旁置式振动磨动力学分析与激振参数优化研究

摘要

振动磨作为一种高品质物料超细粉磨设备，已经广泛应用于矿山、冶金、医药、化工等领域。随着对粉体质量的要求越来越高，产品粒度很难突破亚微米级粒度极限，振动磨机的进一步发展遇到了瓶颈。针对目前国内外超细粉碎能耗高、超微颗粒不细化这一技术瓶颈问题，本文对传统振动磨机结构进行改进，设计一新型旁置式双质体振动磨。从振动磨整机动力学建模出发，对新型磨机动力学特性进行分析，并通过离散单元法建立机体与离散物料之间的耦合关系，对筒内磨介流、乏能区等展开研究，同时依据仿真试验结果对新型磨机振幅振频等激振参数进行优化，旨在进一步打破颗粒粉磨极限，取得微米级粒度水平。
　　本文首先针对旁置式振动磨的激振特点进行动力学仿真分析。基于拉格朗日方程建立旁置式磨机动力学仿真模型，应用Matlab软件求解动力学方程得到新型磨机质心运动规律，并通过激光位移实验从时域频域角度验证模型有效性。对磨机上下质体的运动状态进行对比分析，并对不同振动条件下质心运动轨迹差异作进一步分析研究。通过此动力学模型，探讨振频振幅对新型磨机振幅振强的影响，为振动磨激振参数优化提供理论指导。
　　其次，基于离散单元法对筒内磨介运动状态、粉磨效果进行研究。利用离散元软件PFC3D建立旁置式振动磨筒体模型。对筒内磨介球数量与填充率关系进行定量估算并验证估算公式有效性。基于离散元仿真模型分析筒内磨介直径大小对粉磨效果影响，探讨磨介尺寸的最佳搭配情形以及高密度磨介球的最佳占比。在磨介分析基础上，研究不同振动条件下磨介运动状态、筒体低能区现象，同时对筒内磨介平动动能与转动动能做进一步分析，为提升振动磨粉磨效果提供参考。
　　再次，对筒内物料团聚现象进行研究，推导颗粒聚团强度与颗粒粒径之间的关系。结合平均动能、摩擦功、接触力和碰撞次数等评价指标设计25组全面仿真试验，基于双因素方差分析法和极差分析法研究磨机激振参数对粉磨效果的影响，获取了振幅、振强最佳取值，为进一步打破颗粒聚团、取得微米级物料颗粒提供理论依据。
　　最后，根据物料聚团特性以及仿真试验结果，优化新型磨机激振方式，将原一级偏块设计为二级偏块。研究变转速下磨机非线性运动特性，对电机转速做优化组合分析，提出了多波变正弦曲线控制方式。选择金刚石粉末作为样机试验材料，对比了优化前后产品粒度分布，结果表明激振参数优化后的旁置式磨机明显体现出颗粒细化效果，突破了亚微米级粒度极限，为振动磨工程应用奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 振动磨起源及发展

1．2．2 振动磨理论研究进展

1．3 课题研究的主要内容

第二章 旁置式振动磨动力学仿真建模及参数分析

2．1 旁置式双质体振动磨结构分析

2．2 动力学仿真模型建立

2．2．1 拉格朗日方程简介

2．2．2 振动磨机物理模型

2．2．3 拉格朗日方程建立

2．3 动力学仿真模型实验验证

2．4 振动磨仿真结果分析

2．4．1 上下质体运动对比分析

2．4．2 质心运动规律对比研究

2．4．3 磨机参数对振幅、振强影响研究

2．5 本章小结

第三章 基于离散单元法的筒内磨介建模与仿真分析

3．1 离散单元法简介

3．1．1 离散单元法概述

3．1．2 离散单元法基本方程

3．1．3 颗粒离散元软件PFC3D简介

3．1．4 PFC3D的基本假设和计算流程

3．2 离散元仿真模型建立

3．2．1 仿真参数设置

3．2．2 建立简体模型

3．2．3 介质建模与堆积

3．2．4 振动磨筒体模拟仿真运动

3．3 振动磨筒内磨介对研磨效果影响研究

3．3．1 筒内磨介数量估算

3．3．2 磨介直径大小对振动磨研磨效果影响研究

3．3．3 不同直径磨介混合对研磨效果影响研究

3．3．4 混合密度磨介对研磨效果影响研究

3．4 不同振动条件下离散元仿真分析

3．4．1 不同振动条件下磨介运动状态对比

3．4．2 不同振动条件下筒体分区能量研究

3．4．3 不同振动条件下磨机粉磨效果影响研究

3．5 本章小结

第四章 变振强下旁置式振动磨激振参数优化研究

4．1 超微颗粒聚团破碎研究

4．1．1 超颗粒粘结聚团成因分析

4．1．2 筒内物料聚团强度分析

4．2 高振强下振动磨激振参数优化研究

4．2．1 试验优化方案设计

4．2．2 仿真试验结果

4．2．3 振动磨激振参数优化

4．3 变振强下激振控制方式分析

4．3．2 双变激振下振动磨非线性特性分析

4．4 双变激振下电机转速优化研究

4．4．1 六种工况对比分析

4．4．2 变转速工况优化组合

4．5 多工况优化组合有效性试验验证

4．6 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文