（机械制造及其自动化专业论文）颤振球磨机的介质碰撞能量与粉碎性能研究.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e ji a n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ho nc h a r g ec o u i s i o ne n e r g ya n dc r u s h i n g p e r f o r m a n c eo ff l u t t e rb a um i l l c a n d i d a t e ：y i n gn a n a d v i s o r ：s u ny i ，s h a nj i h o n g c 0 l l e g e0 fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e ji a n gu n i v e r s i t yo fr i e c h n o l o g y n 0 v2 0 1 2 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名： 日期：力b 年j 2 月2 萝日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密彤 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：盔0 雾 日期：洲z 年lz 月诸日 导师签名心阳。疹文 日规跏，i 年，2 月芗，日 浙江工业大学硕士学位论文 颤振球磨机的介质碰撞能量与粉碎性能研究 摘要 传统球磨机的机理研究无法完成提高粉碎效率的突破性成果，寻求新的筒体运动模 式成为了较好的突破点。本文研究的颤振球磨机，通过筒体的多元耦合运动来增强冲击 研磨作用，延长单位周期内粉体研磨做功时间。 本文首先在颤振球磨机介质碰撞破碎原理与颗粒破碎机理理论研究的基础上，改进 了料层冲击粉碎试验，并论证了它的合理性。然后通过最佳介质碰撞能量范围及破碎率 问题的理论研究，论证了利用落球粉碎试验获得的最佳介质碰撞能量( 法向) 范围和离 散元仿真获得的能量耗散率曲线来研究颤振球磨机粉碎性能的可行性。设计制作了料层 冲击实验装置，对特定粒度的建筑用砂进行落球粉碎试验，分析得到了最佳介质碰撞能 量范围。最后以缈6 0 0 9 0 0 聊研试验样机为原型，建立了颤振球磨机离散元模型，通过不 同振动幅度和振动频率下的介质运动仿真，获得了所有碰撞的碰撞能量。 统计分析结果表明，振动幅度越大，法向碰撞能量越大，即越适合于粉碎最佳介质 碰撞能量大的物料；振动频率对粉碎性能的影响相对较小，频率大于1 0 h z 后碰撞能量 几乎没有变化。以落球粉碎试验获得的o 0 1 o 1 j 最佳介质碰撞能量范围为例，得到了 粉碎该物料的最佳激振参数。 本文的研究，对探索颤振球磨机不同运动驱动下的粉碎机理具有一定的参考价值， 为激振参数的选取提供了新的方法。 关键词：介质碰撞能量，颤振球磨机，离散元，粉碎性能 原书空白页 不缺内容 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc h a r g ec o l l i s i o n e n e r g ya n dc r u s h i n gp e r f o r m l 试c e o ff l u t t e rb a l lm i l l a b s t r a c t t h er e s e a r c hm e c h a m s mo ft r a d i t i o n a lb a nm i uc a n tc o m p l e t eb r e m 【t l l m u g hr e s u l t s w h i c hi m p r 0 v et h ec m s h i n ge 伍c i e n c y ，s os e e k i n gn e wm o t i o nm o d eo fb a r r e lb e c o m ea b e t t e rb r e d ( t h r o u 曲p o i n t f l l i t t e rt e s tb a l li n j l lw h i c hi ss t u d i e dc a ne n h a n c e st h ee f - f e c to f i m p a c ta n da b r a s i v ea n de x t e n d sp o w d e r 咖n d i n gw o r kt i m e i nu n i tc y c l et h r o u 曲t h e m u l t i p l ec o u p l e dm o t i o no f b a r r e l i np 印e r f i r s t l y ，t h em a t e r i a l1 a y e ri m p a c tc m s h i n ge x p e r i i l l e n t i s i m p r o v e da n di sp r o v e d r a t i o n a l l yb a s e do nt 1 1 et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho ft h en u t t e rb a ur n j um e d i u r ni m p a c tc m s h i n g p r i i l c i p l ea n dp a n i c l ec m s h i n gm e c h a n i s mi nt h i sp a p e r t h e nt h r o u g ht h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h o ft h eo p t i m u mc h a r g ec o l l i s i o ne n e r g yr a n g ea n dc m s h i n gr a t e ，t h ef e a s i b i l i 够o f 咖d y i n gt h e b a um i l lc m s h i i l gp e r f o m l a n c ei sd e m o n s 仃a t e db yt h eo p t i n m mc o l l i s i o ne n e r g y ( n o m l a l ) r a n g e 、池i c hi sa c h i e v e dt h r o u 曲f a l l i i l gb a l lc m s h i n ge x p e r i m e n ta 1 1 de n e 略yd i s s i p a t i o nr a t e c 1 】n ，ew h i c hi sa c h i e v e db yd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d t h ee x p e r i m e n _ c a ld e v i c eo fm a _ t e r i a l 1 a y e ri m p a c ta n dc o l l i s i o ni sd e s i g n e da n dm a d e a n dt h eo p t i m u mc h a r g ec o l l i s i o ne n e r g y r a n g ec a nb ea n a m i c a l l yo b t a i nb yd o i n gt h ee x p e r i i i l e n to ff a l l i n gb a ni i n p a c t i i l ge x p e r i m e n t f o rap a r t i c u l a rg r a n u l 撕够b u i l d i i l gs a n d f i n a l l y ，蛐gm e 缈6 0 0 9 0 0 m mt e s tb a ni n i ua s t h ep r o t o 帅e ，f 1 眦e r b a l li n i ud i s c r e t ee l e m e n tm e t h o dm o d e l i se s 切b l i s h e d a uo ft h e c o l l i s i o ne n e 略yo ft h ec 0 1 l i s i o ni sg o tb yt h ec h a 略em o t i o ns i m u l a t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n t v i b r a t i o na n 叩l i t u d ea n dv i b r a t i o n 仔e q u e n c y t h es t a t i s t i c a la n a l y s i sr e s u l t ss h o w st h a tt h eb i g g e rv i b r a t i o n 锄p l i t u d e ，t h e1 a r g e r n o m a lc o l l i s i o ne n e r g y t h i si st os a y ，t h em o r es u i t a b l ef o rc m s h i i l gt h em a t e r i a lo fb i gb e s t c h a r g e c o l l i s i o n e n e r g y v i b r a t i o n雠q u e n c yh a sr e l a t i v e l ys m a ue f f e c to nc r u s l l i n g p e 怕珊a n c e ，a n dt h ec 0 1 1 i s i o ne n e r g ys c a r c ec h a n g e sw h e n 肌q u e n c y i sm o r et h a l l10 h z t 1 1 e o p t i m a lv i b r a t i o np a r a m e t e r so fc m s h i n gt h em a t e r i a lw h o s eo p t i m u mc h a 略ec o l l i s i o ne n e r g y r a n g ei sb e 铆e e no 0l - 0 1jc a nb ea c h i e v e d t h i sr e s e a r c hh a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et oe x p l o r et h ec m s h i l l gm e c h a n i s mo ff e r b a l lm i l lu n d e rd i a e r e n tm o t i o nd r i v e ，a n dp r o v i d e san e wm e t h o dt os e l e c tm ev i b r a t i o n p a u r a m e t e r s k e yw o r d s ：c h 鹕ec o l l i s i o ne n e 觋f l 眦e r b a l l1 1 1 i l l ，d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ，鲥n d i n g p e d b n n a n c e i i i 原书空白页 不缺内容 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t i 认c t i i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景及意义1 1 2 颤振球磨机概述2 1 2 1 球磨机的主要运动模式2 1 2 2 耦合颤振的球磨机3 1 3 球磨介质运动与碰撞特性研究现状4 1 3 1 介质运动实验研究4 1 3 2 介质运动离散元仿真研究4 1 3 3 介质碰撞特性研究5 1 4 课题主要研究内容6 第2 章颤振球磨机介质运动与碰撞破碎9 2 1 颤振球磨机介质运动的影响因素9 2 1 1 介质运动形态9 2 1 2 影响介质运动的主要因素9 2 1 3 激振参数对介质运动的影响1 3 2 2 物料破碎机理与介质碰撞破碎1 4 2 2 1 材料强度理论与粉碎能耗1 4 2 2 2 颤振球磨机颗粒破碎方式的选择1 6 2 2 3 料层冲击粉碎1 7 2 3 本章小结2 0 第3 章颤振球磨机冲击研磨作用与最佳介质碰撞能量2 1 3 1 筒体耦合颤振下碰撞能量与冲击研磨作用关系2 1 3 1 1 介质与物料的作用方式2 l 3 1 2 离散元中的碰撞能量2 3 3 1 3 筒体耦合颤振下冲击研磨作用分析2 6 v 目录 3 2 最佳介质碰撞能量与颤振球磨机粉碎性能的关系2 7 3 2 1 最佳介质碰撞能量范围2 7 3 2 2 颤振球磨机的粉碎性能分析方法2 9 3 3 本章小结3 0 第4 章颤振球磨机粉碎性能及激振参数优化研究3 l 4 1 颤振球磨机离散元模型的建立3 l 4 1 1 颤振球磨机规格参数及离散元模型参数的确定3 2 4 1 2 颤振球磨机离散元模型生成3 3 4 1 3 缩短简体轴向尺寸对仿真结果的影响分析3 4 4 2 振动幅度对粉碎性能的影响研究3 6 4 2 1 不同振动幅度下介质运动仿真试验3 6 4 2 2 振动幅度对介质运动轨迹的影响3 7 4 2 3 振动幅度对介质碰撞能量分布的影响3 8 4 3 振动频率对粉碎性能的影响4 4 4 4 颤振球磨机激振参数优化4 7 4 5 本章小结5 0 第5 章最佳介质碰撞能量实验研究5 l 5 1 落球粉碎实验装置的设计及制作5 1 5 2 落球粉碎实验设计5 2 5 3 落球粉碎实验数据分析5 5 5 3 1 破碎质量5 5 5 3 2 破碎后物料粒度分布情况5 7 5 3 3 待磨物料的最佳介质碰撞能量范围5 7 5 4 本章小结5 9 第6 章结论与展望6 1 6 1 结论6 1 6 2 展望6 1 参考文献6 3 致谢6 7 攻读学位期间参加的科研项目和成果6 9 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 粉体加工是现代工业和高新技术产业中重要的加工手段。随着水泥、陶瓷、化工、 冶金、二次资源回收再利用、机械制造等生产规模的扩大，粉体工业在我国已经成为一 个跨行业、跨学科的大产业，粉体业的产值占到了第一、二产业总产值的一半以上，在 整个国民经济中具有十分重要的战略地位 1 。近年来，超细粉碎技术发展非常迅速，现 已有气流磨机、高速冲击粉碎机、搅拌磨机、离心辊磨机、振动磨机、胶体磨机等超细 粉碎设备。但这些粉体加工设备难以替代球磨机进行规模化粉体加工【2 1 。 图1 1 球磨机及其工作原理图 介质 物料 球磨机的主要工作部件是回转简体，简体的转动将筒体内的介质提升到一定高度， 由于重力作用介质抛落下来，对物料造成冲击和研磨，如图1 1 。球磨机在1 0 0 多年的 历史当中，一直作为物料粉碎作业的主要设备，是因为它有以下优点【3 ： 1 ) 生产能力大，可实现连续生产，满足现代工业大规模生产作业； 2 ) 对物料的适应性强，并且可以进行干法和湿法作业； 3 ) 粉碎比大，既可粗磨也可细磨，易于调整产品的细度； 4 ) 结构较简单，性能较稳定，易于维护管理。 但是球磨机也存在电能利用率低，能量消耗大，介质磨损大等缺点。据统计全世界 第1 章绪论 用于粉磨作业所消耗的电能占到了全世界总耗电量3 4 ，其中选矿厂用于磨矿作业 所消耗的电能约占整个选矿作业总电量的3 0 7 0 【4 】，实际用于粉碎物料的电能利用 率仅为2 7 之间，其中绝大部分能量以热量的形式耗散掉了【5 j 。 随着社会的进步与科学技术的发展，人们越来越关心我们赖以生存的地球环境。“十 二五规划”特别指出：随着我国城镇化、工业化进程加快以及消费结构持续升级，我国 能源需求呈刚性快速增长，受国内资源保障能力和环境容量制约以及全球性能源安全和 应对气候变化影响，资源环境约束日趋强化，“十二五”时期节能减排形势仍然十分严峻， 任务十分艰巨。由此可见，在以低碳节能为主旋律的今天，高能耗低效率的球磨机与之 格格不入。提高球磨机的效率成为了重要的研究课题。 1 2 颤振球磨机概述 球磨机是通过介质与物料、物料与物料的相互作用细化物料的，介质与物料的运动 受到简体转速率、筒体尺寸、填充率、衬板样式等因素的影响。在其他操作参数不能实 质性改变磨机超低效率的情况下，改变球磨机的运动模式成为了新的突破点。 1 2 1 球磨机的主要运动模式 传统球磨机纯粹依靠筒体的转动来带动介质与物料的运动，进而影响它们的碰撞特 性，单一的筒体转动无法影响到肾型区、非活跃区的运动活性，因此其高能耗的缺点无 法得到实质性改变。为了在球磨机运动模式上寻找突破点，相继开发了振动磨机【6 、行 星球磨机7 1 、搅拌磨机【8 1 、超临速球磨机9 1 等。 振动磨机主要靠筒体的高频振动，在介质对物料的高频冲击作用下细化物料。通过 调节振动幅度、振动频率、介质形状、介质尺寸和配比等操作参数可以加工不同种类物 料。但它对给料粒度要求比较高，很难实现大型化。 行星球磨机筒体在自转的同时实现公转，介质的运动变得凌乱复杂，增加了筒体内 介质和物料的运动活性。适合于粉磨砂超细物料，但是只能实现小样制备。 搅拌磨机将输入能量通过搅拌带动介质运动，避免了带动笨重的简体转动或振动所 需的无谓消耗。搅拌磨机除了具有冲击研磨作用，还具备分散作用和搅拌作用，物料粒 度分析较均匀。但是它的设备磨损比较严重，且无法完成规模化生产。 超临速球磨机的转速率达到临界转速，通过简体内的档板来引导介质的流向，提高 了介质的运动速度和冲击作用力，缩短作业时间，但其粉碎效率有待进一步研究。 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 耦合颤振的球磨机 常规性球磨机的机理研究无法完成提高粉碎效率的突破性成果。增加简体复合运动 要素、改进运动耦合方式，是增强介质对粉体的冲击碰撞与粉体颗粒间的剪切作用，延 长单位周期内粉体研磨做功时间的较好的解决方案。本文所研究的颤振球磨机是增加了 简体在竖直方向上正弦规律运动的新型试验球磨机。 颤振球磨机示意图1 2 ，其中包括球磨机本体1 、振动电机2 、具有减振系统的轮式 部件3 、双万向联轴节传动部件4 、曲柄滑块机构5 、具有轨道结构的基座6 、控制系统 7 等结构。在颤振磨机中，电动机通过双万向联轴节等传动部件与回转体连接，使得回 转体一方面绕轴心旋转，一方面上下振动，控制系统可以通过调整电机转速和行程，改 变颤振磨机的运动规律。 图1 2 颤振球磨机示意副1 0 】 图1 3 颤振试验样机 3 第1 章绪论 颤振球磨机前期的研究工作已经取得了一定的成果，为了深入探究其粉碎性能，制 作了矽6 0 0 9 0 0 m 聊颤振试验样机，如图1 3 所示。 1 3 球磨介质运动与碰撞特性研究现状 介质的运动及其碰撞特性直接影响粉碎效果，球磨机介质运动及其影响因素是球磨 机粉碎效率研究的主要内容之一。磨机内介质运动受到众多因素的影响，比如筒体的运 动模式、转速率、介质填充率、衬板样式、料球比等【1 1 】。国内外学者对介质运动及其影 响因素做了很多有价值的研究。 1 3 1 介质运动实验研究 早期对介质运动的研究大多采用实验的方法，比如早在2 0 世纪3 0 年代，e w d a v i s 等将球磨机筒体的一端做成透明端盖，用高速摄像机采集介质运动图像，确认了介质在 抛落过程中的轨迹是由抛物线以及圆弧组成的，基于一定的假设条件下，根据此运动轨 迹建立了数学基本方程【l2 1 。国内夏恩品等采用相似的方法，在不同球径、不同填充率、 不同转速率下对介质运动形态进行图像采集，通过图片的对比分析，得出装球率、转速 率和介质直径对介质运动形态的影响规律，以及实际抛落的介质在降落到能有效砸击到 介质区的转速率和填充率对应的关系图表。 上述实验主要是对于二维磨机内介质的运动形态的研究，因为三维状态下拍照的方 法不能适用，无法捕捉到每一个介质的三维位置。为了将此研究扩展到三维球磨机， i g 。o v e n d e r 等 1 3 用x 射线原理制成的试验系统观测到介质在球磨机内的空间运动情况， 成功地追踪介质的空间运动轨迹，这使实验方法研究介质在三维空间的运动形态成为了 可能。飚a n g ik 飚a i l g i 【1 4 】在筒体内壁安装传感器，检测磨介对筒体内壁的冲击力，以此 来研究不同填充率不同球径下的粉磨效果。 1 3 2 介质运动离散元仿真研究 由于球磨机内部介质及物料的运动非常复杂，并且内部环境恶劣，传感器很难在里 面正常工作。仅仅依靠拍照实验的方法很难真正探究到介质的运动状态，也很难获得介 质的速度以及碰撞能量等数据。因此在很长时间内介质运动的研究没有得到实质性的进 展。随着计算机技术的发展，利用计算机模拟介质的运动成为可能。1 9 7 1 年，c 1 l l l d a l p a 【1 5 首先提出了离散单元法( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ，d e m ) 。直到1 9 9 1 年，印度理工学院( 坎 4 浙江工业大学硕士学位论文 普尔) 的m i s h r a 和美国犹他州大学的酬锄a n i 最先把离散元法引入到球磨机筒内介质 运动的二维仿真研究，分析介质在筒体内的运动轨迹和分布形态【1 6 】。r a j 锄a n i 、v e n u g o p a l 和r a j a m a n i 1 7 】【1 8 1 等给出了用于球磨机的二维和三维离散元算法，并且做了相应的实验， 结果显示离散元模拟与实际情况符，并且3 d 模拟比2 d 模拟更接近实际。 离散单元法是模拟非连续体的代表性数值方法，对于粒子流动的不连续行为，以离 散体的力学理论，配合牛顿第二运动定律及显性时间积分法来描述离散体的运动【1 9 】。 离散单元法的基本思想：首先将研究对象离散成“元”或“粒子”，相邻的“元”或“粒子” 受到相互之间一种或者几种作用力，然后通过牛顿定律计算得到各个离散体的运动情况， 这些计算是通过显式积分法实现的。如图l - 4 所示，一次循环包括两个主要步骤： 1 ) 判断离散体是否接触，如果接触，计算得到离散体之间的作用力，包括离散体 或边界间的接触力、静电力、液桥力、重力等。 2 ) 依据牛顿第二定律得到每个离散体的加速度，用显性时间积分求得离散体在每 个时问步程内的速度及位置。 重复以上步骤，直到颗粒受力趋于平衡、颗粒移动趋于稳定或运算到要求的循环次 数。 单元的参数更新及接触判断 接触力的产生及计算 图1 4 离散元循环计算口0 1 1 3 3 介质碰撞特性研究 仅仅研究介质的运动形态不能实质性剖析球磨机的粉碎效率，介质的碰撞特性更能 从微观上体现破碎效果。离散元获得的介质碰撞能量很好地体现了介质碰撞特性，碰撞 能量是指介质之间、介质与筒壁之间碰撞期间耗散的能量，包括法向和切向碰撞能量。 对球磨机运行过程中大量介质的碰撞能量进行统计分析，深入研究球磨机的粉碎效率。 r a j 锄a n i 【2 1 】等人用离散元模拟实验室小型球磨机，利用碰撞能量分布图研究颗粒的 气 第1 章绪论 破碎。d a t t a 和r a j 锄a n j 【2 2 】利用离散元碰撞能量分布图预测了产品的颗粒尺寸分布。 b w a l v a 【2 3 1 等人以及t a v a r e s 和c a n ，a m o 刚将碰撞能量分布图和总体平衡动力学模型相结 合研究颗粒破碎效果。 b k m i s h r a 2 5 【2 6 】在综述文章中指出把离散元方法应用于磨机的设计与优化，已经普 遍被矿业工程领域所接受，用d e m 可以容易地构建磨机模型，仿真结果已经过验证。 如何有效地利用这一工具进行磨机介质的运动分析、功率的测算、衬板的设计、颗粒分 布等的计算。将来可根据冲击能量谱和破损分布数据，直接利用离散元来模拟整个破碎 过程。 p a u lw c l e a r y 【2 7 利用d e m 模拟了球磨机简体内介质和物料的运动状态，通过碰撞 能级分布认为当物料粉末在介质间隙中的填充率越高粉磨效率越好，此研究主要针对于 细磨作业，亦证明了d e m 仿真4 0 万颗粒子的可能性。r o bd m o r r i s o n 2 8 】等通过离散元 模拟介质的运动，比较分析了球磨机和塔式磨机的效率，结果显示球磨机的填充率更高 但效率相对低，两者适用的物料范围不同。p a u lw ic l e 哪 2 明用d e m 模拟了两仓式球磨 机的介质运动，了解了第一仓简体内壁加栅格后的效果，第二仓包含3 8 万个粒子的模 型证实了该规模和复杂度d e m 造型的可行性。m s p o w e l l 【3 0 1 等对衬板形状进行了改进， 用d e m 模拟介质的运动测算了衬板的磨损率并且得到了一个简化的破碎率模型。 t o m o h i r o1 w a s a k i 【3 1 】通过离散元模拟不同直径筒体内介质的运动，得到碰撞能量及累积 能量，以此来衡量破碎的有效性，并且用实验进行了验证。 综上所述，实验方法基本上是以颗粒破碎动力学为依据对粉磨的效率、介质尺寸等 进行研究。由于筒体内介质与物料运动的复杂性，很难用实验方法研究介质碰撞特性。 由离散单元法获取碰撞能量研究介质碰撞特性成为了最有效的方法，离散元的有效性也 已经过时间的考验并被广大学者接受。通过离散元模拟可以得到介质的运动状态，介质 运动轨迹，介质碰撞能量分布图等。由此得到的能量耗散率曲线可用于球磨机效率的研 究，但是缺乏对球磨机核心内容：增强磨介颗粒群冲击剪切研磨的作用频度与能量转 化的运动可控性开展理论研究，因此如何来获得效率更高的能量耗散率曲线成为了新的 研究的重点。 1 4 课题主要研究内容 本文以缈6 0 0 9 0 0 m m 颤振试验球磨机为研究对象，通过对离散元仿真获得的能量耗 散率曲线的分析，研究不同激振参数下球磨机的粉碎性能。以落球粉碎试验获得的待磨 浙江工业大学硕士学位论文 物料的最佳介质碰撞能量范围为指导，优化激振参数。论文主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 在理解颤振球磨机工作原理的基础上，分析影响颤振球磨机介质运动与碰撞 的工作参数。基于介质碰撞破碎原理，改进料层冲击破碎实验原理。 ( 2 ) 通过对介质与物料、筒壁与物料、物料之间作用方式以及离散元仿真碰撞过 程中能量耗散问题的论述，分析简体耦合颤振对介质碰撞特性与冲击研磨作用的影响。 ( 3 ) 通过对最佳介质碰撞能量范围及破碎率的理论研究，从理论上论证利用落球 粉碎试验获得的最佳介质碰撞能量( 法向) 范围和离散元介质运动仿真获得的能量耗散 率曲线来研究球颤振磨机粉碎性能的可行性。 ( 4 ) 用离散元软件对够6 0 0 9 0 0 ，z ，z 颤振试验球磨机进行仿真分析，研究了振动幅 度和振动频率对粉碎性能的影响，以待磨物料最佳介质碰撞能量范围为指导优化激振参 数。 ( 5 ) 设计制作落球粉碎试验装置，对不同粒度的建筑用砂进行料层冲击试验，获 得该物料的最佳介质碰撞能量( 法向) 范围。 本课题获得国家自然科学基金：基于可控运动激励与耦合颤振的球磨机破碎能转化 强化研究( 编号：51 2 7 5 4 7 4 ) 以及浙江省自然科学基金重点项目：颤振球磨机运动耦合 层流粉碎机理研究( 编号：l z l 2 e 0 5 0 0 2 ) 资助。 第1 章绪论 8 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章颤振球磨机介质运动与碰撞破碎 颤振球磨机的介质运动情况直接影响到介质碰撞特性，从而影响粉碎效率。影响颤 振球磨机介质运动的因素有激振参数、转速率、填充率、衬板规格等操作参数。筒体的 耦合颤振使得操作参数的选择有别于传统方法。颤振球磨机是通过介质与物料颗粒层的 碰撞来粉碎物料的，因此研究料层冲击粉碎至关重要，料层冲击粉碎又关系到颗粒破碎 机理的研究。 2 1 颤振球磨机介质运动的影响因素 2 1 1 介质运动形态 介质的运动形态关系到介质的碰撞特性。其他操作参数确定的情况下，筒体在不同 转速率下介质会出现三种基本的运动形态【3 2 ，如图2 1 所示。当转速较慢时，会出现“泻 落运动状态”。在这种运动状态下介质和物料随简体提升到动摩擦角的高度，然后在重 力作用下滑落，此时介质对物料主要是研磨作用，因此适用于细磨作业。当转速适中时， 会出现“抛落运动状态”。在这种运动状态下介质随筒体到达一定高度后以近似抛物线轨 迹抛落下来。此时介质对物料的冲击作用较大，适用于粗磨作业。当转速过快时，会出 现“离心运动状态”。在这种运动状态下介质与介质、介质与简体之间没有相对运动， 因此介质对物料不会有冲击和研磨作用，在实际作业中需要避免这种运动状态。然而， 通常情况下介质运动并非纯粹的泻落或抛落，更多的是两者的混合状态。 简体的耦合运动，提高了介质运动的随机性和流动性，介质运动变得更加复杂。很 难从理论上来分析介质泻落或抛落运动，因此选用离散元方法分析。 2 1 2 影响介质运动的主要因素 影响球磨机介质运动的因素有：磨机结构参数，包括筒体尺寸、衬板样式；介质参 数，包括填充率、介质形状尺寸、介质级配；操作参数，包括激振参数、转速率、球料 比等。介质运动形态直接影响磨机的能耗、磨损、生产能力等。图2 1 清楚地表达了其 中含义。 第2 章颤振球磨机介质运动与碰撞破碎 形状尺寸 材料特性 介质级配 转速率 球料比 磨料浓度 图2 1介质运动形态【1 1 下面对转速率、填充率等操作参数进行简单论述，再进一步讨论仿真参数的设定。 1 ) 颤振球磨机转速率 当筒体耦合颤振时，通常振动会处到主导地位，筒体的转动主要用于分散和调均介 质与物料的分布，其转速率对介质运动的影响相对较小。筒体内最外层介质刚好开始紧 贴内壁随筒体做回转运动的转速称为临界转速 33 1 。如图2 2 所示，钢球在a 位置处于脱 离点，则离心力只应等于g s i n 9 ，由此可求得转速 删2 3 警 沼d 式中d 为筒体内径。 当a 处于临界点，即图中最高点时，口= 9 0 。，求得临界转速 胛：丝 ( 2 2 ) 2 万 心艺 将实际转速，z ，与临界转速甩。之比定义为转速率，即： 矽= 刀，以。 ( 2 - 3 ) 在没有简体激振的情况下，使介质从最高点抛落，以使介质获得最大的动能，对物 料造成最大的冲击作用，此时的转速称为理论适宜转速。此时脱离角口= 5 4 。4 0 ，转速 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 率矽= 0 7 6 。由于颤振球磨机振动因素，7 6 的转速率不能获得最大的介质动能，但是 这对颤振球磨机的细磨作业效率影响不大 濂著 图2 2 介质受力示意图 2 ) 颤振球磨机介质填充率 介质填充率是指介质在筒内堆积所占体积与筒体有效容积之比，即介质堆积 截面积尼与筒体截面积易之比。如图2 - 3 所示，阴影面积为介质堆积截面积，五为堆 积高度，d 为筒体内径，则填充率 缈：堡：墨：蠼二! 竺兰 。2 4 ， j v of o 死 厂、一 l 刈：d y il x 2桫 图2 3 球磨机静止时筒体截面示意图 填充率直接影响冲击高度、研磨面积、冲击次数等【3 4 1 。普通球磨机一般取2 5 4 5 ， 第2 章颤振球磨机介质运动与碰撞破碎 粗磨仓中填充率稍高，细磨仓填充率较低。由于颤振球磨机激振对介质运动的影响效大， 不再单纯依靠筒来提升介质形成冲击，因此可以取较大的填充率。 当确定填充率后可以用体积估算法和质量估算法来推算钢球个数3 5 1 。 体积估算法 在确定填充率后，钢球所占体积可以计算出来： = 缈 ( 2 5 ) 钢球在空间随机排列的方式有两种，1 ) 立方体排列，如图2 - 4 所示；2 ) 四面体排 列，如图2 5 所示。 图2 4 球的立方体排列 ( a ) 四面体排列 ( b ) 示意图 图2 5 球的四面体排列 设球的直径为d ，通过计算可得立方体排列方式下，球的个数： n 芷= v g | d j 四面体排列方式下，球的个数： 四= 2 d 3 假设实际中球以两种方式等概率排列，并将式2 5 代入，可得球的个数： 1 2 哗 1 2 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 浙江工业大学硕士学位论文 质量估算法 单个介质质量： m ：昙万，p ( 2 9 ) m 2 ：万，p l z yj 式中p 为介质的密度，而介质的总质量： m ：冬d 2 卿 ( 2 1 0 ) 4 式中：d 、三筒体的内径和长度，单位：m ； ，破碎介质的松散比重。锻制钢球取y = 4 5 4 8 t m 3 ；锻造铁球取y = 4 3 4 6t m 3 ；轧制钢棒y = 6 6 5t o ；钢段取y = 4 5 4 8t m 3 ； 矽介质的充填率。 因此介质个数： ：塑( 2 - 1 1 ) 1 6 r 3 p 经过实际比对，质量估算法更符合实际，因此仿真中所用介质数量以此方法算得。 3 ) 颤振球磨机介质尺寸 针对于普通球磨机介质尺寸的研究很多，很多经验公式可以参考，如拉祖莫夫平均 球径公式、戴维斯公式、邦德公式等3 6 1 。但都是在一定条件下提出来的，因此不一定能 适用所有的球磨机，仅能提供理论上的参考。对于颤振球磨机可以参考细磨作业的介质 计算方法，还需结合颤振特性进行优化。 2 1 3 激振参数对介质运动的影响 颤振球磨机激振参数包括振动幅度和振动频率，对粉碎性能影响较大，所采用的振 动波形是正弦波型，如图2 6 所示。 第2 章颤振球磨机介质运动与碰撞破碎 _ 1 ，、 厂、 ，、厂、 |，、 ，、，、 ，、 ，、 ，、 ，、 ，、|，、 厂、 0 ：020 3 4id 10 709_ uuuvvv1vvv 时间s 图2 6 振动波形 筒体的颤振会使介质的提升高度有所下降，减少抛落状态的介质而增加泻落状态的 介质，因此适合于细磨作业。当振动幅度和振动频度够大，使振动对介质运动影响处于 主导地位，可以消除肾形区，增加活跃区域。 2 2 物料破碎机理与介质碰撞破碎 2 2 1 材料强度理论与粉碎能耗 1 ) 材料强度理论 颗粒破碎是一个非常复杂的过程，首先要考虑到材料的强度，它是指其对外力的抵 抗能力，材料在受到破坏时其单位面积上所受的力，单位为m 2 或只。按材料内部的 均匀与是否有缺陷，分为理论强度和实际强度 3 6 1 。 理论强度是指完全均匀的不含任何缺陷的材料强度。它理论上等于分子、原子、离 子之间的结合力。一般来说，原子或分子间的结合力由其间距大小决定，一定距离下达 到平衡，破坏这一平衡所需要的能量即为理论强度，因此可以计算得到。计算公式如下： ：f ，生 l ，2 ( 2 - 1 2 ) “， 式中y 是表面能；e 是弹性模量；口表示晶格常数。 实际强度比理论强度要小得多。g r i m t h 认为，固体材料内部质点的排布情况并非严 格规则的，其中是存在很多微小裂纹的，当材料受外力作用时，这些微裂纹便会得到扩 展，在其尖端附近产生高度的应力集中，使得裂纹进一步扩展，最后材料被破坏。裂纹 扩展时，设其表面积增加丛，比表面能为y ，则表面能增加脚，此时其附近约一个原 1 4 0 4 3 2 1 o d 之 o 4 e e 馨骧 浙江工业大学硕士学位论文 子距离口之内的形变能为( 仃2 2 e ) 翻岱，由此所储存的变形能提供了裂纹扩展所需的能 量。根据热力学第二定律，可知裂纹扩展的条件： 罢枷声 ( 2 - 1 3 ) 2 e 。 临界外加应力： 6 = 再 ( 2 1 4 ) 式中，e 为弹性模量。对于一些典型材料，如大理石、玻璃和石英等，上式中的e 为 1 0 1 0 1 0 1 1 尸口，y 约为l o ，m 2 ，口约为3 1 0 “m ，于是仃约为1 0 1 0 m ，但实际强度仅 为1 0 7 1 0 8 p 口，因此实际强度只为理论强度的1 1 0 0 0 一1 1 0 0 。 在粉碎物料过程中，未发生宏观破坏之前，实际上内部已经有很多微裂纹在不断“长 大”，同时也会生成许多新的微裂纹。由于裂纹在不断地生成和长大，物料的粉碎在这 些裂纹处持续进行。 2 ) 粉碎能耗 粉碎机械元件对物料颗粒施力，当作用力超过颗粒内部的结合力时，颗粒被粉碎。 外力做的功即为粉碎能耗。粉碎过程中，外力所做功主要用于以下几个方面： 粉碎机械能量传递过程中的损耗； 颗粒在破坏之前的变形能以及破坏之后的储能； 粉碎后的物料新增表面能； 晶体结构发生变化所需要的能； 介质磨损的能量及其他能耗。 关于粉碎能耗，迄今已提出了很多种理论或假说，其中最著名的有耻t t i i l g e r 的表面 积假说( 1 8 6 7 年) 、n i c k 的体积学说( 1 8 8 3 年) 和f c b o n d 的裂纹扩展说( 1 9 5 2 年) ， 这三种能耗公式为： n i c k 学说 ：kl g 号 ( 2 - 1 5 ) f c b o n d 学说 = ( 专一击) 协 第2 章颤振球磨机介质运动与碰撞破碎 m t t i n g e r 学说 = k ( 三一如 协 以上三式中，形为粉碎所需的功；尼是比例系数；d 为给料平均粒度；d 是产物平均 粒度。 邦德学说中，彬表示彬可在一定程度上表示物料粉碎的难易程度，称之为功 指数，单位为七形矗f 。形值是对给定的物料，在标准情况下用实验测定，然后用经验 公式修正，其物料意义是在一定直径的实验室磨机内，粒度极大的给料粉碎至8 0 小于 1 0 0 m 的产品所需的比能耗。 据芬兰r t h 1 1 1 ( b 等人的验证研究认为37 1 ，n i c k 学说适用于粉碎作业的出料粒度不 小于5 0 m m 的；f c b o n d 学说适用于粉碎作业的出料粒度为0 5 5 0 m m ；砌t t i n g e r 学说 适用于粉碎作业的出料粒度为o 0 7 5 0 5 i m 。因此，对于出料粒度小于4 5 m 细磨作业， 无法用这三种能耗学说来计算。r i c h 砌e s r 在1 9 7 5 年提出了一个新的能耗公式： d 形= 一纵1 出( 2 1 8 ) 式中d 形是物料粒度减小出时的粉碎能耗；x 为颗粒粒度：c ，z 均为系数。积分公 式可表示为： 形= ( 一蹦1 出 ( 2 1 9 ) 其中d 是物料破碎前的平均粒度，d 是物料破碎后的平均粒度。 影响粉碎作业的能耗的因素众多，规律是非常复杂的，包括给料粒度和出料粒度， 以及待磨物的性质、粉碎设备类型、粉碎工艺参数、操作条件等。当物料种类、给料粒 度、粉碎设备、工艺参数及操作条件等一定时，粉碎所耗能量取决于产品粒度及其分布 或比表面积【3 6 】。 2 2 2 颤振球磨机颗粒破碎方式的选择 根据物料的性质以及要求的粉碎细度，选用不同的粉碎方式【38 】： 1 ) 挤压粉碎挤压粉碎是依靠设备的粉碎工作部件施加到物料的掠夺作用，物料在 此挤压力作用下被粉碎。此类粉碎设备有颚式破碎机、挤压磨等。 2 ) 挤压剪切粉碎这种粉碎方式将挤压和剪切两种基本粉碎方法相结合，雷蒙磨、 立式磨均属于此类粉碎方式。 3 ) 冲击粉碎冲击粉碎通过高速运动的粉碎体对被粉碎物料的冲击作用或者高速运 浙江工业大学硕士学位论文 动的物料向固定壁或靶的冲击作用。球磨机粗磨、靶式气流粉碎机利用了这一原理。 4 ) 研磨、磨削粉碎研磨和磨削本质