（机械设计及理论专业论文）悬挂型垃圾磁选机的优化设计及仿真.pdf

摘要 摘要 垃圾是放错了位置的财富，随着城市化的进程，垃圾的产量越来越多，垃 圾里的资源也越来越多，对垃圾中转站的功能要求己不仅仅局限于运送垃圾， 垃圾分选的功能要求应运而生。悬挂型垃圾磁选机作为垃圾分选的主要设备， 对垃圾处理起着重要作用。 本文概括了城市垃圾的处理方法，介绍了北京市小武基垃圾中转站的基 本情况。对垃圾磁选机进行了功能和结构设计，研究了悬挂型垃圾磁选机的 性能参数及其对垃圾处理的影响，使设计得到了有力的理论支持。运用虚拟 设计理论，基于p r o e 软件建立了悬挂型垃圾磁选机的三维实体模型并整体 装配，使垃圾磁选机的视觉效果鲜明生动，便于产品最终的市场化。通过a n s y s 软件对悬挂型垃圾磁选机的磁场进行了有限元分析，通过分析结果选择最佳 方案，提高了磁场分布的合理性。利用g a t l a b 软件的优化工具箱对悬挂型垃 圾磁选机的主功率进行优化，得到不同的悬挂高度的最优功率，然后通过曲 线啮合，得到最优功率随悬挂高度不同而变化的函数，确定当悬挂高度为 0 1 9 m 时，最优功率是2 3 9 k w 并与传统设计进行比较得出比传统设计所需功 率节省3 1 的结论。利用了v c 和p r o e 的接口程序p r o t o o l k i t 实现在p r o e 环境下建立了垃圾磁选机主要零件的选项菜单，通过向零件菜单输入设计参 数实现相应零件的自动化设计。在p r o e 中实现了悬挂型垃圾磁选机整体装 配下的动态仿真，避免了传统机械设计中的不利因素，提高了垃圾磁选机的 整体性能，降低了开发成本和运行风险，缩短了垃圾磁选机的设计开发周期， 为计算机辅助技术在机械设计中的良好应用摸索了方法和思路。 关键词：垃圾磁选机；三维建模；有限元分析；优化设计；动态仿真 a b s t r a c t t h ew a s t ei st h em i s p l a c e dw e a l t h , i t so u t p u tg r o w sh i g h e ra n dh i g h e rw i t ht h e m e t r o p o l i t a np r o c e s s ，m o r ea n dm o r eu s e f u lr e s o u r c e sa r el y i n gi nt h ew a s t e j u s tt h e t r a n s f e rf u n c t i o ni sn o te n o u g hi nt h ew a s t et r a n s f e rs t a t i o n , w en e e ds e p a r a t et h e w a s t e t h eh a n g i n gg a r b a g em a g n e t i cs e p a r a t o ri st h em a i ne q u i p m e n tt os e p a r a t e t h ew a s t e ，i ti sv e r yi m p o r t a n ti nt h ew a s t eh a n d l i n gt e c h n o l o g y t h em u n i c i p a ls o l i dw a s t eh a n d l i n gt e c h n o l o g yi sr e f e r r e di n t h i st h e s i s ，t h e w a s t et r a n s f e rs t a t i o n si nb e i j i n ga r ea l s od i s c u s s e d , t h es u g g e s t i o no fi n t e g r a t i o n h a n d l i n gm e t h o di sg i v e n , a n di tp r o v i d e san e ww a yt od e a lw i t ht h ew a s t e t h e f u n c t i o na n dt h es t r u c t u r eo ft h eh a n g i n gg a r b a g em a g n e t i cs e p a r a t o ra r ed e s i g n e d ， t h ep e r f o r m a n c ec o n f i g u r a t i o n sw h i c hi n f l u e n c et h eh a n g i n gg a r b a g em a g n e t i c s e p a r a t o ra r ed i s c u s s e d ，a n dt h ed e s i g ni ss u p p o r t e db yt h et h e o r y t h et h r e e d i m e n s i o nm o d e li sc o n s t r u c t e da n da s s e m b l e db yt h ev i r t u a ld e s i g nt h e o r yb a s e do n t h ep r o es o f t w a r e ，s ot h ev i s u a le f f e c ti sv e r yv i v i da n dc l e a r t h em a g n e t i cf i e l di s a n a l y z e db ya n s y s w i t ht h et h e o r yo ff m i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h eo p t i m i z a t i o n t r a c t i o nm o t o rc a nc o n c l u d eb ym a t l a bt o o la n dd r a wac o n c l u s i o nt h a tt h e o p t i m i z a t i o np o w e ri s2 3 9 k ww h e nt h eh a n g i n gh e i g h ti so 1 9 m t h em a i np a r ti s p r e s e n t e da na u t o m a t i cf e a t u r em o d e l i n gm e t h o db yp r o t o o l k i t t h ed y n a m i c s i m u l a t i o no ft h ea s s e m b l e dh a n g i n gg a r b a g em a g n e t i cs e p a r a t o ri se x e c u t e db yt h e v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh a n g i n gg a r b a g em a g n e t i c s e p a r a t o ri si m p r o v e d ，t h ed e v e l o p m e n tc o s ta n dt h er u n n i n gr i s ka r el o w e dd o w n , a n dt h ed e s i g np e r i o di sa l s og r e a t l ys h o r t e n e d ，t h ew a yo fh o wt op u tt h ec o m p u t e r a i d e dt e c h n o l o g yi n t ot h em e c h a n i c a ld e s i g ni sd i s c o v e r e d k e yw o r d s ：h a n g i n gg a r b a g em a g n e t i cs e p a r a t o r ；w a s t eh a n d l i n gt e c h n o l o g y ： t h r e e d i m e n s i o nm o d e l i n g ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ：o p t i m i z a t i o n d e s i g n ：d y n a m i cs i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论 文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷 本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用 影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按 有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学位论文作者签名： d j 年弓月i 。日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：芘烤 击一6 年；月0 日 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 随城市人口增加，城市垃圾产量越来越大，对环境的危害也日益严重。就 我国而言，不仅固体废弃物的问题形势严峻，资源形势也令人担忧，人均资源 低于世界水平，利用率也很低。对已产生的城市垃圾，最佳的处理方法是从垃 圾中回收物质和能源，即垃圾的资源化，从而实现垃圾的资源化和无害化。垃 圾资源化的首要工作就是垃圾的分选。国外有些国家把城市垃圾分选工作让市 民来做，在垃圾收集的首端就实现垃圾的分选，当然这种方法比较经济，对环 境的影响也小，但目前就我国而言，这种方法并不适用，城市垃圾的分选工作 只能主要由垃圾处理厂来做。分选效率是决定垃圾回收物质价值和市场销路的 重要因素，以往最广泛采用的垃圾分选方法是从传送带上进行手选，然而这种 方法效率低，开发大规模混合城市垃圾的分选技术势在必行。我国城市垃圾成 分复杂，与发达国家相比，无机物含量高。垃圾分选的目的就是把无机物和有 机物分离，从而更好地回收能源与物质。目前垃圾分选技术主要有筛选、重力 分选、磁力分选、风力分选、电力分选、光电分选、摩擦及弹跳分选、浮选、 溶剂分选等。m n ， 将垃圾中不燃垃圾资源化的主要任务是回收铁垃圾，完成这一任务的主要 手段是磁选。城市垃圾中的可燃垃圾和不可燃垃圾是混在一起的，涉及的形状 和特性各种各样，通常用磁选机回收铁屑时，垃圾跟铁屑缠绕在一起，分离出 的铁屑容易混入破布和尼龙，为了回收高品位的铁屑并限制杂物的混入，通常 先将垃圾破碎成1 0 0 1 5 0 m 的小件物料，通过振动传送，使被传送的垃圾产生 分离效果。以利于磁选。在多数情况下，采用铁件向上吸引的磁系开放悬挂型 磁选机。“” 1 2 垃圾磁选机的研究的理论意义及应用价值 城市垃圾的无害化处理，无论是焚烧，堆肥，填埋，还是综合处理，均要 第1 章绪论 完善的预处理设备配合。通过预处理设备，可以将垃圾中的大部分不可燃物分 离，提高垃圾的热值和燃烧稳定性。使焚烧效果和污染排放控制都有一定的改 善；增大了垃圾预处理的工作能力；减少了大块不可燃物对垃圾焚烧系统进料 和出渣系统的损害，提高了整个系统的运行稳定性，回收了部分资源性物资， 提高了整个处理厂的经济效益。垃圾磁选机作为垃圾中转站的重要组成部分， 在整个垃圾分选流程中占有重要地位。本课题使用三维实体可视化数字设计， 有很好的视觉效果，有利于技术交流和发展。u 1 使用垃圾磁选机可以有效的将工业铁垃圾从生活垃圾中分出来，这样分选 出的铁垃圾可以被当作工业铁原料重新进入炼钢炉进行二次利用，这一切都非 常满足生活垃圾处理“减量化、无害化、资源化”的原则，提高了垃圾处理效 率和垃圾再生率，避免了二次甚至三次污染，可变废为宝，增值利用，利用本 课题的研究成果，与制造企业联合开发出具有自主知识产权的垃圾转运站及设 备，这对北京市2 0 0 8 年绿色奥运及改善城市环境有着重大社会意义。“1 1 3 课题来源及调研工作 本课题来源于北京市教育委员会科技发展计划项目( 垃圾转运站及设备的 设计与研究) ，为了更好地完成课题及做好相应的知识储备，进行了如下的调研 工作： ( 1 ) 多次走访北京小武基垃圾中转站，向技术人员请教垃圾处理赢程，参 观垃圾处理设备，主控室，了解中转站周边环境。 ( 2 ) 多次前往北京国家图书馆，查阅收集与环境工程，环保机械设备相关 文献报告及书籍。 ( 3 ) 利用学校的网络连接c n k i 数字图书馆全文数据库，互联网浏览城市 垃圾前后期处理技术，垃圾磁选机分选技术现状及发展，磁选机设备相关资料 及图片。 1 4 课题研究内容 本课题依托c a d 实验室计算机及互联网进行全数字化设计，可分为以下几 个部分，见图1 - 1 。 2 第1 章绪论 悬挂型垃圾磁选机的优化设计及仿真 垃圾 磁选 机主 功率 的优 化 调用 m a t l a b 优化 工具 箱 得到最 优化主 功率 磁选 机磁 系的 有限 元分 析 采用 a n s y s 软件 分析 磁场 分布 确定最佳 磁系分布 方案 磁选 机三 维模 型设 计 采用 p r o e 软件 建立 三维 模型 磁选 机主 要零 件参 数化 设计 用v c 编程 调用 h o r o o l k i t 动态 仿真 采用 p r o ，e 软件 实现 动态 仿真 在p r o e 环境f 建立零件 选项菜单实现自动化设计 图卜1 课题内容结构图 1 5 本章小结 本章主要介绍课题的技术背景、理论意义及应用价值，课题来源和调研工 作，并总结了论文主要内容和研究方法，确定了研究目的，制定了今后研究时 所采取的步骤，为整个课题的研究打下了坚实的基础。 3 第2 章城市垃圾处理方法与垃圾中转站概述 第2 章城市垃圾处理方法与垃圾中转站概述 2 1 城市垃圾概况 中国是世界上人口最多的国家，随着城市化进程的加快，城市垃圾的数量 也在迅速增长多年来，我国各城市相继建设了一批垃圾处理工厂，垃圾无害化 处理率不断提高，但仍远远不能满足需求。这些日益增长的垃圾不仅侵占大量 土地，严重破坏农田、破坏城市生态环境系统，污染空气、水质，而且还传播 流行疾病，甚至直接威胁着人类的生命安全。废弃物混在一起就是垃圾，而把 它们分开则可能成为资源。城市垃圾不仅是影响居民生活和工作环境的“污染 源”，更是可以资源化利用的宝贵财富。开发技术综合利用废弃物，始终受到我 国政府的高度重视和政策扶持。 城市垃圾资源化包括物质回收、物质转化和能量转贮。先考虑垃圾减量化 资源化，节省和加速资源循环，继而考虑垃圾处理处置，加速物质循环和能量 回收，最后对残留的不可利用的部分进行最后处置。国外城市垃圾资源化已进 入了综合利用阶段，其资源化利用率已达6 0 ，而我国尚不到5 。“九五”期间， 中国年垃圾产生量为1 4 亿吨，处理率为6 3 ，但真正达到无害化处理的不到 1 0 。中国大中城市近千座垃圾填埋场中有9 0 仍是简易的堆放。8 】 2 2 现有城市垃圾处理方法 解决垃圾问题的目标是将垃圾减容、减量、资源化、能源化及无害化处理。 目前主要有三种方法：填埋，堆肥及焚烧处理。这三种方法各有其局限性。详 见参考文献嘲埘m “。 2 3 城市垃圾处理方法的综合利用 我国采用的垃圾处理技术，没有一种方法能够独立地实现垃圾资源化、无 害化、减量化的总目标。随着社会的进步，人们生活水平的提高，垃圾成分愈 4 第2 章城市垃圾处理方法与垃圾中转站概述 发复杂，有机物、人工合成材料增多。这种现状要求垃圾处理技术，应由单一 销毁方法向多种方法、互助配合、共同处理综合处理转变。只有这样，才 能实现垃圾的变废为宝，为社会提供可利用资源。 2 4 垃圾中转站功能介绍 现代化大型垃圾中转站的主要功能，就是对垃圾进行中转运输。在中转站 将小吨位车辆倒换为大型集装箱运输车，并增加垃圾的装载密度，从而提高运输 效率，减少交通堵塞，降低环境污染。另外，在有条件的地区，还可以对垃圾进 行分拣和筛分等预处理。其工作原理是压装前对垃圾进行预处理，将垃圾按不同 的粒度进行分选，只对大粒度的垃圾进行压缩，为后续处理提供条件。其特点如 下：采用国际先进的分选工艺方案，压缩与分选组合，可实现垃圾减量化，处理 量适合于5 0 0 l o f d t d ，一次性投资较高。1 1 3 j 1 4 】 2 5 北京市小武基垃圾中转站运行模式及主要技术指标 小武基垃圾中转站总投资：1 亿元，转运规模：9 8 0 t d ，转运模式：分 选式，建成时间：1 9 9 7 年，全套引进德国诺尔公司设备。北京小武基垃圾中转 站共有两条同样的处理线，每条处理线每小时处理3 0 t 垃圾，每天运行1 6 小时， 总日处理量9 6 0 t 垃圾。 2 6 本章小结 本章论述了现有城市垃圾减量化、资源化、及无害化处理的三种方法：填 埋堆肥和焚烧，提出了综合利用的垃圾处理方法，介绍了小武基垃圾中转站的功 能、运行模式及技术指标。 5 第3 章悬挂型垃圾磁选机磁选的基本原理 第3 章悬挂型垃圾磁选机磁选的基本原理 3 1 磁场的基本概念 磁场的基本性质就是它对给入其中的磁体产生的磁力作用。因此，在磁选 机能使磁体产生磁力作用的空间，称为磁选机的磁场。磁的相互作用是磁场进 行的。表示磁场性质的物理量包括磁感应强度和磁场强度。磁感应强度通常用 字母b 表示，其定义是：磁场中某点的磁感应强度的大小，等于该点处的导线 通过每单位电流所受力的最大值，它的方向为放在该点的小刺针的n 极所指的 方向。磁场强度是指在任何介质中，磁场中某点的磁感应强度b 与同一点上此 介质的的比值，常用符号h 表示。磁场可分为均匀磁场和非均匀磁场两种。 均匀磁场中各点的磁场强度大小相等，方向一致。非均匀磁场中各点的磁场强 度大小和方向都是变化的。磁场的非均匀性可以用磁场梯度来表示。磁场强度 随空间位移的变化率称为磁场梯度，用d h d x 表示，磁场梯度为一矢量，其方 向为磁场强度变化最大的方向，并且指向h 增大的一方，对于均匀磁场中d 刖x = o ，非均匀磁场中d h d x 一0 。磁性颗粒在均匀磁场中只受到转矩的作用，使 它的长轴平行于磁场方向。在非均匀磁场中，颗粒不仅受到转矩的作用，还受 磁力的作用，结果使它既发生转动，又向磁场梯度增大的方向移动，最后被吸 在磁极外表面。因此，磁选只能在非均匀磁场中实现【”】。 3 2 磁场的基本定律 与磁力分选有关的磁场基本定律主要是磁场中的高斯定律和安培环路定 律。 ( 1 ) 磁场中的高斯定律 磁感应线是一闭合线，因而穿入任意一个闭合曲面的磁感应线的条数必然 等于穿出该闭合曲面的磁感应线的条数，既通过任意一个闭合曲面的总磁通量 必然为零。若闭合曲面的面积为s ，它包含的体积为a v ，对有限体积元a v 有 丸一f 。b d s ( 3 1 ) 6 第3 章悬挂型垃圾磁选机磁选的基本原理 根据场论的概念，对于磁场中任意一点均存在： d i v b = 0( 3 2 ) 既磁感应强度b 的散度为零，这就是磁场中的高斯定律，是磁场的一个重要性 质。 ( 2 ) 安培环路定律 安培环路定律简称安培定律，它指出在磁场中通过任何闭合线磁感应强度 的环流正比于闭合线所包围电流的代数和。在真空或空气中安培定律的表达式 为： f 砌- p o j ( 3 3 ) 公式中：z o 一真空的磁导率，z o 一4 ：r x l 0 7 h m ； ，_ 一被闭合线包围的各导线中传导电流的代数和。 在有介质的的情况下，可写成： f b a l i z o ( ，+ ，j ) ( 3 4 ) 公式中：，。一闭合线内的分子表面电流。 在磁场中，沿任何闭合曲线作磁场强度h 的环路积分等于包围在该闭合曲 线内各电流的代数和，可写成： f ，h d l = y i ( 3 5 ) 该公式对空间中有无介质都适用，是安培定律的普遍形式。它表明若采用磁场 强度矢量h 表示磁场特性，则无论有无磁介质，磁场强度的环路仅与传导电流 有关，而与磁化电流无关。根据矢量场的旋度概念，磁场强度h 的旋度为： r o t h = 0 或v h = j( 3 6 ) 公式中：j 叫专导电流密度。 如果所研究的磁场内不连环传导电流，既j - - 0 ，则： r o t h = 0 或v h 一0( 3 7 ) 这样的磁场为无旋场，在磁分离空间的磁场中，任何一点的磁感应强度b 的散 度为零，既磁分离空间的磁场是无源场；同时任何一点磁场强度h 的旋度为零， 既磁分离空间的磁场是无旋场。因此磁选设备磁分离空是无源场又是无旋场。 ( 3 ) 电磁场中常见的边界条件 电磁场问题实际求解过程中，有各种各样的边界条件，但总结起来，有三 种： d i r i c h l e t 边界条件，n e u m a n n 边界条件以及它们的组合。 7 第3 章悬挂型垃圾磁选机磁选的基本原理 d m c h l e t 边界条件表示为：舟i g ( r ) 其中r 为d m c l l l e t 边界，g ( r ) 是 位置的函数，可以为唱数和零。当为零时，称此d m c h l e t 边界为次边界条件。 n e u m a n n 边界条件表示为： o 妒l o n i r “( f ) 妒i r - h ( r ) ( 3 8 ) 其中为n e u m a n n 边界，n 为边界的外法线矢量，和为一般函数( 可为常数和零) ， 当为零时，为次n e u m a n n 条件。在电磁场微分方程的求解中，只有在边界条件 和初始条件的限制时，电磁场才有确定解。1 1 6 1 3 3 固体废物中各物质磁性分类 根据固体废物比磁化系数的大小，可将其中各种物质大致分为三类： 1 强磁性物质一其比磁化系数x 。 3 8 x 1 0 - 6 m 3 i k g ，在弱磁场磁选机中可 分离这类物质。 2 弱磁性物质一其比磁化系数x o = ( o 1 9 7 2 ) x 1 0 6 m 3 i k g ，在强磁场磁 选机中可分离这类物质。 3 非磁性物质一其比磁化系数 ( 3 9 ) 公式中： 只一作用在磁性颗粒上的磁力； 8 第3 章悬挂型垃圾磁选机磁选的基本原理 班一作用在颗粒上的与磁力方向相反的所有机械力的合力。 如果要分离磁性较强的和磁性较弱的两种固体颗粒，则必须满足的条件是： 吒 砜 ( 3 1 0 ) 公式中： e 。一作用在磁性颗粒上的磁力： 最。作用在磁性颗粒上的磁力； 由此可见，磁力分选是利用磁力和机械力对不同磁性的颗粒产生的不同的作用 而实现的，两种颗粒的磁性差别越大，越容易实现分离。而对于磁性相近的固 体颗粒，则不容易实现有效分离【1 5 】【1 6 1 切。 3 5 本章小结 本章首先介绍了磁场的基本概念，磁感应强度，磁场强度和磁场基本定律， 然后分析铁垃圾在磁场中分选的基本条件。 9 第4 章悬挂型垃圾磁选机主功率的优化 第4 章悬挂型垃圾磁选机功主功率的优化 4 。1磁选机皮带传输机构的设计“帕 图4 1 磁选机皮带传输机构简图 设计计算与选择计算时一般应给出下列资料： 4 1 1 输送能力设计计算与带宽、带速及托辊选型 ( 1 ) 由矿井生产能力q 。确定运输量为：q = i 2 5 ( q x 1 0 4 ) ( 3 0 0 x 1 4 ) ； ( 2 ) 输送机带速v 一般在1 2 5 3 1 5 选取； ( 3 ) 带宽b 计算。按下式计算的带宽值，对照mt 4 1 4 中的带宽标准值予 以圆整。b = 0 ( k xyx v c 。) 1 2 装料断面系数k 和输送机倾斜系数c 。可 查资料。 ( 4 ) 带宽b 验算。对未经筛分的散状物料b = 2 x 。+ 0 2 ；对经过筛分的散 状物料b = 3 x 。+ 0 2 。 ( 5 ) 输送机的输送能力q 。计算。q 。= 3 6 0 0 a 。, y c 。最大装料断面面 积a 。应根据带宽b 、输送物料的堆积角p 、成槽角y 值确定。 ( 6 ) 托辊的选用计算。带式输送机承载分支、回程分支托辊的选用取决于 带宽、带速、托辊间距及托辊的静载荷、动载荷等各种参数，计算后按托辊承载 能力进行校核。辊径与带宽、带速有关；托辊寿命取决于轴承的失效寿命，计算 后按托辊承载能力选择轴承：托辊间距根据两托辊问的输送带下垂度( 约1 ) 确定。 4 1 2 传动滚筒圆周力和功率设计计算 ( 1 ) 一般传动滚筒圆周力计算公式f 一吒+ 只+ ，耵+ e 。输送线路上 1 0 第4 章悬挂型垃圾磁选机主功率的优化 的主要阻力e 一，x l x 9 8 x q ，+ ( 2 , 1 。+ 日) c o s p 】承载、回空托辊组转动部分单 位长度的质量q ，一倪屯+ 6 止k 式中吼、g 。分别为承载、回空托辊组转动部 分质量。输送物料单位长度的质量q q ( 3 6 x v ) ，皮带单位长度的质量为q 。， f 为运行阻力系数。各输送机部件上的附加阻力 e 。民+ f ，+ e + e + 凡+ e 式中受料区输送物料与输送带间的惯性阻力 民一吼一v o ) 。式中为输送物料进入输送方向的速度( 0 s v o c v ) ；过 渡弧段上输送带张力s ；产生的附加阻力f 。= ( ，x s ，x z x a ) 1 0 0 ，式中凸曲线 应取“+ ”号，凹曲线应取“一”号；a 为过渡弧圆心角( o ) 。输送带绕经滚筒的 弯曲阻力：对织物芯输送带，凡- 9 x b x 0 4 0 + 0 0 1 x s 。b ) x 6 d 。 对钢丝绳芯输送f ，= 1 2 x b x ( 2 0 0 + 0 0 1 x s 。b ) 6 d 。式中s 。为作用于 滚筒两边输送带张力的平均值；d 为滚筒直径；6 为带芯厚度( x t 钢丝绳芯输 送带指钢丝绳直径) 。改向滚筒轴承阻力e 一0 0 0 5 x d ，l d 式中d ，为改向滚 筒轴承的直径；f 卅为作用于滚筒两边输送带张力与滚筒旋转部分重力的合力。 ( 2 ) 电动机功率设计计算与选取电动机功率兄，只m 蜀p 研x x 善d ) 式 中k 。为功率备用系数( 通常取k 。= 1 o 1 2 ) ；参为电压降系数( 通常取 ；m 0 9 0 9 5 ) ；叩为驱动装置的传动效率( 一般取，7 = 0 8 5 0 9 ) ；岛为多机 功率不平衡系数( 一般取考。一0 9 0 9 5 。选取的标准电动机功率值只值即 可。 4 1 3 输送带张力设计计算、强度校核 输送带张力设计计算、强度校核与选取输送带张力沿其全长变化，其值与输 送机长度及铺设状况、传动滚筒的数量及布置方式、驱动及制动系统的特性、 拉紧装置的型式及其布置、输送机工况( 载荷及运动状态) 有关。为保证输送 机正常运行，输送带最小张力应满足下面两个条件：传动滚筒能传递足够的圆周 力，保证输送带不打滑；输送带在两组托辊间的下垂度不得大于许用的垂度值 ( 一般不超过2 ) 。 4 1 4 输送带最小张力的确定 ( 1 ) 按传动条件，传动滚筒松边的最小张力s 。之c f 眦传递系数 c 一1 ( e 胪一1 ) ，式中传动滚筒与输送带间的摩擦因数值可查资料，秽为传动滚 1 1 第4 章悬挂型垃圾磁选机主功率的优化 筒围包角。传动滚筒传递的最大圆周力- 疋x p l ，式中动载荷系数 k i1 2 - 1 7 ；对惯性小、起制动平稳的输送机取较小值；否则取较大值。 ( 2 ) 限制输送带下垂度的最小张力s z 。，s ：。承载分支输送带最小张力 s ：。之5 0 x ( q 。+ 口) 屯x c o s f l x 9 8 8 。回空分支输送带最小张力 s k 。5 0 x q ox 屯x c o s f lx 9 8 8 。 4 1 5 输送带张力的计算 在稳定工况下，输送带各点张力采用逐点计算法，各后续点的张力 e 。= s l + + 民+ - f , 在分支区段上，各阻力计算应符合下面规定： ( 1 ) 主要阻力f - , 一，x l lx 9 8 x ( q 。+ 口o + q , ) x c o s 6 , ； ( 2 ) 倾斜阻力瓦一9 8 x ( q o + 吼) 日。； ( 3 ) 附加阻力氏和特种阻力参照前面的规定计算 4 1 6 输送带强度校核 输送带强度校核与选取输送带强度应满足条件：肌2k 】输送带安全系数 m i 1 0 0 0 b o z s 。式中仃为每层输送带的强度；s 一为输送带的最大张力；z 为输送带的层数，对整芯带和钢丝绳芯带z = i 。许用安全系数k 一m 。k 。c 。叩0 式中基本安全系数m 0 、附加弯曲伸长折算系数c 。、输送带接头效率叩。可查资 料。如果计算初期预选的输送带强度过大或不足，则应重选输送带重新计算。 4 1 7 拉紧装置的拉紧力和拉紧行程计算 ( 1 ) 拉紧装置的拉紧力z - 签。式中s 。为作用于拉紧滚筒两边输送带张 力的平均值。 ( 2 ) 拉紧装置的拉紧行程。拉紧滚筒的拉紧行程与输送机的起动、制动方 式和频率、输送带的伸长和延伸特性有关，一般拉紧行程z 苫p + s 。) + f 。输送带 弹性伸长率和永久伸长率s 、托辊组间的输送带垂度率，、输送带接头所需长 度f 。( m ) 可d t i i ( a ) 型带式输送机设计手册。 4 1 8 制动力和逆止力的计算 第4 章悬挂型垃圾磁选机主功率的优化 输送机应根据其工作条件设置制动装置和逆止装置，作用在传动滚筒所需 的制动力或逆止力应按照输送机水平、上运和下运三种工况分别确定。如果制 动装置和逆止装置分别设在减速器第一轴、第二轴，则应根据减速比对传动滚筒 所需的制动力或逆止力进行转化。 ( 1 ) 水平输送一般可不设制动装置。但当输送机对制动减速度有要求时应 设制动装置，传动滚筒所需的制动力b - mx a f 。式中m 为输送物料和输送 机运动部分总质量转换到传动滚筒圆周上的等效质量；a 为制动减速度。 ( 2 ) 上运输送当输送机停车出现逆转时，必须设置制动装置和逆止装置， 按输送机的最不利逆止工况计算制动力和逆止力苫1 5 x ( f 盯一一。) 。在 计算一时，规定f 值为0 0 1 2 。对双驱动装置都设置制动装置和逆止装置，每 一套制动装置和逆止装置都应按整机的最不利逆止工况计算结果选配制动装置 和逆止装置。对输送机停车不出现逆转时，可参照“水平输送”的规定。u 7 j 4 2m a t l a b 优化工具箱简介嘲 g a t l a b 的优化工具箱提供了对各种优化问题的一个完整的解决方案，其内 容硒盖线性规划，二次规划，非线性规划，最小二乘问题，非线性方程求解， 多目标决策，最大最小问题，以及半无限问题的优化问题。其简洁的函数表达， 多种优化算法的任意选择，对算法参数的自由设置，可使用户灵活方便的使用 优化函数。简单的可以将优化工具箱中的函数分成求最小值，最小二乘问题和 优化控制问题三类。 表4 - 1 优化函数列表 函数 名 a t t g o a l f m i n c o i l f m i n f m i n u ，f m i n s i p m l n m a x q p s e n l l n f 多目标约束非标量非 无约束非线线性最小最二次规 半无 功能优化问线性优线性优限问 题 化问题化 性优化问题规划大问题划问题 题 最优化工具箱提供二十个选项，用户可以输入o p t i m s e t 命令将它们显示出 来，下面列出一些常用选项： d i s p l a y 选项：该选项决定函数调用时中间结果的显示方式。其中“o f f ” 为不显示，通常为默认选项；“l t e r ”表示每步都显示；“f i n a l ”只显示最终结 第4 章悬挂型垃圾磁选机主功率的优化 果。 6 r a d c o n s t r 选项：表示是否存在约束函数的梯度。 g r a d o b j 选项：表示是否存在目标函数的梯度。 l a r g e s c a l e 选项：表示是否用大规模算法。 l i n e s e a r c h t y p e 选项：表示线性搜索类型。 m a x i t e r 选项：表示最大允许迭代次数。 t o l f u n 选项：目标函数误差容限。 t o l x 选项：自变量误差容限。 我们可以首先用o p t = o p t i m s e t 命令来调入一组默认选项值，如果想改变其 中某个参数，则可以调用o p t i m s e t ( ) 函数来完成，或更直观地，用结构体属 性的方式来设置新参数。例如，不求解大规模问题时最好用下面的语句来关闭 大规模问题解法选项： 4 2 1 有约束最优化问题的求解 有约束最优化问题的一般描述为m i n f ( x ) ，其中b ，屯，该数字 的含义是求一组x 向量，使得函数最小化。且满足约束条件g ( x ) = 0 ，记号 为s t 是英文s u b j e c tt o 的缩写，表示满足后面的关系。这里的约束是非常 复杂的，可以以是等式约束，也可以是非等式约束。对于非等式约束，其标准 型是 - - - - 0 关系式，则在不等式两边同乘以 一1 转变为 = o 的形式。约束条件还可以进一步细化为： c ( x ) = 0 c 。( x ) 2 0 a x = b a q x = b q i b = x = u b 其中a 。x = b 。为线性等式约束，a x = b 为线性不等式约束，x 变量的上界向量 1 b 和下界向量u b ，使得l b = x = u b ，还允许一般非线性函数的等式约束c 。( x ) = o 和不等式约束c ( x ) = 0 。 对于有约束非线性规划问题，已经建立了大量的计算方法，比如惩罚函数 法，可行方向法，梯度投影法，线性规划等，但这些算法通常只适用于一类特 1 4 第4 章悬 睾型垃圾磁选机主功率的优化 殊的非线性规划问题。m a t l a b 优化工具箱提供了一个f m i n c o n ( ) 函数，专门 用来求解各种约束条件下的最优化问题，f m i n c o n ( ) 函数的调用格式有以下几 种： x = f m i n c o n ( f u n ，x o ，a b ) x = f m i n c o n ( f u n ，x o ，a ，b ) x = f m i n c o n ( f u n ，x 0 ，a q ，b q ) x = f m i n c o n ( f u n ，x o ，a q ，b q ，l b ，u b ) x = f m i n c o n ( f u n ，x 0 ，a q ，b q ，i b ，u b ， x = f m i n c o n ( f u n ，x 0 ，a q ，b q ，l b ，u b ， x 2f m l n c o n ( f u n ，x o ，a q ，b q ，l b ，u b ， x ，f v a l = f m i n c o n ( ) i x ，f v a l ，e x i t f l a 9 3 = f m i n c o n ( ) x ，f v a l ，e x i t f l a g ，o u t p u t = f m i n c o n ( ) x ，f v a l ，e x i t f l a g ，o u t p u t ，l a m b d a = f m n c o n ( ) i x ，f v a l ，e x i t f l a g ，o u t p u t ，l a m b d a ，g r a d = f m i n c o n ( ) i x ，f v a l ，e x l t f l a g ，o u t p u t ，l a m b d a ，g r a d ，h e s s i a n = f m i n c o n ( ) x ，f v a l ，e x i t f a g ，o u t p u t ，l a m b d a ，g r a d ，h e s s i a n = f m n c o n ( ) x ，f t o p ，k e y ，c = f m i n c o n ( f ，x o ，a ，b ，a 田，b w ，x 。，x m ，c f u n ， o p t ) 其中f 为给目标函数写的m 函数，x 0 为初始搜索点，各个矩阵约束如果不存在， 则用空矩阵代替，c f u n 为给非线性约束函数写的m 的函数，o p t 为控制选项， 最优化运算结束后，结果将在变量x 中返回，最优化的目标函数将在f t o p 变量 中返回。 4 2 2 优化函数约束方程的规范化 由于m a t l a b 优化工具箱仅仅支持形如g ( x ) = 0 的约束方程形式以及变 量的上下界约束，因此对于非规范化的约束方程必须进行变换。对于变量的上 下界约束，m a t l a b 通过优化函数的有界语法调用来实现，例如对于f m n c o n ( ) 函数其有界语法调用格式为x 2f m i n c o n ( f u n ，x o ，a q ，b q ，l b ，u b ) 该调用将x 限制在l b = x = u b 范围内，若函数没有上下界约束，则将1 b ，u b 置为空矩阵。 ) 略以 曲岛 蛆“ 印 印 d m m 缸以札 第4 章悬挂犁垃圾磁选机主功率的优化 当1 b 或者u b 的元素个数比向量x 的元素数目小时，只有x 的前几个元素被约 束为有界。 上下界约束也可以用不等式约束来表示，具体方法表示为： 上界：x i - u 口表示为x j - u 。 - u 口表示为一x f + u 口 = o 对于目标函数，m a t l a b 的优化函数用于处理求取最小值，对于求取最大值 情况则要进行转换。 4 3 悬挂型垃圾磁选机的结构 垃圾磁选机是城市生活垃圾的预分选应用较广泛的一种分选机械。悬挂型 垃圾磁选机由滚筒，小托滚，皮带，箱体，带轮，v 带，减速电机等组成。放 置的位置一般与下方的运输皮带垂直。工作时，由减速电机驱动，带动带轮旋 转并且通过v 带带动滚筒旋转，滚筒带动皮带运动，此时，运输皮带输送垃圾 进入磁场，磁选过程开始，铁垃圾在磁场中受到向上的磁力，吸附到磁选机皮 带表面，通过滚筒转动，沿着与运输皮带运动方向垂直的方向运动，直到离开 磁场，受到重力的落下，整个磁选过程结束。 43 r、丫1 。z l 一丫 ! 二 0 ， 。一ir o f y i j 1 l 1 日 图4 2 磁选系统侧面图( 上部分为磁选部分，下部分为输送部分) 1 6 第4 章悬挂型垃圾磁选机主功率的优化 图4 - 3 磁选系统正面图( 上部分为磁选部分，下部分为输送部分) 4 4 悬挂型垃圾磁选机磁系的设计 大多数弱磁场磁力设备采用开放磁系，开放磁系按磁极的组和形式主要可 分为平面排列型和圆柱排列型两种。前者多用于带式磁选机和试验设备。后者 用于弱磁圆筒磁选机。开放磁系的共同特点是磁性极性交替同侧排列，磁系极 距( 两相邻磁极面中点之间的直线距离) 较大，磁通经过的空气间隙较大，供 给磁系的磁能较低，因而磁场强度较低。显然这类磁系只能用于回收强磁性成 分。该垃圾磁选机采用平面排列型开放磁系，对于开放磁系沿着磁极对称面或间 隙对称面上磁场强度的变化规律可用索契涅夫经验公式表示为： h ，= h o e l ( 4 1 ) 公式中：h ，一为离磁极面y 距离处的场强，单位为a m ； h 。一为磁极表面的场强，单位为a m ； e 一为自然对数的底； c 一为磁场非均匀性系数； y 输送皮带到磁选面的垂直距离，单位为m 。 平面排列型磁系的非均匀系数c 为： c t 石1 ( 4 2 ) f 。2 珂0 】+ d ) ( 4 3 ) 1 7 第4 章悬挂型垃圾磁选机主功率的优化 公式中：d ，铁到皮带的问隙，单位为m ； ( 卜一为铁垃圾到磁选表面的距离，单位为m ； 1 一为磁极距，单位为i l l 。 需要说明，磁极面水平以下磁场空间不同y 距离处的场强方向和大小既与 y = f f 关，又与相位角有关，可用下式表示 h ，- h o e lc o s ( 瓜1 ) ( 4 4 ) 公式中：x 一切向距离( m ) ： 日。一磁极面y 距离处沿y 方向的场强( a m ) ； 同样，在不同y 高度，磁场强度沿x 方向的变化可用下式表示 h 。一h o e 埘s i n ( = 1 ) ( 4 5 ) 对公式( 4 1 ) 的h 。进行y 的微分，可确定磁场梯度，即 g r a d h 一吒日o e 。9 ( 4 6 ) 公式中的负号表示磁场梯度的方向与磁极面法线方向相反。设铁垃圾的比磁化 系数为x 。，则作用在铁垃圾上的比磁力为 厶- o x v c h 0 2 e 却 ( 4 7 ) 公式中：一介质的磁导率； z 。一比磁化系数； c 一磁场非均匀性系数。 含铁的垃圾由皮带输送进入磁场，为了保证铁垃圾能够吸附在磁选机的磁选面 上并且平稳的和磁选机皮带一起向前运动，可以通过调整极宽