进行循环运动。

当钢球进行抛落的时候，球荷都是不受任何外力影响的下落状态，它们的运动速度是一致的，在速度上不存在差异，不会对矿料产生挤压，故而也不会引起磨损现象。

如果钢球位于B 点周围的底脚区的时候，钢球和球磨机衬板以及各个钢球之间都会产生剧烈的撞击，钢球的运动是杂乱无章的，或相互碰撞，或一跃而起，此时对矿料的磨损效果是最佳的。

当将磨矿机的运转速度增加到某个临界值的时候，钢球在离心力的作用下，会与球磨机的衬板紧紧连接在一起，而且进行圆形轨迹的主动，这就是离心运转。