基于多尺度内聚颗粒模型的振动破碎能耗研究

Higher energy comsumption and low efficiency crushing technology is widely used basic industry,one-sidedness of the three crushing theory based on granulirity mainly is unable to reasonably calculate crushing energy comsumption required, the core problem of saving energy in crushing field is still fully to analysis crushing energy currently.Because of some effectiveness of vibrating load on the rock crushing and specifiness of loding way, thus, the vibration crushing energy research will have important scientific significance for the crushing enery used effectively and high capacity crushing equipment developed.This sduty is based on statistical relationship between particle size distribution, corresponding crushing energy and some crushing state parameters by a single particle crushing experiment, and cohesive particle models can be built by menas of definiting muilt-scale unit and comentation bond; a fracture constitutive relationships of rock particle model in dynamic crushing evolution is established by the phenomenological modeling method, then the volume effect influence mechanism of frequency, amplitude and vibrationl force on the dynamic fracture strength is investigaed；a particle size distribution model of particles vibration crushing is obtained with single particle in single crushing process; and by means of contact and loading state of every one particle in the group during dynamic crushing process, and calculating the force and displacement of each comentation bond when broken, theefore, the crushing models which associated with rock material characteristic parameters, crushing process parameters,external load parameters and vibration parameters can be built, which provide an effective way for high capacity fracture technology development and its application.

高耗低效的粉碎技术广泛应用于基础工业，仅以粒度为主的三大破碎学说的片面性无法科学确定所需的破碎能耗，当前破碎领域节能降耗的核心问题仍是破碎能耗的全面分析。由于振动载荷对岩石破碎的有效性和施载方式的特殊性，所以振动破碎能耗研究必将对破碎能耗的有效利用和高能破碎装备研制具有重要科学意义。本项目以单颗粒破碎实验获取的粒级分布及破碎能耗与破碎状态参数之间的统计关系为基础，通过定义多尺度单元体和连接键构建内聚颗粒模型；以唯像方法建立岩石颗粒模型动态破碎演化的断裂本构关系，探讨频率、振幅和激振力对岩石动态断裂强度的体积效应影响机理；结合单颗粒单一破碎方式的破碎概率分布，得到颗粒群振动破碎的粒级分布模型；通过分析颗粒群中各颗粒在动态破碎过程的接触与受载状态，以及计算每一连接键发生断裂时的力和位移，建立与岩石物性、破碎工艺、外载荷、振型等参数相关的破碎能耗模型，为高能破碎技术开发及其推广应用提供有效途径。

由于振动载荷对岩石破碎的有效性和施载方式的特殊性，振动破碎能耗无法用三大破碎假说进行描述。因此，本项目通过开展“基于多尺度内聚颗粒模型的振动破碎能耗研究”，并得到以下结果：.（1）通过搭建破碎实验台，结合单颗粒冲击破碎、振动破碎以及破碎能耗实验，确立了振动复合破碎的粒级分布模型，探讨了多尺度内聚颗粒模型的构造方法，建立了碎后粒度分维数与破碎能耗以及冲击破碎能耗与新增表面积的相关性。.（2）通过开展不同加载方式下矿石多尺度内聚颗粒模型的构造方法研究，建立了基于Hertz接触、含内部裂纹节理面以及基于粘接键的分级颗粒模型构造方法，探讨了颗粒模型粘结参数匹配机制。.（3）结合颗粒群振动挤压破碎模拟实验，探讨振动破碎体积效应机理，发现施加振动可明显加快裂纹扩展速度；在破碎过程中，颗粒内部的强力链数量由少变多，弱力链数量由多变少。.（4）通过开展破碎能耗分析，分别建立了基于碎后粒度分维数的破碎能耗模型、最小二乘破碎能耗分形预测模型、预磨最小能量模型以及振动慢剪多尺度内聚颗粒群破碎能耗预测模型，并通过实验验证了模型的合理性。.（5）通过开展动态破碎数值模拟研究表明，在动态破碎过程中，强力链的冲量占整个力链网络的75%，能耗占整个力链网络的85%以上；而基于力链的分析表明颗粒群模型的动态破碎过程依然符合多尺度内聚颗粒模型的破碎特点。.（6）通过开展多尺度内聚颗粒模型的振动挤压破碎过程可视化研究，并从细观力学角度出发分析物料的破碎特性，发现振动的施加有利于颗粒群的破碎，颗粒群在振动条件下的破碎率随压缩距离的增大呈先缓慢增加后快速增加趋势。.（7）通过开发振动慢剪实验机，并以高硬度的钨矿脉石开展振动慢速剪切破碎试验机性能试验研究表明，振动频率对破碎效果的影响显著；当破碎腔内形成层压时，排料粒级分布较为均匀，且细料、粉料比例较高；排放口间隙对碎后矿石粒形的影响显著。.主要研究成果：.（1）研制了振动慢剪实验机1台、Φ500预磨实验机1台、板辊式复合振动破碎实验机1台；.（2）在核心期刊上发表论文44篇，其中（其中3篇被EI检索），申请发明专利11+项，已获发明专利授权1项；.（3）培养工学硕士27名，已毕业14人。