立轴冲击式破碎机流场分析与优化设计研究

摘要

立轴冲击式破碎机是一种广泛应用于建筑骨料生产、矿石粉磨等行业的制砂设备。目前，立轴冲击式破碎机普遍存在产砂率较低、产品粒度分布差、破碎机使用寿命短等问题，这与破碎机转子结构对物料的加速效果差以及破碎机工作参数设置不合理等有着密切的关系。虽然国内外学者在转子结构设计方面取得了一定的研究成果，但对于破碎腔流场对物料破碎效果的影响的研究涉及较少，对于破碎机工作参数对物料破碎效果的影响规律了解的还不全面。因此，本文采用二次加速理论改进了转子结构并采用离散元与流体力学技术（FLUENT-EDEM）联合仿真的方法对破碎腔流场进行了仿真分析，在此基础上对转子的结构参数和工作参数开展了优化研究工作，为研发新型高效的立轴冲击式破碎机以及破碎机的高效应用提供了理论依据。　　首先，以贵州某企业具有独立知识产权的PL840立轴冲击式破碎机转子为研究对象，采用二次加速理论深入研究了实现物料二次加速与转子主要结构参数的关系，初步确定了二次加速型转子以及破碎腔砧板的主要结构参数。　　采用FLUENT-EDEM耦合分析的方法对破碎腔流场进行了仿真，深入分析了在不同转速、不同粒径下物料颗粒的速度、碰撞位置和频次、破碎能耗、湍流动能等，评估了气相对物料颗粒破碎的影响，验证了所设计的二次加速型转子对物料的二次加速效果，揭示了转子结构参数对破碎效果的影响规律。　　基于破碎腔流场的仿真分析，提出采用FLUENT-EDEM联合仿真、正交试验与MATLAB回归分析相结合的方法，对影响物料加速效果的转子结构参数进行优化，确定了使物料加速效果最好的转子结构参数。　　从岩石破碎理论出发，建立了物料的破碎模型，然后通过单颗粒破碎理论以及反演法，验证了离散元仿真中物料破碎模型的可靠性，并在不同工作参数组合下开展了物料破碎仿真试验，以粘结键断裂比率为主要依据，确定了不同入料级配下高效、节能的破碎机工作参数，为破碎机工作参数的优化提供理论依据。

目录

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 立轴冲击式破碎机简介

1.2.1 立轴冲击式破碎机结构

1.2.2 立轴冲击式破碎机的工作原理

1.3 立轴冲击式破碎机的破碎系统

1.4 立轴冲击式破碎机的国内外研究现状

1.4.1 转子的研究现状

1.4.2 破碎腔流场及物料颗粒破碎的研究现状

1.5 本文研究内容

第2章 新型立轴冲击式破碎机破碎系统设计

2.1 二次加速型转子的结构设计和工作原理分析

2.1.1 二次加速型转子的结构特点

2.1.2 二次加速型转子的工作原理分析

2.1.3 二次加速型转子主要结构设计

2.2 新型立轴冲击式破碎腔砧板设计

2.3 本章小结

第3章 破碎腔流场仿真研究

3.1 EDEM软件介绍

3.2 破碎腔流场仿真的气固耦合方法

3.2.1 破碎腔流场的气固耦合方法

3.2.2 破碎腔流场的气固耦合控制方程

3.2.3 破碎腔流场的曳力模型

3.2.4 破碎腔流场的气固耦合求解过程

3.3 基于FLUENT-EDEM的破碎腔流场气固耦合仿真模型的建立

3.3.1 破碎腔流场的仿真模型的建立

3.3.2 破碎腔流场的GAMBIT网格划分

3.3.3 约束条件设置

3.4 基于FLUENT-EDEM的破碎腔流场气固耦合仿真分析

3.4.1 破碎腔流场中物料的速度分析

3.4.2 破碎腔流场内转子对物料的二次加速效果验证

3.4.3 破碎腔流场单颗粒轨迹分析

3.4.4 破碎腔流场单颗粒碰撞次数与破碎能耗分析

3.4.5 破碎腔流场湍流动能分析

3.4.6 物料加速效果仿真分析

3.5 本章小结

第4章 二次加速型转子的结构优化研究

4.1 二次加速型转子结构的正交试验设计

4.1.1 水平因素表的确定

4.1.2 正交表的设计

4.2 物料加速效果仿真及结果分析

4.3 二次加速型转子结构的回归分析优化

4.4 结构参数优化结果分析

4.5 本章小结

第5章 破碎机工作参数优化方法研究

5.1 岩石破碎理论

5.2 破碎机破碎效果的主要影响参数的确定

5.3 物料粘结模型的创建

5.3.1 粘结颗粒的数目计算

5.3.2 粘结参数的计算

5.4 破碎模型的可靠性验证

5.4.1 物料颗粒破碎力的理论计算

5.4.2 单颗粒仿真试验

5.5 立轴冲击式破碎机工作参数优化

5.5.1 物料破碎效果仿真模型的建立

5.5.2 仿真结果分析及破碎机工作参数优化

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 主要工作及结论

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录