基于多尺度颗粒模型的预磨机破碎能耗分析

摘要

预磨机是针对磨矿设备因入料粒度过大导致高耗低效而研制的一种新型设备。其通过冲击、挤压、研磨、剪切等方式实现矿石破碎，但其复杂的预磨机理导致其能耗预测一直成为研究的重点及难点。而以“三大破碎学说”为基础的破碎能耗模型仅仅通过碎磨实验对能耗进行简单、粗略的拟合计算，并未充分考虑矿石外观形状、力学特性以及载荷作用对破碎能耗的影响，所以不能全面预测预磨机的破碎能耗。
　　论文采用理论分析、计算机模拟分析和实验相结合的方法主要完成以下工作：结合单颗粒破碎实验、3D扫描技术及离散元法，构建了多尺度颗粒群破碎模型；利用已构建的多尺度颗粒模型，通过响应曲面法建立预磨机破碎能耗预测模型，其主要成果有：
　　（1）以球状、锥状、柱状及片状为不规则矿石的四种典型外观形状，并利用3D扫描技术及逆向工程Geomagic studio软件实现矿石形状的三维逆向建模型；通过对三维模型处理以获取其二维视图的几何尺寸参数，并以扁平度、圆形度、实用球形度及球形度为指标，对不规则矿石的形状进行定量评定，统计学描述验证各评定指标的敏感性，并确定球形度为颗粒外观的最敏感评价因子。
　　（2）利用改进后的WDW-500试验机开展四类典型不规则矿石的挤压破碎实验，分析不同挤压速度、矿石形状对碎时应力应变的影响，并对破碎后的粒度进行统计。分析结果表明：加载速度越大，矿石的峰值应力越大、峰值应变越小；矿石球形度越大，矿石的峰值应力越小、峰值应变越大，其碎后粒度也能更好地服从正态分布。
　　（3）通过导入基于3D扫描的不规则矿石NURBS曲面几何模型，并结合单颗粒挤压破碎实验的矿石力学特性及碎后粒度分布函数，采用离散元法BPM粘结模型完成矿石破碎模型的建立；并利用EDEM的API插件构建多形状几何体、多粒度分布、多力学特性的多尺度颗粒群破碎模型，为深入研究各类矿石破碎研究提供新思路。
　　（4）对预磨机的结构及工作原理进行分析，并基于已经构建的多尺度颗粒模型对预磨机的破碎能耗进行预测。以有效功率为能耗评价指标，以转盘转速、填充率、料球比及矿石群球形度为回归参数，得到了能耗预测模型及最低能耗工作下的参数值。
　　综上所述，通过典型不规则矿样的3D扫描，结合单颗粒挤压破碎实验，并采用离散元发构建的多尺度颗粒模型，对预磨机的破碎能耗预测具有较强的实用性及可靠性，也可为其他破碎设备的节能降耗提供设计新思路。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 离散元法的基本原理

1.4 多尺度颗粒模型的构建思路

1.5 主要研究内容

第二章 基于3D扫描的不规则矿石建模及量化分析

2.1 不规则矿石颗粒的样本选取

2.2 基于3D扫描的矿石形状逆向建模

2.3 不规则颗粒形状测量

2.4 矿石形状评定及统计学描述分析

2.5 本章小结

第三章 单颗粒矿石挤压破碎实验分析

3.1 挤压破碎试验系统的讨论

3.2 挤压破碎实验方案设计

3.3 破碎实验结果分析

3.4 挤压破后粒度分布

3.5本章小结

第四章 多尺度颗粒破碎模型的构建

4.1 不规则颗粒三维离散元建模

4.2 矿石力学特性的实现

4.3 颗粒模型参数的标定

4.4 多尺度颗粒群破碎模型的实现

4.5 本章小结

第五章 基于多尺度颗粒模型的预磨机破碎能耗预测

5.1 预磨机结构原理及破碎能耗方程

5.2 预磨机仿真模型的建立

5.3 能耗预测实验方案及结果

5.4 能耗预测模型的建立

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果