（机械设计及理论专业论文）圆筒混合机工艺性能的研究与结构优化.pdf

攮要 摘要 圆篱混合枫是烧结厂主要设善之一。圆篱混合梗体积和差量太，缀葫 噪音较严重，圆篱内壁粘斟的清理比较困难。混合设备的混料和造粒效果 不能令人满意。对于橡胶轮胎传动的圆筒混合机来说，各个支撑轮胎的巾 鬣不够合理，使得支撑轮胎受力过大，使轮胎发生大的弹往变形。增大了 弹性隧力怒，出现了电流波动过大，减逮梳经常爨损、获合，良及轮胎密 撰严重等翊题。 阐述了混和、制粒时物料的运动过程，对圆筒混合机内物料运动的六 种状态进行了深入研究。描述了影响圆筒混合机混匀、制粒的因索，对一 次混合和二次混合时的最佳操作参数进行了深入研究，使得工艺褥到优仡。 分辑了藩篱混合橇篱体径淘豹力学榄链，给出了径内受力兹计算方法。 阐述了圆筒混合机筒体轴向受力的计算方法，提出采用三弯矩方程和轮胎 受力与轮胎径向位移之间的关系综合建立方程组求解支撑轮胎受力的方 法，使得结果更加符合实际。讨论了简体与轮胎之间的相对滑动产生的滑 韵摩擦力对轮胎蘑损的影嫡。并给滋了计算实饲。 运翅农疆元款 牛a n s y s 分辑了总艇力在各个支撑轮黢间的分配。分 末斤了轮胎的应力、应变和位移情况，给出了轮胎的轮胎受力与轮胎径向位 移之间的关系曲线。 运用现代优化理论，对支撑轮胎闻的距离进行了德亿，总压力在备个 支撑轮骀阀得至l 了合理分蠢；对轮耱豹接触建进行了谯讫，使主淤测粒从 动侧的压力缛到了合理分配。 关键谪圆筒混合机；力学性能；支撑轮胎；有限元；优化 燕出大学工学磺士学位论文 a b s t r a c t d r u mb l e n d e ri so n eo f t h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t si nm o d e mi r o na n d s t e e lc o r p o r a t i o n d r u mb l e n d e ri sb u l k ya u dw e i g h t yw i t hg r e a tv i b r a t i o na n d n o i s e s 。t h em a t e r i a la t t a c h e dt ot h ei n n e rw a i lo f d r u mb l e n d e ri sh a r dt oc l e a r e s p e c i a l l y , t h em i x i n ga n db a i l i n ge f f e c ti nd r u mb l e n d e ri su n s a t i s f a c t o r y t h e d i s p o s a lo ft h es u p p o r tf i r e si si n c o n s e q u e n t i a l ，r e s u l t i n gi nl a r g ee l a s t i c d e f o r m a t i o ni nf i r e sa n di n c r e a s i n gt h er e s i s t a n c em o m e n t 。s o m es e r i o u s p r o b l e m sa p p e a r , s u c ha sg r e a tc u r r e n tf l u c t u a t i o n ，f r e q u e n tg l u i n go fs p e e d r e d u c e ra n dl a r g es c u f f o f t i r e se t c t h em i x i n ga n dr o l l i n gp r o c e s so f m a t e r i a li se x p l o r e d 。s i xc h a r a c t e r i s t i c s o fm a t e r i a lm o t i o ni nd r u mb l e n d e ra r ec a r e f u l l ys t u d i e d i n f l u e n c et h c t o r so n m a t e r i a lm i x i n ga n db a i l i n gi sd e s c r i b e d t og e tt e c h n i c a l o p t i m i z a t i o n , o p t i m a lo p e r a t i o np a r a m e t e r so np r i m a r ya n ds e c o n d a r yd r u mb l e n d e ri s a n a l y z e d 。 r a d i a lm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ed r u mi s a n a l y z e d a sar e s u l t ， c a l c u l a t i o nm e t h o do nr a d i a lf o r c ec a l c u l a t i n gi sg i v e n 。b a s e do ns i m u l t a n e o u s e q u a t i o n s o ft h r e e - m o m e n t e q u a t i o na n dd i s p l a c e m e n t - f o r c er e l a t i o no f s u p p o r tt i r e s ，am e t h o di sb r o u g h tf o r w a r dt oo b t a i nt h ef o r c eo ft h es u p p o r t t i r e s a n dt h er e s u l t sa r em o r ea u t h e n t i e t h es l i d i n gf r i c t i o na r i s e sf o rr e l a t i v e s l i pb e t w e e nd r u ma n dt i r e s a n dt h ei n f l u e n c eo nt h es c u f f o f t i r e si sd i s c u s s e d ac o m p u t i n ge x a m p l ei sg i v e nf i n a l l y , t o t a ls u p p o r tr e a c t i o nd i s t r i b u t i o na m o n gt h es u p p o r tt i r e si sa n a l y z e db y f e ms o f t w a r ea n s y s t h es t r e s s ，s t r a i n ，c o n t a c ts t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to f s u p p o r tt i r e sa r ep r e s e n t e d 强ec u r v eo nt h ed i s p l a c e m e n t f o r c er e l a t i o ni s p a i n t e d u s i n gm o d e mo p t i m i z a t i o nt h e o r y , t h ed i s t a n c ea m o n gs u p p o r tt i r e sa l e l l a b s t r a e t o p t i m i z e dt og e tb e t t e rs u p p o r tf o r c ed i s t r i b u t i o n a n dt h ec o n t a c ta n g l eo ft i r e s i so p t i m i z e dt og e tb e t t e rs u p p o r tf o r c ed i s t r i b u t i o nb e t w e e nl o r ds i d ea n ds l a v e s i d e ， k e y w o r d s d r u mb l e n d e r ；m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ；s u p p o r tt i r e s ；f e m ； o p t i m i z a t i o n 1 1 1 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文圆筒混合机_ r ：i = 艺性能的 研究与结孛句优化，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除邑注明部分多f - ) f i 包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重蒙贡献的个 入移集体，均已谯文中黻明确方式注明。本声明的法律结采将宠全盘奉入 承担。 作者签字李柏书反 日期：2 。1 5 年弓月f p 闩 燕山大学硕士学位论文使用授权书 圆筒混合机工艺性能的研究与结构优化系本人在燕山大学攻读硕 士学位期游在导筛指导下完成静硕士学位论文。本论文豹骚究艘莱舞燕由 大学所有，本人如需发袭将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本 人完全了解蒸由大学关予僳存、使用学袋论文瓣援定，嚣意学校缲整并囱 商关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被套阅和借阅。本人授 投蒸由大学，霹以采爰影印、缭露或其越复裁手段保存论文，可以公匆论 文的全部或部分内容。 本学位论文属于 傈密口，在年解密后适用本授权书。 不保密耐 ( 请槛以上相应方框内打“”) 作者签名：李拍松 导师签名： 日期：加口i 年弓月t o f l 日期：弘m # 年；月舻r 第l 耄绪论 第1 章绪论 l 。l弓l 言 混合设备是一秘量大嚣广、品秽繁多戆机撼产品，在化工、冶金、医 药、造纸、化妆品、涂饰材料、食品、饲料及废水处理等行业都得到了广 泛的应用，尤其是在化工行韭使用鬣多。混合逡程是个幢体系内街辩静 不均一度不鳞下降戆过程。混会枫攘可分为嚣大类，潮回转式渡台机械期 非回转式混合机械。 固体混合是指把两种或两种班。t = 不同的固体耪体或糠孝埠在千缣状态 或枣少羹滚钵荐在下，在羚力“f 混訇，馕不均一度不凝降低豹一个随极过 程。理想的混合状态是难以达到的，实际混合过程总是无序、不舰则的排 列，它所能达到的最佳穰度成为随概完全组合l 雒。 由于混合过程中物糕运动的复杂性积多样拨，至今黢鼓物矮魏混合过 程与其说是一门科学，倒不如说是一门艺术【2 】。人们设计混合工艺和计算 混料的能力仍有限，目前的设计主要依赖于经骏。随着粉俸混合过程数值 援掇技术豹发耀，有瓒予入锻对混合极理豹认议。掌握先避的混合技术， 开发和生产高效的混合设备对于国民经济有重大意义。 1 2 圆筒混合机概述 混合设祷是烧结厂主要设备之一。混合设备在配料设舔和烧结机之 阕，为娆结祝挺供怒匀逶台烧绥的舔糕1 3 。 烧缭矿的矮量戆好鞣在缀大程度上礅决予澹台骧鞑中器缝努努靠的 均匀性和透气性。混合设备的作用赫是将配比好的混合料混匀、润湿、制 毅，达瑟成分缘岛、承分逶孛、透气蕊亵好懿要求，潋搽 蓬烧缭透露簸巍 遴行，必烧然扩产爨、矮量懿稳囊龟4 造条l 譬。 混合设蛰的种类主婺有搅孝半机、轮式混合桃和嘲筒混合机。搅拌帆和 轮式淀合橇帮楚蓠荔的混台设备，产量小，设备密攒严重，只在小型浇结 燕由夫学工学硬擘谴论文 厂和球团厂应用。圆筒混台机结构简单、运行可靠，而且产量高，能够通 瘦烧结设备向大登仡发震酌需要，因诧褥到了广泛的应弼。整奔上的大黧 烧绐厂几乎无一例外的都采用圆筒混合机作为一、二次混合设备。 圆篱混合税主要由篱体装置、传动装餮、撬龋、享毛轮、挡轮装置、洒 水装置、头尾溜槽及支架、保护翠、润滑系统等部分组成。圆筒混合机示 意强蠡圈l - l 嚣示。 1 简体装震2 托湖3 洒水装置4 。传动装置 i d r u m 2 r i n g3 w a t e r i n gd e v i c e 4 t r a n s m i s s i o nd e v i c e 图1 - 1 潮筒混合机示意图 f i g 1 - 1 s k e t c ho f d r u mb l e n d e r 一次混合和二次混合除筒体内构造和洒水装鼹有所不同外，其余结构 形式完全相同；组合型圆筒混合机的筒体更长一憋，筒瞻前后段绺构不阉， 前段采用一次筒肉结构，瑟段采用二次筒内结构，其余部分和分离型的一、 二次混合机并无差异。 圆篱混台枫的工作过程是：波带输送机直接减通过绘料漏斗不断将混 合料输入筒内，随着圆筒转动，筒内混合料连续地被带到定高度后向下 撵落翻滚，并沿筒体向前谬动，形成螵旋状运动，胰头到尾，经多次循环， 完成混匀、制粒、和适量加水，然后到达尾部经溜槽排出。 翟筒混合橇静配置方式，对予中小受厂通常蹩把一次混合税配置在魏 坪。而把二次混合机配置在烧结厂房楼板上，由于圆筒转动，使得混合料 垒编心凌态，螽鬻在蓠俸一上热了一个编心覆董激振嚣，必然存在振动， 若殷接传绘楼板，就会引越楼板乃至整个厂房振动，影响烧结机正常生产。 2 第1 擘绪论 为此，研究出各秘具有吸振性能的圆篱混合机。袋用橡胶翰胎传动的 圆筒混合机便悬其中重要的一种。圆筒在四组橡胶轮上回转，利用胶轮的 缓冲吸振性能，消除混合机和楼板的振动。这种混合机正程逐渐取代现有 的金耩托辊圆筒混合视溺。 钢厂应弱实践城明 5 6 1 ：采媛实心胶轮转动黪圆键混合机，运转乎稳、 没有噪音，效果良好。 l3 对阑篱混金规的研突概述 1 3 。l 圆篾混合枧内混合料过程的研究概述 嬲麓涎台极内混合斟疆予颗粒漉范噱，其混台过程是一个裴鬻复杂的 过程【”。早期主要集中在实验研究。对于其研究的模型主要有以下几种【8 1 ： 1 3 1 1连续模型这是基于运动理论的模溅。模型中有些变鬣来源于经 验，或者来源予颗粒的动力学模拟。连续介质模整把颗粒漉看成是由连续 瓣耱骧瑟缀残，雳拟滚体豹方法热以璎究，其数学模型主要有动理谂模型 和摩擦塑性模型。 o g a w a 最早引入“颗粒温度”的概念，用以度量颗粒脉动速度。此后， 入们很快建立起颗粒流的动理论f k i n e t i ct h e o r y ) 模型，主黉应雨予快速颗 粒漉。摩擦塑性模蘩是缓设当耪料翡应力状态满足菜届腿条磐聪开始瀛 幼。人们迅对颗粒李孝料建立越多静屈服蘩 牛，并提出了不问的艨擦塑性模 型，有“双剪切”模型、塑性势模型和双滑移自由转幼模挺等模型，摩擦 塑性模型主要应用于慢速颗敉流。 连续介质模型跫把物质静特性穰设成无论程时阗还跫在空闼健置上 均是一个连续姻数，并且物痰可以无暇分割丽不失去任何固有的特性，a ； 考虑粒子的特性，而仅描述羧体物料的特性的一种方法：尽管模型千差万 别，但其基本的控制方程都怒连续方裰、动量方程和能量守恒方程。由于 其连续介质模鍪没脊考虑颗鞍耪橼参数、藏径形状、大小及其分奄等对颗 粒滚豹影鞠，并豆瘗子颗粒会矮著不滋足连续挫豹假定，羽整体连续禽成 模型产生误差较大一j 。 3 燕山大学工学硕士学位论文 j o s e p hj 等【m 叫2 1 进行了颗粒混合的研究，研究方面包括物料的混合、 分离淤弦肉聚效应等方瑟。 1 3 。1 2 离教模型主要有颗粒动态模型，蒙特卡罗隧枫方法，细照元霆动 控制法。颗粒动态模拟给出了物料流动和混合的细节，为连续模型提供了 事富静资源。拜其诫等鞋嚣运鬣离散元豹方法对颗粒的运动袄态及萁混合技 术进行了广泛和深入的磷究。 1 3 2 圆筒混合机力学性能及传动丹蓦式的研究概述 国内某院校对宝钢二次混合机简体和滚圈进行了有限元强度刚度分 拼葙结构傀纯，撬鑫了各个麓节和滚圈的优佬麓厚液值，取得了使羹量减 少n 的效粱【3 l 。 南京钢铁厂烧结厂对二次圆筒混合机进行了改造，取得了很大的成 功，给研究带来了实践经验确。 燕山大学白明华教授对橡胶传动圆篱混会枧的支撑形式潮传动方式 进行了深入细致的研究，对现有圆简混合机的设计的理论进行了大胆的创 薪窝穆正【“。 l ，3 3 黠支撑轮胎的獗究摄述 支撑轮胎一般采用实芯轮胎，在军工及重载车辍运用较多，国内乡 对 其研究较多。 椽羧是类特殊豹榜瓣，其特镊是在定条件下产生很大的变形和当 变形力去除感立即完全复原的能力，橡胶的毫撵性并菲是其特殊故化学性 能而是来源于其特殊的分子结构【1 5 】。 轮耱翡力学往能研究戮橡胶力学研究为基础。橡胶力学性能研究主要 有两种理论：分子统计理论和难象理论u 6 1 。 轮胎结构力学是研究轮胎在受外力或外界条件改变时所产生的应力、 瘦褒帮位移供理论依据校孩其强度和嗣度。 从5 0 年代p u r d y 提出第一个轮胎结 奄分掇的解以来，结孛冬分辑蹇是 许多轮胎工程技术人员所致力解决的问题。文献【1 7 】、【1 8 】在考虑了轮胎三 矗 第l 擎绪论 维非线性的基础上，应用非线性有限元法计算了轮胎最大应力和展大位移。 我翻从8 0 年代开始探讨有限元在轮胎设计方面的应用，目越二线、 三维寄隈元分丰斤都已院较成熬。j 京理工大学静支| 朝旗、镑媾帮蕊轩等瓣 负重轮胎进行力应力场、温度场及辫命等内容做了深入的分析【1 9 q ”。 1 4 大型橡胶轮胎传动的圆筒混合机存在的问题 虽然大型橡胶轮胎传动的圆筒淀合机有着诸多优点，但在有些烧结厂 的圆筒混合机也出现了一些问题。圆筒混合机体积、重量大，振动噪音较 严重，嬲褥内壁粘料豹清理也比较爨难，圆筒混合枫的混和、造粒效粜并 不令入满意。对予丈麓橡胶轮骆传动静蟊篱混合撬来说，主秘翻帮获动礁 的力分布不均且过大，使轮胎发生大的弹性变形，增大了弹性阻力矩，导 致轮胎磨损严重。减遴机电流波动过大，经常发生磨损、胶合现象，严重 露甚至露羧婷产l 舶。 i 4 1 轰撑形式 圆筒混合机支撑形式对于金属托辊都设置两组，分别设鼹在轴向和径 自，怼褥蠢置。对予叛轮籍来代替会震托赣豹橡黢耱戆篱砖，英设置一般 都是大予两组或四组，支撑沿轴向、径向对称稚置，这种对称布置是沿用 了金属托辊而设计的。这种设计还飚! 进行深入的探讨。 l 。4 。2 传动形式 由于圆筒混合机这种设备很庞大。电机、减速机传动系统都设计在简 体一侧的下部，对余腾托辊设计两组，一侧为主动，另外一侧为被动，简 体在传统设计时朝着传动侧转动，融于筒内物料的运动偏离简体中心，馊 褥篱体健凌铡受囊的力较大，萁黪撩獾力矩移撵往变形隧力缒较大，因戴 筒体转动时需要克服的摩擦阻力矩和弹性变形阻力矩也较大，使得简体振 动，电机电流增大，使减速机磨损胶合。因此有崧要对传动形式进行优化。 1 4 。3 瀵合、割鞍效栗 由于物料在筒体内运动的复杂性，使得到目前为止还没脊一种理论报 燕山大学t 学硕士学位论文 好的、精确的理论对混合、制粒的参数的设计进行褥效地指导。现在的设 诗多戮经验为主，壤褥缀多混合祝割鞍效果不佳，薅瑷这到蓣潮静设诗效 果。寻求一种晟佳的设计参数，是现程工厂所面临的突出问题。 l 。5 课题的来源及研究意义 实际生产中混合、制粒效果不够瑷想。大型橡胶传动圆筒混合机豹力 学性能在文献【4 中做了论述，但是该理论还需要逃一步进行完善，轴向受 力计算方法蠢必要进一步研究，以求完蕊圆篱混合桃的设计理论。 该瀑蘧灾现静意义主葵在予： ( 1 ) 给出网筒混合机内物料运动模溅，为圆筒混合机的优化设计参数的 选择提供了理论依据。 ( 2 ) 往纯鞭篱混合裁瓣夔黄动方式，壤褥佳动轮躲寿余褥弼挺襄，漏会 机简体振动减轻。具有广阔的市场应糟前景，良好羽经济效益和社会效益。 l 。6 课题的研究内容 本课戆憝在导舞自嘲牮教授鼹捂静、帮韵下，在大量魏鲞澜、分辑国 内外文献的撼础上，在充分了解国内外同行的最新研究成果及工业应用的 基础上展开工作的。 本课题鹣主要疆究惫旗戳下露拿部分： ( 1 ) 对蹦筒混合机内混合料的运动规律进行分析，并对混合、造球的最 健参数进行研究。 ( 2 ) 研究蹰筒混合机经向受力情爨。 ( 3 ) 研究鬻篱混合掇辘秘受力请魏，缭出沿混合枫辘线方离上豹各个支 撑轮胎的受力情况。 ( 4 ) 结合k 述分析，对圆筒混合机的传动形式分析，并对其避行优化。 1 7 课题豹研究方法和采用懿技术路线 本课题采用的研究方 去是 6 第1 章绪论 ( 1 ) 从圆筒混合机内物料的运动理论入手，深入研究物料的落动方式和 混合辊毽，在茈旗磴上遴一步磷究耪辩滋匀醴及造球豹鬣佳参数缀合。 ( 2 ) 根据所得出的物料运动规律，可以得出物料对圆筒的作用力情况， 麸嚣祷密溷篱混合橇径自瓣受力精凝。 ( 3 ) 采用大型有限元软件a n s y s 对圆筒混合机的轴向受力情况进行计 舞分辑，磺究弱簿混合辍轴囱受力情况，绘塞渗混合瓿辘线方巍上夔各个 支撑轮胎的受力情况。 ( 4 ) 缝合上述分撬，运耀现代俊毯理谂，对嚣麓涅合嘏妁黄动形式分撵， 并对其谶一步优化。使冀效率提高，设祷寿命延长。 燕山大学工学硕十学位论文 第2 章固体混合技术及研究概况 固体的混合是一个非常复杂的过程。大量颗粒物的集合表现出单个豳 秫颗粒所不其铸的诸多特住，人们把它彳辛为除阐体、液体、气体之外的“第 四态”物质来对德2 2 1 。近年来人们在此镢域开疑了大挺匏残究，取撂了谈 多的成果。 2 1固体粒子的混合过程及混合机理 混合祝瑾怒磅究混合设备稳繁穑，辩于混禽设备豹结构、混合设备豹 选型等方面都舆有较大的意义。 2 1 1 固体j 墩子概述 演合设备中瑟爰豹固倦冒分热嚣耱【”，一耪逶粒体( 粒瓣) ，另一耱是粉 体，两者的粒径约以5 0 n 为界，更本质的区别在于两种固体颗粒的力学 行为的嚣嗣。粒体静力学行为主要受重力控翻；当粒予的粒径不断藏，j 、， 则粒子之间的附着力所起的作用逐渐增大，当粒径减小至数十微米时，附 着力和重力相平衡：粒径迸一步减小，附着力急刷增大，当粒径小至数微 米时，重力作用小到霹以忽略。 混合物的均匀度必须与攮终制品对成起来才能评定。然而要单独对濑 会操作浮埝时，遥豢馕用耄统计擎定义懿混合发或骜匀度来捃量。混合嶷 可用混合前后物料的颇色、粒度分布等物理量米判断。均一混合物是指混 合钫孛镁一点硷密静主要成分静概率都稻等，成为统计上的完全狄态。 对两种成分的混合物，在混合过程中，任取j v 个试样，设x 为任一试 样中菜指定成分的含最，i 为这些试样含量的测定值的算术平均值，刚箕 方差玎2 随混合过程的进行蕊减少。方差海 1n 盯2 = 志( t i ) 2 ( 2 - 1 ) j 1 f 一 当投料的菜指定成分的组成瓦为已知时，扭采样操作合适，则i 和甏 大致相等。 8 第2 章离体混合技术及醑冤凝况 通常，混合度m 的表示如下 耐= l 一兰 f 2 2 ， 盯0 式中秽漫合至菜黪剡魏撂准猿差 盯。混合开始时的标凇偏差 鞋上是分氆混合戆媾况。霹予连续混合，可在捏合娩出口憝照掇或滏 定时问间隔取个试样，若某指定成分的含量为x ，则随时间变化其标准 偏差玎可用类似分批式勰公式求褥 盯= t 古善c 詈一委) 2 】 c z 。， 式中x 出口组成 工。进豳组成 茸出豳平均缀成 用标准偏差盯表示的混合度的缺点是没有把试样含量的影响包括进 去。当菜组分在两稀混合物中含量悬殊瓣，标准偏差不定以更好的阐明混 合程度的真实情况，采用变异系数f 。，能比较好的反映组分在混合物中的 混台程浚。 c 。= 兰1 0 0 ( 2 - 4 ) m = 1 0 0 一c 。( 2 5 ) 尽繁混合菠霹用上述式予表示，毽每个试撵含量鹣溅定壤豹准确稷度 对混合鹰的计算颇有影响，而试样测定还受试样大小和试样个数的影响。 试撵越丈，箕组残越接运授料毙。羲取一系列大小不同约、已接避均 匀的试样，最小的试样的量就是取样多少的准则；另一种取样准则是根据 燎来单个产品的质量的大小来确定试榉的大小。 试样的个数多，所得结果可靠，一般取样数为2 0 5 0 。 2 + l 。2 国薅粒子混会规理 一个实际的混合过程可用由偏差盯表示的混合度m 随时f a t 变化的曲 燕山大学工学硕士学位论文 线帮混合特性麓线，懿图2 1 瑟示。 网2 一l 混台特性曲线 f i g 2 1 t h ef e a t u r ec u t v co fm i x t u r e 物料的混合大致经历了三个阶段【2 3 】 ( 1 ) 对流混合阶段，宏观混合很快。 ( 2 ) 对浚与势甥共阉捧躅除段，混合速度煮爨藏橙。 ( 3 ) 扩散混合阶段，物料的混台与分离相平衡，混合均匀度上下波动， 楚予徽躐渥合状态。 固体粒子的混合机理主要有扩散、对流和剪切运动三种n ( 1 ) 扩散指举个颗粒进入颗粒醋的过糕。 ( 2 ) 对流指棚邻的颗粒团从一处移至q 另一处。 ( 3 ) 剪切是指颗粒问存在着相对运动，在物料面形成若干滑移面，而相 互混合、掺和。 实际的混合过程往往是几种混合过程的相互作用。不可能在各自的区 阉独立越住爱。 能增加单个粒子移动性的运动便能促进扩散混合。如果没有相反的离 辑律壤，籍扩散逡罩会导致高度的均一毪。 在两种情况下发生扩散混合作用，一是不断在薪生的表醺上分布，妻鞋 在敲式濑合器中进行的那样；另一种是一个一个粒子相互间的移动性增加， 如在冲击摩中的漫合。 蘩2 章圆体滋台技术及研究概况 要加快混合过程，必须在扩散混合上掰加上使大的粒子群互相混合的 非臻，鄹锌隧对漉或剪堍渥合。螺荣式湿会器能提擞鼹渡混合，鼓式混合 器也能提供剪仞混合。 d r v a np u y v e l d e ”】研究了物料是如何进行混合的。并给出了图片淡 筏穆瓣是絮侮避行混会豹，絮銎2 。2 薪示。 ( a ) 起始佼嚣 ( a ) i n i t i a lb e dc o n f i g u r a t i o n ( c ) 剧烈混台 ( c ) c o m p l e t eb e dr e v o l u t i o n ( 啦舞建转动 f b ) l n i t i a lr o l l i n gd o i n t ( d ) 混合均匀 ( d ) s t e a d ys t a t eb e dc o n f i g u r a t i o n 图2 - 2 物耱混台实验 f i g 2 - 2s a m p l ep h o t o so f e x p e r i m e n t a lb e d 溷中不燕簇色表示不麓瓣戆秘，麓薅遂辩铮转动，绘出了滔个不同时 刻物料混合情况。 燕山大学t 学硕士学位论文 2 2 物料混合过程的数值模拟研究 物辩运动豹数值模羰，依据模辇鹃不同分为三耱类型：连续型、动能 理论型和离散型【2 5 l 。 连续型忽略了颗粒物的离散属性，将其假设为服从质量守恒和动量守 蠖定律豹逡续体。因建，露采爰流俸遮动方程( 结会缝量、力学秘接热方程 描述颗粒盘勺行为。连续模型是从土壤塑性和流体力学中变换来的，一些连 续模型还引入微观结构参数，能描述颗粒物质的阎体碎片分布状态和膨胀 现象。这些模型大多用予麾仑摩擦藏碰撞占主导佟周的高速滚凌，也有综 合考虑这秘释行为静摸麓。 动能理论模型根据颗粒物中颗粒的接触与密气体中分子碰撞的相似性 而建立。这些模型结合液征颗粒流特 生的能量耗散方程，能用于描述某些 特定德凝下簇粒凌静逐麓。翻魏撵羚鬏粒尊豹袭瑟，速度稼动返叛予 m a x w e l l i a n 分布。采用统计平均方法，建立颗粒物的质量、动擞和动能守 恒方程。离散模型依据描述颗粒运动的规则不同而有多种形式。 离散型包括依据概搴统计规律的猿特卡罗法以及由第一定律推导的鬏 粒动力学。分子动力学模型在气俸酾液俸系统静躐功应用，鸯力绝支持了 颗粒动力学。而且，随祷计算机技术的迅速发展，近几年来颗粒动力学技 术得到了极大的推广。 最霉凳熬嚣耱鬏羧动力学模型，是“疆鬏糠”模鍪，鬏靛逮约磋蓬 是瓣闻发生的，两两相碰；二是“软颗粒”模型，颗粒碰撞魁持续的和多 颗粒相互作用的。另外，还有h y b r i d 模型和平均模型等。一般来说，硬颗 粒模型主要应用于高速颗粒流，颗粒碰撞是离散的、不糙酣的。采用这一 模鍪霹戳攘掇每个颡粒豹磋撞过程黧碰撞后颡狡豹运动筑迹。镣次碰撞发 生后，计辣机重新读入备颗粒的数据，以模拟随詹将发生豹碰撞。相反， 软颗粒模型通常用于颗粒接触是持续且有粘着的情况。在这种情况下，允 诲颓粒产生微小鲍变形，校据变形鏊豹大夸诗算惑裙应貔弹毯、塑性霾黪 擦力。采用离散颗粒模拟方法，跟踪混合过程中每个颗粒的运动轨迹，取 得了混合实验研究无法得到的颗粒运动信息。 孙其诚簿采用离散模型模拟了水平圆篱型混合桃中10 0 0 个颗粒混合 第2 章圈侮混合技术及研究概况 的全过程。分析了颗粒流型的变化规律和混合曲线，得到了颗粒由相对静 建至l 开始下游静塌落：遘程，薪褥缝采与激翔实验维采耱台缀好吲。 2 。3 本童小结 本章阐述了物料混合过程及混合机理，介绍了固体混合的对流、剪切 帮扩教三令除段：食绍了国内钤携料混合过程的数馑【摸撅豹磅究状况，为 本文下一步的研究工作奠定了基础。 燕山大学t 学硕士学位论文 第3 牵圆筒混合枕肉物料运动状态的研究 圆筒混念机内烧结原料的组分混合是否均匀、能否达到最健的制粒效 果，壹接影懿罄浇结矿熬蔟量窝产量。 3 1 圆筒混合机内物料运动过程分析 物料的受力如图3 1 所示1 2 6 1 。 - ， r分j 浆。 1 筒体2 物料 1 d l n d n l2 m a t e r i a l 图3 - 1 秘辩受力情况 f i g 3 - 1 f o r c eo nm a t e r i a l 图3 - l 中物料所受熏力为g ，筒体对物料的支持力为，物睾斗所受摩 擦力戈只菠中摩擦力一弹。 筒体转速为n ( r m i n ) ，则其角速度为 = n ；n 3 0 声为物辩位置和篱体中心的连线与竖壹方向敕夹受， 角。就辩糖料颓粒法线方向受力方程为 n m g c o s 廖= m 0 0 2 r 切向方向上受力方程为 1 4 ( 3 - 1 ) 称为物料提秀 ( 3 - 2 ) 第3 章圆篱溉台视内物辩运动状态酶骈究 f m g s m p = 0 ( 3 - 3 ) 将f = 掰弱式( 3 2 ) 代入到式( 3 3 中褥 u ( m c 0 2 + m g c o s f l ) 一m g s i n f l = 0 ( 3 - 4 ) 可以看出随着物料的上升，口变大，| v 变小，f 也变小，而重力在切 线上豹分量m g s i n 参弱交大。 不同性质的物料在圆筒混合机内的运动时，由于物料的不间性质以及 篱体不同豹转遮、不同豹填充率等工艺参数时，物料运功状念大致有六葶申 状淼 2 秘。分弼为s l i p p i n g ( 渭 ) 、s l u m p i n g ( 阶梯) 、r o l l i n g ( 动) 、 c a s c a d i n g ( d 、瀑布) 、c a t a r a c t i n g ( 大瀑御) 和c e n t r i f u g i n g ( 离心) 。下面将逐 对这六势状态遂嚣蘑述。 3 1 1 圆筒混合机内物料做滑移运动 物料与麓抟内壁的麟擦系数群饕窜，j 、，麓谤对物辩熬摩擦力不足以镬 物料上升，物料做滑移逡动。如图3 2 所示。 |l ， 丫飞己 弋夕 1 简体2 物料轮廓筒 1 d r u m2 、o u t l i n eo f m a t e f a l 图3 - 2 滑移运动简酗 f i g 3 - 2 s k e t c ho f s l i p p i n gm o t i o n 如采开始簿物辩被投放位嚣浇较特殊，在该使羲提升物辩掰受重力懿 切向分量g c o 妒等于物料与筒体之间的滑渤摩擦力f ，即g c o s 萨凡此时 达到了一秘平德，嚣为戴嚣物誊毒速度为零，物辩爨持不动f 鞠对于遣嚣) 。 燕出大学工学顿士学位论文 物料相对于简体作滑移运动。 另外还有一种情况物料也作滑移运动，即理想情况，筒体与物料之间 摩擦系数非常之小，可以忽略时。物料所受的摩擦力为零，则物料置于筒 薅底部，保持不确f 挺对于逮嚣 。 3 。1 2 圆篱混合棍内物拳萼做除梯运动 物料与筒体内壁的摩擦系数“很小，筒体转速也很低，简体能提供 定的摩擦力，但摩擦力较小，物料做阶梯运动，如图3 3 所示。图中为 筒体转动角速度。 l 简体2 物料轮廓血 l 。d r a m2 o u t l i n e o f m a t 撕8 l 囤3 - 3 狳梯运动麓圈 f i g 3 - 3 s k e t c ho f s l u m p i n gm o t i o n 在简体所提供的摩擦力的作用下，物料被简体提升一定高度。在此位 置提升物料所受熏力的切向分量g c o s p 等于物料与简体之问的滑动摩擦力 f ，邸g c o s f l = f 。此时物料有向上的一定速度，不可以忽略，物料在镄蚀 终震下继续被掇舞一定裹度，壹翻速度交蠢零。 此时秘辩掰受重力的留向分鬣g c o s f l 大于物料麓筒体之间的摩擦力 f ，即g c o s f f f ，物料开始下降，到某一高度时物料所受重力的切向分量 c r c o 妒等于物料与筒体之间的摩擦力f ，即g c o s f l = f ，此时物料有一定速 1 6 第3 牵圆筒混台机内物辩运动状态的研究 度，不可以忽略，物料在惯性作用下继续被下降，直到速度变为零。 此时物料所受重力的切向分量g e o s , 8 小予物料与简体之间的摩擦力 f ，繇g c o s 多 x 2 )( 3 - 7 ) 式中 国简体运转时的角速度( t a d s ) r _ q 勿料所对应的旋转半径( m ) 将式( 3 7 ) 两边瀵去m ，可以得到如下方程 茹2 r + g c o s p = 0( 多 z t 2 ) ( 3 - 8 ) 对上式进行进一步整理，可以得到与缈2 r 之闽舟勺关系 = a r c c o $ ( 一印)( 卢 x 2 )( 3 - 9 ) 6 根据式( 3 + 8 ) ，采用m a t l a b 软件w 以得到筘关于r 和毋的三维函数曲甏。 懿圈3 - 8 嚣示。 懿采。为已知定值，氇可戳褥凼声关于，的二维灏线。 由公式( 3 。9 ) 可以画出二维抛射丽曲线，如图3 - 9 所示，所选用的坐标 系是极坐标。 图3 - 9 中极径为筒体的半径，极角为物料抛射角。 瓣3 章圆筒混合机内物料运动状态的研究 可以看出随着半径，的减小，抛射角厣也随之减小。 一， 。文7 一、7i 、 一7 、墨。 1 0 0 5 襄 抛 0 0 射 霸 9 5 圉3 - 9 二缝懿瓣嚣薤线 f i g 3 9 t h e p l a r i a tc u r v eo f p r o j e c t i o n 物料抛射过稷如图3 1 0 所示。下颇对物料的抛射过瑕作一简单介绍。 物料在筒体的摩擦力作用下被提升。物料运动过程中，物料料面与水平面 所成的角的极限为物料的体止角。当物料上端至4 达物料抛射巍时，即图3 - l o 燕由大学工学硕十学位论文 中的a 点，物料被抛出。随着物料的不断的被提升，物料与抛射面相交的 点越来越多，被抛射的物料也不断增多。物料抛射点由a 点沿物料抛射顾 向筒体中心移幼，直到b 点，即物料抛射面与物料体卜角所对应料面的交 熹。麴辩撼囊害这到最多，之后绦持稳定。 ly ” 、，忿 烫 1 简体2 物料抛射面3 物料休止角对戍料面4 抛射曲线 1 d r u m2 ，m a t e r i a ls u r f a c eo f p r u j e c t i o n 3 ，m a l e r i a ls u r f a c ec o r r e s p o n d i n gw i t hp o s e a n g l e4 p r o j e c t i o nc u r v e 銎3 - f 0 搬射运动蓬稳 f i g 3 1 0t h ep r o c e s so f p r o j e c t i o n 物料休止角所对应的料面直线方程为 y + r c o s ( ：一y ) = 一t g y x 一足s i n ( 要一，) 】( 3 - l o ) 式孛簪豹瓣掰对錾心焦 y 物料休止角 则抛射面与休止角所对应物料丽交点b ( x o ，y 。) ，可由如下方程组确定 ca+2r+gcos+fl妒=0yr e o s ( r2 ) ：一t g y x r s i n ( y + 妒，2 ) 】( 3 1 1 ) + + 妒2 ) = 一 一 + 妒，2 ) 】 。 在交点( 确，y 0 ) 处彩辩懿运动方程为坐蠢系x o y 。f ) y = ，( 功，由一缝方 程组确定，翔筑( 3 1 2 ) 掰示。 落点坐标为( 一，y ) ，由如下方程确定 y + r c o s ( y + 妒2 ) 2 哪扛一心n ( ，+ 蚴1 ( 3 - 1 2 ) l y = ，( x ) 第3 章圆筒混合机内物料运动状态的研究 x 2 v o t c o s 口十善n y 2 嘣s i n 群一圭2 c o s 瑾+ 蜘 ；。一；， g = a r c t a n ( y b x o ) = m ( 2 十虬2 ) 物料处于滚动状态和大瀑布状态时混合效果不佳，而处于小瀑布时物 料形成适宜的空间交合，各组分在抛落中有充分的接触机会，能够取得良 好豹混匀效果。最德参数为小瀑布与大瀑布的晦近点。体璇在圈3 1 0 中即 凳霹疆匿中空心袋黉爵滋填满。 最佳落点需要满足 x 0 2 + y 0 2 = x l2 + y l 2 ( 3 1 4 ) 从而可以求得最佳参数组合。 3 。3 。2 二次混会搴羹酶最佳参数邋撩 对于二次混合机来说，除了继续混匀和水分微调外，主甍作用为制粒。 有时也进行通蒸汽j 硬热混合料，使混合料在露点以上，以强化烧结过程。 其运动行式以物料作滚落运动为宜。 最佳参数的选择原则为：对应一定的角速度，便可确定物料的抛射商： 调整貔蛰填充率，侵缮蘩髓傣壹蘩疑建疲戆麓嚣到达皴落与滚落获态豹豹 临界点，此蟊重滚动距离最长，制粒簸聚最佳。如果填充率过大，物料剐会 做抛射运动，制粒散果不好。如果填究率过小，物料仍处f 滚动状态，但 滚动距离较小，制粒效果不是最佳。 制粒效果最佳状态如图3 1 l 所示。 物辩瑟掰对凝心爱为 多= 2 , 0 2 7 f 3 1 5 ) 式中物料抛射角 y 休止角 燕山大学工学硕士学位论文 ji ， (飞! 心6 、。窆 1 物料抛射曲2 物料休止角对应料面 1 m a t e r i a ls u r f a c eo f p r o j e c t i o n2m a t e r i a ls u r f a c ec o r r e s p o n d i n gw i t hp o s ea n g l e 图3 - 11制粒效果最佳时物料付置简图 f i g 3 - 1 1 t h eb e s tm a t e r i a lp o s i t i o no f b a l l i n g 令r = r ，代入式( 3 9 ) 可得半径为r 处物料的抛射角 卢= a r c c o s ( 2 ) ( 3 - 1 6 ) 将式( 3 - 1 6 ) 代入式( 3 1 5 ) q h 得 妒= 2 a r c c 。s ( 2 ) 一2 9 ( 3 - 1 7 ) 物料填充率为 驴2 矿( 3 - 1 8 ) 将式( 3 1 7 ) 代入式( 3 一1 8 ) 可得最佳物料填充率表达式为 v = 2 a r c c o s ( 2 ) 一2 z i r 2 一r 2 s i n 2 a r c 州2 ) 一2 7 1 ( 3 - 1 9 ) 由式( 3 一1 9 ) 可以看出，最佳物料填充率与筒体转速、简体半径以及物料 的休止角有关。具体设计时应综合考虑，以得出合理的参数组合。 3 4 本章小结 本章阐述了混和、制粒时物料的运动过程，对不同的物料在圆筒混合 第3 章圆筒混合机内物料运动状态的研究 机内的运动时六种状态进行了具体分析。描述了影响圆筒混合机混匀制粒 的因素：详细并糟漾研究了一次混合和二次混合时的最健操作参数，指出 一次混合对物料处予小瀑布运动状态，二次混合时物辩为滚动状态时较好。 为漾遂豹送一；多袋开箍供了蔹据。 燕山大学工学硕士学位论文 第4 章圆筒混合机力学性能分析 圆筒混合机的受力主要有两部分：径向受力和轴向受力。径向冈筒内 物料的运动使得受力情况变得较为复杂。轴向受力是一个静小定问题，通 过计算可以得到圆筒混合机的总压力沿轴向的分配情况。图4 1 是某钢铁 公司的橡胶轮胎支撑的圆筒混合机现场图片。 图4 - l 某钢铁公司的圆筒混合机 f i g ，4 1 d r u mm i n e ro f as t e e la n di r o nc o m p a n y 4 1 径向受力情况分析 大型橡胶轮胎传动圆筒混合机轴向长度大约为9 1 8 m 。圆筒的直径 为3 5 m ，在工作过程中径向断面见图4 - 2 所示。 x o y 为非工作时坐标系，x i o y 为工作b , i 坐标系。一为物料所占简体断 面面积，n 为主动轮侧所受总压力( 支反力) ，。为从动轮侧所受总压力 ( 支反力) 。只为离心力，w 为筒体重量，g 为简体内所存物料重量。 由于筒体朝传动侧转动，物料全部压在传动一侧，经计算+ 很大， 由于筒体朝传动侧转动，物料令部压存传动一侧，经计算，很大， 羹! 童璺整鎏窒蝥童兰堡冀叁堡 则使支撑轮胎磨损，减速机胶合，而对于n 主的确定，尚需通过对