基于DEM仿真的立轴冲击式破碎机新型衬板设计与性能优化研究

针对立轴冲击式破碎机(VSI)衬板结构导致的物料冲击角度误差和破碎效率低问题，研究人员通过物理与数学模型构建新型衬板，采用离散元法(DEM)仿真验证其性能。结果表明，新型衬板使破碎腔内冲击能量提升41%，显著改善物料粒径分布并减少循环破碎次数，为人工骨料高效生产提供关键技术支撑。

　　

在基础设施建设高速发展的今天，砂石骨料作为建筑、公路等工程的核心原料需求激增。然而天然骨料资源因过度开采濒临枯竭，人工骨料生产成为必然选择。作为人工制砂的关键设备，立轴冲击式破碎机(VSI)虽能产出粒形优良的骨料，但其传统衬板设计存在明显缺陷——物料与衬板的冲击角度误差会导致能量损耗和破碎效率低下。这一问题直接影响骨料产品的质量和设备产能，成为制约行业发展的技术瓶颈。

针对这一挑战，南宁市重大科技项目支持下的研究团队在《Powder Technology》发表创新成果。研究人员通过建立精确的颗粒运动模型和衬板数学模型，设计出能自动校正冲击角度误差的新型衬板结构。借助离散元法(DEM)这一专门研究颗粒体系动力学的数值模拟技术，团队构建了包含Ab-T10破碎模型的高精度虚拟原型，对比分析了新旧衬板在冲击能量、粒径分布和循环次数等关键指标上的差异。

关键技术方法
研究采用离散元法(DEM)建立VS-315S破碎机转子系统的颗粒运动模型，通过绝对坐标系下的螺旋轨迹方程确定物料抛射角度；应用Ab-T10破碎模型模拟瞬态破碎事件中的能量吸收与碎片生成；设置5×10^-4秒的高频轨迹捕捉，结合速度矢量箭头可视化分析冲击角度误差。

颗粒运动模型
通过建立转子结构的绝对坐标系方程，发现物料在破碎腔内的运动轨迹呈螺旋特征。新型衬板基于该模型优化曲面弧度，使90%以上物料冲击角度误差控制在±2°内，较传统直线衬板提升3倍精度。

颗粒破碎模型
采用Ab-T10模型模拟高应力下的颗粒破碎过程，该模型通过特定断裂算法保持质量守恒的同时生成子代碎片。仿真显示新型衬板使单次冲击能量提升41%，最大粒径缩减率达27%。

模型精度与冲击角度分析
DEM轨迹捕捉显示，传统衬板下仅58%物料实现垂直冲击，而新型衬板将这一比例提升至89%。在 choke feeding（挤满给料）工况下，新型衬板使循环破碎次数从平均4.2次降至2.8次。

结论与意义
该研究通过数学模型与DEM仿真的有机结合，证实新型衬板能有效校正冲击角度误差，使VSI破碎机在三个维度实现突破：能量利用率方面，冲击能量的显著提升直接转化为更高效的破碎效果；产品质量方面，更优的粒径分布满足高端建设工程需求；经济效益方面，循环次数的减少可降低30%以上能耗。这项成果不仅为破碎设备设计提供了新范式，更对促进资源循环利用和绿色矿山建设具有重要实践价值。研究团队特别指出，未来可将该建模方法拓展至其他类型破碎设备的优化设计，进一步推动粉碎工程技术进步。