振动辊式破碎机刚散耦合动力学与优化设计研究

论文摘要

破碎粉磨作业在国民经济中占有十分重要的地位,但该作业能耗极高,约占世界发电总量的10~15%,其中粉磨段的能耗占90%以上。实践证明,通过增加超细破碎机实现以碎代磨,破磨流程的能量利用率可以提高约30%。因此,新型超细破碎机的研制与破碎动力学理论研究已经成为当前破碎磨碎研究领域的核心问题。近十年来,本课题组开发了简摆、辊式和旋回等多种形式的振动破碎机。其中振动辊式破碎机不仅具有结构简单、维修方便等特点,而且其刚体为平面运动,破碎腔内的物料的破碎与输送的过程方便录像分析。因此,本文以振动辊式破碎机为主要研究对象,期望揭示其中刚散耦合振动的本质规律。首先在样机实验和振动测试的基础上分析了样机的性能特点和存在问题,发现样机存在着双腔不对称冲击、双腔产量不均等、粒度分布不一致等问题。通过对样机的6自由度刚体动力学分析,获得了理想状态下刚体运动的规律,初步确定了左右破碎腔内散体受刚体作用状态的不同是上述现象的背后成因;随后,基于系统刚体动力学分析,设计了破碎腔内散体物料的可视化实验,初步了解了振动破碎机破碎腔内散体物料的输送机理,也为下一步的仿真提供了对照验证;最后,将离散单元法和分析动力学建模方法相结合,建立了振动辊式破碎机的刚散耦合振动系统的动力学分析平台,并据此对上述现象的宏微观多尺度耦合作用机制进行了初步分析和腔型优化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外超细粉碎设备研究现状与发展趋势
• 1.2.1 国内外超细粉碎设备研究现状
• 1.2.2 超细粉碎设备发展趋势
• 1.3 破碎机腔型改进与物料输送机理的研究现状
• 1.3.1 破碎机腔型改进的研究现状
• 1.3.2 破碎腔内散体物料输送机理的研究现状
• 1.4 离散单元法思想以及在破碎机方面的应用现状
• 1.4.1 离散单元法思想
• 1.4.2 DEM 在破碎机方面的应用现状
• 1.5 PFC3D 简介
• 1.5.1 PFC3D 基本理论
• 1.5.2 PFC3D 基本特征
• 1.5.3 PFC3D 模拟模型对象
• 1.6 本文研究内容
• 第二章 振动辊式破碎机破碎性能实验及动力学测试分析
• 2.1 引言
• 2.2 性能试验
• 2.2.1 实验机型
• 2.2.2 实验条件及参数设定
• 2.2.3 实验结果
• 2.3 振动测试
• 2.3.1 测试目的
• 2.3.2 测试参数
• 2.3.3 测试条件
• 2.3.4 测试结果
• 2.4 本章小结
• 第三章 振动辊式破碎机的动力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 动力学建模以及Lagrange 方程
• 3.3 振动微分方程建立
• 3.3.1 系统动能
• 3.3.2 系统势能
• 3.3.3 广义力
• 3.4 振动微分方程
• 3.5 动力学响应
• 3.5.1 初始条件
• 3.5.2 系统的固有频率分析
• 3.5.3 刚体动力学响应分析
• 3.5.4 样机工作状态破碎腔相对运动轨迹图分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 振动辊式破碎机物料输送过程的可视化实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 可视化装置简介
• 4.2.1 结构特点
• 4.2.2 实验难点分析
• 4.3 可视化实验
• 4.3.1 实验条件
• 4.3.2 设定参数
• 4.3.3 实验结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 振动辊式破碎机物料输送过程的离散单元仿真分析与腔型优化
• 5.1 引言
• 5.2 PFC3D 中的刚散耦合功能实现
• 5.2.1 刚散耦合原理简介
• 5.2.2 刚散耦合功能的实现
• 5.3 PFC3D 仿真流程
• 5.4 振动辊式破碎机的仿真模型建立
• 5.4.1 刚体建模
• 5.4.2 散体建模
• 5.4.3 模型参数设定
• 5.5 实际工作状态参数下的仿真结果
• 5.5.1 中心辊子的轨迹图分析
• 5.5.2 破碎腔内物料输送机理
• 5.5.3 破碎腔受力分析
• 5.6 腔型优化
• 5.6.1 腔型优化方案
• 5.6.2 腔型优化的仿真结果分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢