摘要:针对砂石料系统生产工艺流程设计所存在的技术工艺复杂、工艺参数多、流程计算量大等难题,在深入分析砂石料加工特征的基础上,提出了一种基于标准工艺流程的模块化工艺设计方法,设计了一种包含破碎、筛分、流量检测等砂石料生产工艺要素的基础工艺模块。首先利用图形化的基础工艺模块对砂石料生产工艺流程进行描述,并构建砂石料生产的标准工艺流程;然后利用标准工艺流程的可计算性,通过编程实现设备参数及流程量平衡计算,实现了砂石料生产工艺流程的计算机辅助设计。最后利用基于本文理论所开发的砂石料ACAPP原型系统实现了具体砂石料加工系统的工艺设计,验证了所提出的砂石料生产工艺计算机辅助设计方法的有效性。
关 键 词:砂石料生产; ACAPP; 模块化; 标准工艺流程
引 言
人工砂石料(以下简称砂石料)生产是根据成品砂石料的技术质量要求,通过不同用途、型号的破碎机和筛分机,采用机械破碎的方式,将粒径较大的原料岩石按照设计的流程加工,调整其组分的粒径大小,以生成满足要求的成品物料 [1] 。其工艺流程的设计必须充分考虑工艺的合理性、可靠性、先进性、经济性及相互的匹配性;同时还要满足生产所需的处理规模、岩石特性、成品级配等多种要求,导致生产工艺柔性大,设备选择及工艺参数计算复杂度较高。
传统的砂石料生产工艺流程设计中,首先根据砂石料的生产规模、原料粒径、岩石特性、成品级配需求等条件,设计人员凭借专业知识和设计经验初拟工艺流程方案,具体工作包括确定破碎段数,确定各段破碎设备的种类、排料口开度、开闭路工艺流程形式,绘制工艺流程简图等;然后初选破碎设备机型,确定运输、加工损耗补偿系数和设备负荷率等参数以构建计算表,对初拟方案的工艺流程量进行校核计算;最后根据各阶段物料流量及设备负荷率参数,对破碎、筛分设备进行选型配置,并绘制工艺流程详图。传统设计方法步骤繁琐、计算复杂,随着计算机技术的应用,利用计算机辅助工艺过程规划(CAPP)系统来进行砂石料生产工艺流程设计能有效提高设计质量和效率。
一、研究现状
工艺流程规划的自动化是CAPP的关键部分,它能够让用户自动获得加工、制造过程所需的工艺计划,是迈进工业4.0的重要步骤 [2] 。然而在砂石料加工领域,工艺规划的计算机辅助设计尚未实现,目前用于砂石料生产工艺流程设计的软件主要为JKSimMet [3] 、USIM PAC [4] 和 MODSIM [5] ,均属于过程模拟软件,主要通过人工选择并连接各种基于数学模型构建的设备单元,以实现流程设计及仿真 [6] 。利用过程模拟软件的确可以实现工艺流程的设计和仿真,但由于工艺设计的主观性,设计者需要依赖自身的专业知识及设计经验来确定加工步骤,往往导致工作效率低、专家依赖性强 [7] 。通过计算机辅助砂石料工艺流程设计(Aggregate Computer Aided Process Planning,ACAPP)系统实现工艺流程的自动化设计,有利于解决这些问题。
通过构建类似ACAPP系统以解决砂石料生产工艺规划问题的观点早已被Leiva [8] 提出过,他希望通过构建破碎厂专家系统来设计破碎流程,以提升产品的质量和生产效率,并从实际工程角度验证了该观点的可行性,但并未提供实际的软件设计方案及工艺推理机制。阻碍此类系统实现的原因在于砂石料加工工艺设计的特殊性,其中涉及到流程规划、设备选型、物料流动仿真计算以及加工结果预测的结合,是ACAPP系统实现的难点所在。
破碎、筛分是砂石料生产流程的重要组成部分。破碎机实现物料粒径的变化,筛分机实现不同粒径的物料分离,设备的选型及配置直接影响着砂石料生产的质量。Johansson等 [9] 构建了颚式破碎机的基本模型,用以预测其产品粒度分布。Bengtsson等提出了一种预测圆锥破碎机以及立轴冲击式破碎机的产品形状以及尺寸的方法 [10] ,构建了预测圆锥破碎机能耗以及产品粒度分布的模型 [11] 。Harzanagh等 [12] 采用DEM对振动筛进行了动力学分析,研究筛子的进料速率、倾斜角度、振动频率、振幅、振动方向以及筛孔大小对筛分效率的不同影响程度,用以指导对筛分产品粒度分布的有效预测。上述一系列工作使得利用计算机实现流程模拟、设备仿真以及产品预测成为可能,而设备选型、流程规划、物料生产流程计算以及产品的平衡计算等关键问题仍待解决。缺少一个对砂石料生产流程规划、设备选型和工艺参数计算模型的通用描述方法是ACAPP系统实现的难点所在。
特征建模技术的研究及应用,给机械产品建模和CAPP提供了有效的工具 [13-15] 。在砂石料加工系统的设计中,粒径和外形是砂石料的主要特征。根据原料岩石的特性和产品需求,由破碎筛分调整各粒径级颗粒数量及比重,同时,通过合理的设备搭配来获得良好的颗粒形状以提升产品质量是砂石料工艺设计的重要内容 [16-17] 。因此基于砂石料的加工特征,对砂石料生产工艺流程及加工设备进行描述,可为实现砂石料生产系统的计算机辅助设计提供一种可行的方法。
二、砂石料生产标准工艺流程
2.1 工艺流程的设计
砂石料生产工艺流程(以下简称工艺流程)设计的关键要素包括加工顺序、设备选型及流程控制。砂石料生产的加工顺序指对不同粒径级的被加工物料所制定的加工方式及其顺序安排。本文主要根据原料粒径、生产规模、成品级配等条件确定破碎段数以及各段破碎设备的种类、排料口开度、开闭路工艺流程形式等,完成對加工顺序的描述。此后,需要确定运输、加工损耗补偿系数和设备负荷率等参数,同时对破碎设备机型进行初选。通过流程量计算可检验工艺方案的合理性,对于校核合理的工艺方案,设计者根据各阶段物料流量及设备负荷率参数,对破碎、筛分设备进行型号配置,完成设备选型工作;对于校核不合理的工艺方案,设计者需要根据计算结果对原方案的加工顺序和设备选型进行分析,做出调整后重新计算,实现流程控制。
砂石料生产工艺流程设计需考虑原料岩石特性、生产能力、产品级配等多种参数的影响,生产工艺柔性大,流程计算过程繁琐。为实现砂石料生产工艺流程的计算机辅助设计,需要一种规范的砂石料生产工艺描述方法对砂石料生产工艺进行描述,以便于流程设计、设备选型以及流程量、设备参数等工艺参数的计算。为此本文提出了一种图形化的标准工艺流程描述方法。
2.2 标准工艺流程的定义
定义:若从工艺描述 D s到工艺流程F s存在一一映射s:D s→F s,则称F s为基于s 的标准工艺流程。
标准工艺流程作为工艺流程的一种特殊形式,区别于传统典型工艺流程和常用工艺流程的是它能够对砂石料加工工艺提供一种标准的描述,该结构具有两种性质:
① 标准工艺流程所描述的砂石料生产工艺不具二义性;
② 工艺流程参数的可计算性。
砂石料生产工艺流程的设计可描述为两个阶段:首先,根据物料变化特征拟定工艺流程;然后进行工艺参数计算,确定工艺方案。而在运用ACAPP系统设计工艺流程时,标准工艺流程的构建一方面能够准确地描述被加工物料的变化方式,包括各个粒径级所采取的加工方式、加工顺序、加工设备以及排料口开度,便于流程计算;另一方面其本身作为工艺流程的一种形式可以被调整和完善。因此,标准工艺流程成为连接两个阶段的纽带,为砂石料生产工艺计算机辅助设计提供了一种有效的方法。
工艺流程的设计因此被规范为4个步骤,如图1所示。
(1) 描述工艺:以映射 s 的参数形式,描述被加工物料的不同粒径级所采取的加工方式、加工顺序、加工设备机型以及排料口开度。
(2) 构建标准工艺流程:構建基于 s 的标准工艺流程。
(3) 参数计算:计算设备参数和工艺流程量等工艺参数。
(4) 生成工艺设计方案:根据工艺参数以及标准工艺流程,生成最终的工艺设计方案。
通过标准工艺流程的构建为砂石料工艺系统的描述与计算提供了一种有效的方法。为了映射关系 s 的具体表达,本文提出一种模块化的方法构建标准工艺流程。
2.3 基于模块化的标准工艺流程
2.3.1 基础工艺模块
一个完整的砂石料生产工艺流程可视为由多个包含基本工艺要素的基础工艺单元组合而成,物料能够以一种标准的形式在这些单元间流动。基础工艺模块是对基础工艺单元的图形化和参数化描述,具有模块化特征以保证基础工艺单元之间的相互独立性与可组合性,具有内嵌数学模型以实现工艺仿真计算。砂石料生产基本工艺要素主要包含以下内容:
① 破碎,实现砂石物料粒径的改变;
② 筛分,实现砂石物料粒径的分级;
③ 流量检测,根据需要对破碎、筛分的砂石流量进行检测、分配。
图2所示的基础工艺模块就是根据上述砂石料生产基本工艺要素所构建。
基础工艺模块以图形化的方式对基础工艺单元的功能结构进行描述,它包含砂石料生产的全部基本工艺要素,能够准确形象地描述其所代表的基本工艺。该模块由输入物料、单层筛、破碎机、物料检测单元、产出物料和输出物料组成。输入物料和输出物料作为基础工艺模块的加工原料和加工剩余物料,能作为模块接口连接其他相邻的基础工艺模块。物料检测单元用于检测模块内各粒径级物料量是否满足产出条件,若满足则产出需求量至产出物料,剩余物料作为输出物料进入下一个模块。单层筛和破碎机组合形成的最小破碎筛分组,确保了整个模块的不可分解,在单次破碎即可满足产出条件时采用开路模式破碎,破碎产物直接进入物料检测单元;单次破碎无法满足产出条件时采用闭路模式破碎,破碎产物以多次重入的方式在最小破碎筛分组内反复破碎筛分,直至物料全部进入物料检测单元内。
基础工艺模块构造的基本工艺单元模型具有良好的可计算性,其内部包含砂石料生产基本工艺要素所对应的全部计算内容,能计算各环节的物料信息。图3分别描述了在开、闭路两种破碎模式下该模块的计算框架。其中 v x, I , v x, G , v x, O 分别为输入物料、产出物料、输出物料;破碎矩阵 C 描述破碎机的破碎作业;筛分矩阵 E x 描述单层筛的筛分作业,其筛孔尺寸与v x粒度相匹配;产出单元D x用于判断进入其中物料的v x粒径级是否满足需求量,若满足则产出需求量至 v x, G 。物料检测单元M 由多个单层筛和产出单元组合而成,单层筛分离特定粒径级物料,产出单元判断该物料是否满足产出条件,级级递进,使得物料检测单元能够检测进入其中物料的每个粒径级是否满足产出条件,从而判断该模块是否存在物料产出。
已知目标物料为 v F ,根据功能描述,定义D i产出物料 v i, G 时其内部计算式为
D i v , v F : v i, G =f n v F i ,i v i-v F (i) ≥0 其中 N F (i) = v F - v i, G v i, G = 0 v i-v F (i) <0 (1)
式中: v 为D i的输入物料;f x y,z 代表一个第z分量为y、其余分量均为0的x维矢量;v i和v F (i) 分别代表 v 和 v F 的第i分量 。
在开路破碎模式下,模块内输出物料 v O 、产出物料 v G 与输入物料 v I 间满足以下关系:
v C =C I- E i ′ v i, I (2)
D m I- E m v C , v F m=i 其中v′ m, D = E′ m v m, I , v m, D = E m v C D m I- E m v m, I + v′ m-1, D + v m-1, D , v F m=i+1 其中v m, D = E m v m, I + v′ m-1, D + v m-1, D D m I- E m v m, I + v m-1, D , v F m=i+2,…,n-1 其中v m, D = E m v m, I + v m-1, D D m v m, I + v m-1, D , v F m=n (3)
v G = n m=i v m, G (4)
v O = v C + E i ′ v i, I + n m=i+1 v m, I - v G (5)
在闭路破碎模式下,破碎产物在最小破碎筛分组内反复破碎筛分直至全部进入物料检测单元内的行为可描述为图4所示计算模型。
因此在閉路破碎模式的基础工艺模块内, v O 、 v G 与 v I 间满足以下关系:
v i, D = C I- E i n+ E i n-1 j=0 C I- E i j v i, I n= min n ‖ I- E i C I- E i n v i,I ‖ 1<ε, n∈N + (6)
D m I- E m v m, I + v m-1, D , v F m=i+1,…,n-1 其中v m, D = E m v m, I + v m-1, D D m v m, I + v m-1, D , v F m=n (7)
v G = n m=i+1 v m, G (8)
v O = v i, D + n m=i+1 v m, I - v G (9)
上述式中: n為破碎轮次;ε 为计算精度。
由于基础工艺模块能对基础工艺单元的功能结构做出图形化描述,因此各模块所代表的工艺不同时其内部实际结构也不同,模块内各环节物料信息的计算即是确定模块内实际结构的过程。该过程遵循结构最简原则,具体为根据计算各产出单元 D x的产出物料 v x, G 数值,精简物料检测单元内单层筛和产出单元的数量,以达到使用最少的筛分,产出单元完成产出物料 v G 的效果,节省筛分设备的使用数量。同时,由于存在筛分效率,精简筛分设备还能减少逊径骨料的数量,提升产品质量。
用参数表达式U n,b ( C , Es ,m,v G ,v I ,v O )来表示基础工艺模块,n和b分别代表执行顺序和分支编号,执行顺序为该模块根据物料粒径变化需要被执行的先后顺序,而分支编号则在多个模块的执行顺序相同时被使用,代表某一粒径级的物料分批次被不同工艺模块同时加工。 C 为破碎矩阵; Es 为筛分效率存储矩阵,其内部各列为各单层筛的筛分矩阵对角元;m为破碎模式(开路m=0,闭路m=1);v G 、v I 和v O 均为物料矢量,分别代表产出物料、输入物料和输出物料。
2.3.2 组合工艺模块
当多个具有相邻执行顺序的基础工艺模块依次连接为一段工艺路线,且这些模块间采用同种破碎、筛分设备时,允许合并为一个组合工艺模块。模块合并分为两种情况:① 若合并的多个模块均为开路模式,则组合工艺模块为开路模式;② 若合并的多个模块中最后一个模块为闭路模式,则组合工艺模块为闭路模式。其余情况不能合并。
模块合并使得单个破碎机在开路或闭路模式下可以完成多个粒径级的破碎,图5分别描述了在开、闭路两种模式下该模块的计算框架。
在开路破碎模式下,模块内输出物料 v O 、产出物料v G 与输入物料v I 间满足以下关系:
v m, C =C I- E′ m v m, I m=i 其中v′ m, D = E′ m v m, I v m, C =C I- E′ m v m, I + v′ m-1, D m=i+1,…,j 其中v′ m, D = E′ m v m, I + v′ m-1, D (10)
D m I- E m v m, C , v F m=i 其中v m, D = E m v m, C D m I- E m v m, C + v m-1, D , v F m=i+1,…,j 其中v m, D = E m v m, C + v m-1, D D m I- E m v m, I + v′ m-1, D + v m-1, D , v F m=j+1 其中v m, D = E m v m, I + v′ m-1, D + v m-1, D D m I- E m v m, I + v m-1, D , v F m=j+2,…,n-1 其中 v m, D = E m v m, I + v m-1, D D m v m, I + v m-1, D , v F m=n (11)
v G = n m=i v m, G (12)
v O = j m=i v m, C + v′ j, D + n m=j+1 v m, I - v G (13)
在閉路破碎模式下,多级破碎产物反复破碎筛分直至全部进入物料检测单元内的行为可描述为图6所示计算模型。
因此在闭路破碎模式的基础工艺模块内, v O 、v G 与v I 间满足以下关系:
D k m= I- E m v k m, I ; + E m-1 v k m-1, I , v F v 0 i, I = v i, I , v k+1 i, I =C I- E i v k i, I v 0 m, I = v m, I v k+1 m, I =C I- E m v k m, I + E m-1 v k m-1, I - v k m, G v j, D = n m=0 v m j, I +C I- E i v n i, I + j m=i+1 I- E m v n m, I + E m-1 v n m-1, I - v n m, G n= min n ‖ v j, D - n m=0 v m j, I ‖ 1<ε,n∈N + (14)
D m I- E m v m, I + v m-1, D , v F m=j+1,…,n-1 其中 v m, D = E m v m, I + v m-1, D D m v m, I + v m-1, D , v F m=n (15)
v G = j m=i+1 n k=0 v k m, G + n m=j+1 v m, G (16)
v O = v j, D + n m=j+1 v m, I - v G (17)
组合工艺模块其内部实际结构的确定同样遵循结构最简原则,以节省筛子的使用数量。在实际使用时,一般采取两种方式。
(1) 根据计算各产出单元 D x 的产出物料 v x, G 的数值,精简物料检测单元内单层筛和产出单元的数量;
(2) 通过基础工艺模块的实际结构推导组合工艺模块的实际结构,即在组合工艺模块结构框架中保留各个基础工艺模块的筛分、产出单元。
需要注意的是,只有由基础工艺模块连接形成的工艺流程才属于标准工艺流程,若采用方式(1),组合工艺模块则不可直接逆向分解为多个基础工艺模块。
2.3.3 工艺流程构建
利用基础工艺模块构建标准工艺流程时,先按照需求设定被加工物料各粒径级的加工方式、加工顺序以及破碎设备机型等参数以构建基础工艺模块,接着按照执行顺序依次连接这些模块形成标准工艺流程框架,其中具有分支编号的模块以并联的方式与其他模块相连,连接方式如图7所示。
接下来完成对该标准工艺流程框架的级配平衡计算,具体为依次完成各个模块内的参数计算,检验是否能够正确生成目标物料以验证该工艺方案是否合理可行,并得到各工艺模块的实际结构。
最后,若部分基础工艺模块满足合并条件,则可合并为组合工艺模块以简化流程,如图8所示。
2.4 ACAPP系统设计
目前在砂石料加工工艺流程设计中,需要设计人员有丰富的专业知识并参考相似案例,经验性较强,而流程量等工艺参数的确定需要耗费大量的时间进行计算、校核和修改,工作强度大,易出错。为实现砂石料生产工艺流程的计算机辅助设计,提高设计质量和效率,设计ACAPP系统由6个功能模块组成(见图9)。
(1) 数据处理模块:处理输入的工程项目数据和目标工艺数据。
(2) 工艺生成模块:基于项目数据和工艺数据及相关方法,生成符合工程要求的标准工艺流程。
(3) 工艺调整模块:调整工艺流程的工艺细节、增加附加工艺、补充设备配置等,得到最终工艺方案。
(4) 数据导出模块:生成工艺报告。
(5) 交互控制模块:在各个操作环节中实现用户与数据信息的交互。
(6) 数据库模块:分为设备数据库和专家知识库,设备数据库为每个操作环节中工艺的选择、设计、调整以及计算提供设备参数;专家知识库储存大量的工艺理论以及经验知识,能在工艺的选择、设计、调整中提供优选方案。
上述ACAPP系统实现的关键在于工艺生成模块,即通过某种方法根据用户输入的项目、工艺数据生成符合描述的标准工艺流程。本文利用C + +实现了一个ACAPP的系统原型,目的是用以验证本文所提出的基于模块化的标准工艺流程在实现自主工艺设计的有效性,该系统的工艺生成模块实现如图10所示。
三、工程实例
LDT砂石加工系统为里底水电站提供砂石料,本文通过使用ACAPP原型系统实现LDT砂石料加工系统的工艺设计并与实际系统数据进行对比,验证本文方法的有效性。
LDT砂石料生产系统设计处理能力为1 500 t/h,表1为原料粒径以及目标物料粒度级配,振动筛的筛分效率采用Rosin-Rammler模型来进行预测,并以此构建筛分矩阵参与实时运算。
3.1 标准工艺流程
根据表1所示数据,确定各基础工艺模块的破碎形式、破碎机机型、排料口开度及破碎粒径级如表2所列。
根据表2内信息构建基础工艺模块,连接得到标准工艺流程框架,并利用ACAPP原型系统完成物料平衡计算,得到表3~8所列基础工艺模块参数表。
基于各工艺模块的参数,确定各基础工艺模块实际结构如图11所示。
根据工艺模块的下标信息,不存在同一粒径级分批次被多个工艺模块同时加工的情形,直接按照工艺模块的执行顺序依次连接图12内的各基础工艺模块,即可得到如下图13所示的标准工艺流程:
3.2 实际工艺流程
根据基础工艺模块的合并属性,由于 U 2和U 3采用同种破碎机,U 4、U 5和U 6 也采用同种破碎机,进行模块合并,得到工艺流程如图13所示。
选定粗碎车间配置1台Ci124型反击破碎机、2台NP1415型反击破碎机,中碎车间配置3台Ci224型反击破碎机,人工制砂车间采用8台PL9500SD型立轴冲击破碎机,粗砂整形车间采用2台PLS-850型立轴冲擊破碎机,第一筛分配置2台YKR2460H型双层筛,第二筛分配置4台3YKR2475型三层筛,第三筛分配置8台2YKR2475型双层筛。最终设计完成的工艺流程如图14所示。
四、结 语
通过对砂石料加工特征的分析,提出了标准工艺流程的概念,设计了一种包含砂石料生产工艺要素的基础工艺模块,并实现了一种基于基础工艺模块的砂石料生产工艺流程设计方法,将砂石料生产工艺流程设计分为描述工艺、构建标准工艺流程、参数计算、生成工艺设计方案4个步骤。并利用C + +语言实现了ACAPP原型系统。该ACAPP系统不仅对不同砂石料生产系统的需求具有很好的适应性,能高效地实现砂石料生产工艺流程设计,而且减少了对工艺设计人员设计经验的过度依赖。经过工程实例的验证,工艺设计方案完全能满足工程需求,为大型砂石料生产系统的设计提供了一种有效的方法。
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来源:矿机之家
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