Транспортировка сыпучих материалов (уголь, руда, зерно и других) в вагонах связана с рядом технологических проблем. В процессе перевозки материал уплотняется, слёживается и слипается, особенно под воздействием колебаний температуры и влажности. Это приводит к ухудшению качества материала и возрастанию сложности его дальнейшей переработки.

Для обеспечения стабильной работы технологических цепочек и улучшения качества сырья необходимо проводить предварительную подготовку материала после выгрузки из вагонов. Один из ключевых этапов этой подготовки – разрыхление и измельчение уплотнённого материала с целью его возвращения в исходное сыпучее состояние. Разработка эффективных решений для этого процесса позволяет снизить затраты, увеличить пропускную способность оборудования и повысить качество выпускаемой продукции. Таким образом, задачи создания и внедрения специализированных измельчителей являются крайне востребованными.
Конструкция рассматриваемого измельчителя широко распространена, она сходна с конструкциями шредеров для бумаги и измельчителей отходов. Основными деталями являются вращающийся вал, разрушающий наиболее крупные куски материала, и два сита, сквозь которые проходит материал в рамках заданного максимального класса.

Расчётная модель, включающая сыпучий материал и элементы измельчителя

Специалисты АО «ЦИФРА» провели моделирование работы измельчителя. Основная цель моделирования – поиск оптимального расположения решёток для повышения производительности измельчителя по материалу после его длительной транспортировки.
Чтобы учесть взаимодействие частиц материала в процессе разрыхления и измельчения, был применён метод дискретных элементов (DEM, Discrete Element Method), который позволяет детально моделировать поведение сыпучих и гранулированных материалов. Этот метод учитывает динамику отдельных частиц, их взаимодействие через столкновения, трение и адгезию, а также позволяет анализировать распределение напряжений и деформаций в процессе механического воздействия. Применение DEM позволяет анализировать процессы разрушения и слипания материала, а также оценивать эффективность работы измельчителя с учётом свойств материалов и внешних нагрузок.

Расчётная модель, включающая сыпучий материал и элементы измельчителя

Для проведения расчёта сектора измельчителя использовались периодические границы, которые позволяют имитировать симметричное поведение материала (руда-руда), в отличие от трения по стенкам.
По результатам проведённой работы удалось добиться повышения производительности конструкции измельчителя на 21 % по сравнению с базовым вариантом.

Графики зависимости производительностей базовой и оптимизированной конструкции измельчителя от времени

Оптимизация таких параметров, как скорость вращения измельчителя, углы наклона сит и их размер, позволили повысить эффективность разрыхления и измельчения материала. Благодаря внедрению численного моделирования на основе метода дискретных элементов (DEM) стало возможным прогнозировать взаимодействие частиц в процессе обработки, что позволило модернизировать конструкцию и в результате снизить энергозатраты и уменьшить время обработки сырья.

Изображение заголовка Zac Edmonds на Unsplash