عنوان پایان‌نامه
مدل سازی و شبیه سازی خردایش در سنگ شکن های مخروطی به روش اجزای گسسته
- رشته تحصیلی
- مهندسی معدن -فرآوری موادمعدنی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3350;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76818;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3350;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76818
- تاریخ دفاع
- ۰۷ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- سجاد چهره قانی
- استاد راهنما
- محمد نوع پرست
- چکیده
- سنگ‌شکن‌های مخروطی در اغلب مواقع به عنوان سنگ‌شکن‌های مراحل ثانویه و ثالثیه در صنایع معدنی و تولید مصالح دانه‌ایی به کار می‌روند. هدف از این تحقیق مدل‌سازی و شبیه‌سازی عملکرد سنگ‌شکن‌های مخروطی با استفاده از روش اجزای گسسته است، به طوری که ضمن دستیابی به فهم اساسی از جریان و خردایش مواد در محفظه سنگ‌شکنی، بتوان با استفاده از دانه‌بندی خوراک و با استفاده از پارامترهای هندسی، مکانیکی و عملیاتی سنگ‌شکن مورد نظر، تخمینی از توزیع ابعادی محصول آن به عمل آورد. با توجه به اینکه هندسه سنگ‌شکن و خوراک آن، تاثیر قابل توجهی در نوع بارگذاری ذرات و خردایش ناشی از آن دارد، ایجاد یک مدل هندسی صحیح، یکی از مسائل ضروری و در عین حال مشکلات شبیه‌سازی خردایش سنگ‌شکن‌ها است. در این پژوهش مدل هندسی با استفاده از تصاویر رقومی شده مخروط خردکننده (منتل) و پوسته مقعر سنگ‌شکن آزمایشگاهی تهیه شد. به طوری که هندسه مدل تا حد زیادی به هندسه واقعی نزدیک بوده و از طرف دیگر تا حد ممکن از تعداد رویه‌های مدل به منظور کاهش زمان محاسبات کاسته شد. به منظور تهیه مدل خوراک سنگ‌شکن از روش مدل ذرات پیوندی (BPM) استفاده شد. در این مدل هر قطعه سنگ از اجتماع تعدادی کره (گلوله-ذره) غیرقابل شکست متراکم شده در هندسه مدنظر ساخته می‌شود. برای اعتبارسنجی مدل ارائه شده، به ازای یک دانه‌بندی مشخص خوراک، تأثیر تغییرات پارامترهای عملیاتی اندازه دهانه بسته گلوگاه (CSS) و سرعت دوران خارج از محور مخروط (ES)، بر روی دانه‌بندی محصول سنگ‌شکن بررسی شد و با روند معمول و طبیعی که در مطالعات آزمایشگاهی و صنعتی مشاهده می‌شود، مقایسه گردید. برای این منظور پنج شبیه‌سازی به ازای سرعت دوران خارج از محور 210، 270 و 330 دور بر دقیقه و اندازه دهانه بسته گلوگاه 7، 10 و 13 میلی‌متر صورت پذیرفت. اندازه دهانه بسته گلوگاه پارامتر اصلی است که معمولاً برای تنظیم درجه خردایش سنگ‌شکن به کار می‌رود و بر روی دانه‌بندی محصول موثر است. نشان داده شد که با کاهش اندازه دهانه بسته گلوگاه، دانه‌بندی محصول ریزتر می‌شود. همچنین ابعاد محصول و ظرفیت سنگ‌شکن به شدت وابسته به سرعت دوران خارج از محور آن است. با افزایش سرعت دوران خارج از محور سنگ‌شکن، میزان خردایش افزایش می‌یابد. نحوه خردایش در سنگ‌شکن‌ها، وابسته به مکانیزم بارگذاری است که در محفظه خردایش ایجاد می‌شود. از نظر مکانیکی، دانش دقیقی از نحوه شکست ذرات در سنگ‌شکن‌ها وجود ندارد. در ادامه این تحقیق برای بررسی تاثیر سرعت خارج از محور سنگ‌شکن بر روی دانه‌بندی محصول، تاثیر نرخ بارگذاری در یک رخداد فشاری واحد بررسی شد. به این منظور شکست ذره منفرد در سنگ‌شکن مخروطی شبیه‌سازی شده و نیروی لازم برای شکست، نحوه تغییرات ابعاد قطعه سنگ و نحوه شکست یک ذره منفرد به ازای شش سرعت بارگذاری مختلف معادل با 0/005، 0/01، 0/05، 0/1، 0/5 و 1 کرنش بر ثانیه مورد پایش قرار گرفت. مشاهده شد که افزایش نرخ بارگذاری منجر به خردایش بیشتری می‌شود. انجام این تحقیق منجر به دستیابی به فهم اساسی از جریان و خردایش مواد در محفظه خردایش سنگ‌شکن‌های مخروطی گردید. با مقایسه نمودارهای دانه‌بندی محصول آزمایشگاهی و محصول شبیه‌سازی شده، اگرچه از نظر روند کلی تشابه قابل توجهی بین دو منحنی وجود دارد، با این وجود از نظر عددی انطباق مناسب و قابل قبولی بین این دو منحنی مشاهده نمی‌شود، به طوری که در تعیین درصد عبوری از سرندهای متوالی 1/9 تا 15 درصد تفاوت وجود دارد. بخش قابل توجهی از این تفاوت می‌تواند ناشی از عدم کارایی مدل تجزیه سرندی باشد، به طوری که خطای ناشی از آن با خطای موجود در شبیه‌سازی سنگ‌شکن جمع شده و میزان انحراف را افزایش داده است. همچنین اختلاف شکل هندسی سنگ‌شکن آزمایشگاهی با سنگ‌شکن شبیه‌سازی شده و یا اختلاف هندسی مدل خوراک شبیه‌سازی شده و خوراک آزمایشگاهی به این تفاوت‌ها می‌افزاید. به نظر می‌رسد که با افزودن خطای احتمالی کالیبراسون مدل ذرات پیوندی و مدل جریان مواد، پیچیدگی و مشکلات شبیه‌سازی عملیات سنگ‌شکنی بیشتر آشکار می‌شود. نشان داده شد که نحوه جریان مواد و همچنین دانه‌بندی محصول سنگ‌شکن با استفاده از روش اجزای گسسته قابل شبیه‌سازی و تخمین است. با این وجود تحقیقات و کارهای تکمیلی بیشتری برای ارتقاء صحت و دقت نتایج ضروری است. همچنین علی‌رغم نیاز به رایانه‌هایی با توان محاسباتی و پردازش بالا، مدل اجزای پیوندی روش مناسبی برای مدل‌سازی خردایش و شکست ذرات در سنگ‌شکنی است.
- Abstract
- A cone crusher is a crushing machine which is widely used in mining, construction and recycling industries. In this research the cone crusher, is investigated by modeling and simulation using the discrete element method (DEM). The purpose of this work is to obtain an improved understanding of the fundamental mechanisms that take place within a cone crusher chamber, the two processes of rock flow and rock breakage. For a given particle feed size distribution, the performance of the simulated crusher is validated by evaluating the effects that changes to the CSS and eccentric speed settings had on the predicted product size distribution. Due to the significant impact of crusher and feed geometry on the loading condition and particle fragmentation, creating a correct geometric model is one of the essential issues in simulation of crushers. In this study, digitized images from the mantel and concave are used to represent the geometry of crusher so in a way that the geometry of the model is very close to the actual geometry and on the other hand it is simplified as much as possible to reduce the computation time. Rock particles are modelled using the bonded particle model (BPM) and laboratory Unconfined compressive strength tests are applied for the calibration. In this research, response surface methodology (RSM) along with central composite design (CCD) approach are devised sensibly to calibratt the bonded particle models. Moreover, the potent sensitivities of microparameters regarding the uniaxial compressive strength (UCS) and elasticity modulus (E), called as macroscopic responses of models, are scrutinized thoroughly. In order to investigate the effect of operational parameters such as closed side setting (CSS) and eccentric speed (ES), on degree of fragmentation five simulations of crushing are carried out on the limestone model. Three different close side settings (7, 10 and 13 mm) are included in simulations, while the adopted ES for the simulations are 210, 270, 330 rpm. Closed side setting (CSS) is the most powerful controllable parameter to control the product grading of compressive crushers. Decreasing CSS will result smaller product grading and vice versa. Cone crusher output is strongly dependent on eccentric speed (ES). The experimental and simulated product size distributions for CSS 10 mm and Es 270 rpm case are compared. It shows poor correspondence to the experimental data. Although there exists a substantial similarity in general trend between the two curves, in term of quantity, no appropriate and acceptable compliance between the two curves is observed. A significant part of this difference in result, may be due to sieve modeling and its poor performance, so that errors in the screen simulation accumulated with the errors of crusher model and the deviation is increased in return. Also differences between the results of laboratory crusher and simulated crusher geometry or geometric and mechanical differences between simulated and laboratory feed increase the discrepancy of the results. There is a lack of detailed knowledge of how particles break in a mechanical crusher from the mechanical point of view. The 3D analysis approach based on DEM are applied to investigate the relationship between eccentric speed (strain rate), the degree of fragmentation and energy efficiencies of fragmentation. Six unconfined compression test simulations are carried out on the limestone model. The adopted strain rates for the simulations are 0.005, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5 and 1 strain/s. The 0.5 and 1 strain/s simulations are accomlished to predict the behavior of strain rates approaching the strain rate anticipated to occur in a crusher. The results indicate that a greater amount of energy is required for breakage as the strain rate increases and also samples break at higher strain rates tended to produce a greater degree of fragmentation. It is demonstrated that the particle flow and product particle size distribution can be estimated using DEM however more investigation is needed to improve the accuracy of prediction. The bonded particle model (BPM) is a good approach to model the particle breakage in crushers however it demands a high computational load. Keywords: Cone crusher, Discrete element method (DEM), Simulation, Bonded particle model (BPM) and Calibration.
