辊压机的数字化设计及仿真

摘 要辊压机的数字化设计及仿真摘要为了更好地解决目前辊压机的设计和应用中存在的各种问题，使其结构设计更加合理，节能降耗的优点能充分发挥，研究了辊压机的工作机理，确定了相关技术参数的计算方法，分析了最大压力、辊隙和辊径对物料粉碎效果的影响，创建了辊压机的三维模型，并对辊子模型进行了有限元分析，得出一些有益结论，深化了辊压机的设计理论。在分析了辊压机的工作原理的基础上，基于料层粉碎原理，确定了辊压机的宽径比、辊隙、辊速、喂料角、喂料粒度、拉入角及生产能力等技术参数的计算方法，使辊压机的相关技术参数的确定方法更加合理。根据辊子的受力情况，推导出辊压机的转矩方程、功率方程和单位能耗方程。并利用BS粉碎模型，借助Matlab数值模拟软件，对实例数据进行计算。在前人研究的基础上，进一步研究了最大压力对物料粉碎粒度的影响，并提出间接分析方法，详细分析了辊径和辊隙对物料粉碎粒度的影响，使辊压机的工作参数对粉碎效果的影响这一理论的研究更深入了一步。应用Pro/E软件，从基于特征的零件建模和装配技术的探讨出发，通过实体建模、虚拟装配完成整个辊压机的结构设计，并利用Pro/E的Mechanism模块对辊压机进行了运动仿真和静态干涉检查，拓展了CAD数字化设计平台。利用ANSYS有限元分析软件将有限元分析技术应用于组合辊的设计中，对辊子的强度和刚度进行有限元分析，得到位移与应力云图及相关数据，并校验了辊子强度，为设计者提供设计依据。将数字化设计方法和仿真技术应用于辊压机的设计开发中，通过以上研究，改进和完善了设计方案，拓展了数字化设计平台，缩短产品的研制周期，降低了开发成本，提高了制造企业在市场经济中的竞争力。图27幅；表5个；参 72篇。关键词：辊压机；数字化设计；参数确定；粉碎效果；三维模型；有限元分析分类号：TD453AbstractIn order to solve various problems exist in the design and application of roller press, make the structure design more reasonable, give full play to its advantages of energy saving, the work mechanism of roller press was researched, calculation method of related technical parameters were determined, the influence of max pressure, roll-gap and roll-dia on material pulverizing effect, 3d model of roller press was created and finite element analusis was made, some useful conclusions for design theory of roller press were gained.The work principle of roller press was analyzed on the basis of material beds comminuting theory, the calculation method of width-radius ratio, roller-gap, velocity, feed-angle, nip-angle and production capacity were confirmed, making determination method of related parameters more reasonable.Torque equation, power equation and energy equation were derived according to the stress of roll. The example datas were calculated using the BS smashing model by Matlab software. The influence of max-pressure on material comminution granularity was researched deeply, the effection of roll-gap and roll-dia on material comminution granularity were researched by indirect analysis method, and thus developing this theory.The structure of roller press was designed through solid modeling and virtual assemble on the basis of the feature modeling by Pro/E, meanwhile, the motion of the transmission was simulated in the Mechanism module of Pro/E, the static interference checking among parts of the assembled grinding rollers was made, the CAD design platform was widened.Finite element analysis technology was introduced into the design work of roller by ANSYS, rollers strength and stiffness were analyzed, displacement and stess nephogram were gained, the strength of roller was checked, design gist was provided for designer.By introducing digital design into the roller design, the design scheme was perfected, the period of product design was shortened, the cost was reduced, and the comperitiveness of firms in market economy was improved.Figure 27; Table 5; Reference 72 Keywords：roller press, digital design, parameter determination, pulverizing effect, three-dimensional model, finite element analysisChinese books catalog: TD453- V -目 次目次引言11 绪论31.1 数字化设计概述31.1.1 数字化设计技术的概念及特点31.1.2 数字化仿真技术的发展51.1.3 仿真过程的一般步骤和建模方法61.2 粉碎理论及其研究现状71.2.1 粉碎的概念及相关理论71.2.2 粉碎理论的研究现状111.3 辊压机发展现状及存在问题151.3.1 辊压机的国内外发展现状151.3.2 辊压机设计和应用中存在的问题171.4 选题意义和研究内容191.4.1 选题意义191.4.2 研究内容192 辊压机的工作理论212.1辊压机的结构和优点212.1.1 辊压机的结构212.1.2 辊压机的优点232.2 辊压机的工作原理232.3 影响辊压机粉碎效果的因素262.3.1 辊压机技术参数对粉碎效果的影响262.3.2 喂料对粉碎效果的影响272.3.3 喂料装置对粉碎效果的影响273 辊压机技术参数的分析与粉碎过程的研究293.1 辊压机技术参数的选择计算293.1.1 辊压机宽径比的选择293.1.2 辊压机辊隙的选择303.1.3 辊压机的速度分析323.1.4 喂料角分析333.1.5 喂料粒度及最大喂料粒度分析343.1.6 拉入角计算353.1.7 辊压机的生产能力373.2 辊压机技术参数对物料粉碎粒度的影响分析383.2.1 粉碎模型分析383.2.2 任意单元处的压力P与最大压力Pm之间的关系403.2.3 辊子分离力计算423.2.4 辊子转矩计算433.2.5 辊压机的驱动功率计算443.2.6 辊压机的生产能力计算453.2.7 辊压机单位能耗分析453.3 实例计算464 辊压机三维模型的建立及运动仿真504.1 Pro/ENGINEER软件简介504.2 Pro/ENGINEER软件应用的相关概念514.2.1 零件数字化建模技术简介514.2.2 特征的概念、分类及特征建模的原理514.2.3 基于特征的参数化设计的特点524.2.4 零件数字化模型的建模过程534.3 辊压机零件模型的建立534.4 辊压机模型的装配554.4.1 装配技术概述554.4.2 辊压机模型的装配过程564.5 辊压机的运动仿真594.5.1 Pro/ENGINEER的机构（Mechanism）模块介绍604.5.2 Pro/ENGINEER运动仿真的操作步骤615 辊压机磨辊的有限元分析635.1 有限单元法原理及ANSYS有限元分析软件介绍635.1.1 有限单元法简介635.1.2 ANSYS有限元分析软件简介645.1.3 ANSYS的结构分析功能655.1.4 ANSYS的结构分析过程655.2 辊子有限元模型的创建665.2.1 实体模型创建665.2.2 网格划分675.3 施加载荷及求解685.4 结果分析与讨论70结 论73参考文献75致 谢79导师简介80作者简介81学位论文数据集82引 言引言粉碎作业是一项巨大的能源消耗的过程，但它广泛应用于采矿、冶金、材料、建筑、化工等领域，在社会经济和工业生产中占据重要地位。在长期的生产实践活动中，人们不断地研制新型、高效、节能的粉磨设备，辊压机便应运而生，它是80年代中期发展起来的一种新型粉磨设备，是基于料层粉碎原理工作的。由于其高压、慢速、满料、料层粉碎等固有的特点，被广泛用于水泥、生料、矿渣、煤、石灰等物料的磨碎作业中，与传统的破碎球磨系统相比具有显著的高效、节能的效果，受到业内人士的极大关注，被誉为粉碎工程的一大突破，已经成为当今粉碎工业中粉磨系统的首选设备，被世界公认为国际上最先进的粉磨设备。在我国，辊压机的设计和制造技术最初主要是从德国引进，随后进行了消化吸收和二次开发，并已取得一些成果。近几年来，辊压机的装备和工艺技术发展非常迅速。而且，我国许多地区供电紧张，辊压机以其高效、节能的优点，较大幅度地节省了电耗，对降低生产成本和提高企业经济效益起到了非常重要的作用。从辊压机在我国的应用情况看，其在粉磨系统中所起的增产节能效果是非常显著的，但是仍然存在着很多问题。目前，关于辊压机的设计理论仍不完善，相关技术参数的选择和确定仍不是很合理，很多参数都是根据实际经验来确定，没有一个系统完整的理论，这就不利于辊压机的更新和改进。而且，过去的研究工作主要集中在辊压机结构方面的改进，对磨辊间物料的运动规律和受力情况的研究较少。长期的生产实践和科学研究使人们认识到物料的运动状况和辊压机粉碎效果及能耗有着密切的关系，所以，对粉碎效果的研究也是非常必要的。当今数字化技术发展迅速，在各个行业的应用也相当广泛，很大程度上提高了设计效率和设计精确度，为工业设计及制造工作节省了很大一部分成本。目前数字化设法方法在辊压机的应用上还不是很广泛，有待于更深入的将数字化设计方法引入辊压机的设计工作中。在竞争异常激烈的今天，综合国力的增强是一个国家强盛的标志，各个国家都在寻求增强综合国力的武器。如今国际上的热点问题就是能源短缺问题，而且日益突出，降低能耗迫在眉睫，它已不仅是个别企业的效益问题，而是直接影响人类是否能够长久生活在地球上的大问题，当然也是各个国家争先解决的首要问题。另外人们的环保意识日益增强，继续采用对环境造成严重污染的机械设备显然是不合时宜的。所以，采用污染小、高效、节能及环保的机械已成为国际趋势。辊压机以其节能的优点备受业界人士的关注，所以，对其进行进一步的研究和改进，使其更好地发挥其节能的优点是非常必要的。综上所述，应该在辊压机的设计改进方面做更深入的研究，为辊压机的设计制造提供更新更合理的理论支持和技术平台，为辊压机的广泛应用拓展更广阔的前景。本课题来源于河北省科技厅2006年科技计划项目，课题编号为06242188D-1。- 49 -1 绪论1 绪论1.1 数字化设计概述1.1.1 数字化设计技术的概念及特点1）数字化设计技术的概念数字化设计主要是指将计算机技术应用于产品设计领域。对于数字化设计技术比较完备的定义是1：数字化设计技术是基于产品描述的数字化平台，建立基于计算机的数字化产品模型，并在产品开发全程采用，达到减少或避免使用实物模型的一种产品开发技术。计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）便是数字化设计最初的应用，是借助于软件从产品总体方案设计、初步工程设计到详细工程设计，贯穿产品研制各阶段，由粗到细逐步形成精确的三维数字化产品的过程。数字化产品模型是基于计算机技术，在现代设计方法学的指导下，支持先进制造系统，定义和表达产品全生命周期中的产品资源所必需的产品数据内容、数据关系及活动过程的数字化的信息模型。面向数字样机的数字化设计技术能有效支持产品自顶向下的并行协同，利用数字化样机的设计环境和设计经验集成，不断对产品进行几何设计、协调，系统功能分析，可维护性模拟，综合性能仿真，在设计早期尽可能发现设计不足，通过分析仿真验证设计品质、暴露其性能缺陷，提前考虑工艺规划、加工制造的可行性，及时进行设计修正和优化，从而实现面向装配、面向制造和面向成本的开发模式，满足用户和市场的要求。目前，三维CAD技术已经普及，在减轻设计人员的劳动强度、降低设计费用、缩短设计周期方面发挥着很大的作用。但是，对于产品的开发来说，只有设计是不够的，开发成败的关键取决于该产品性能如何，是否达到了功能要求。而在物理样机出来之前，为了预测产品的性能，就不得不使用CAE技术。计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）技术是计算机技术与工程分析技术相结合而形成的新技术，最初应用于航空航天方面，现在已经推广到各个行业。它以CAD系统确定的数据为基础，利用计算机的分析计算和仿真功能，在预测产品性能、发现设计缺陷、优化产品设计、减少物理样机数量、提供产品性能便于多领域人员包括非技术人员之间的探讨、协作方面发挥着越来越大的作用。2）数字化设计具有以下特点2, 3：（1）具有统一的产品定义模型传统设计在同一产品不同设计阶段具有多种定义模式，重复定义不仅导致设计过程复杂性增加，而且在不同定义模型之间的转化容易引起数据缺失。数字化设计技术建立从产品设计到制造的单一数字化产品模型，其也是面向产品生命周期管理的基础。（2）实现并行设计一项设计工作可由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配，形成一个可完成强度、可制造性、成本和功能测试的完整的数字化模型。由于面向产品生命周期的产品模型信息的完备性，数字化设计有助于实现产品的面向装配的设计（DFA），面向制造的设计（DFM），和面向维修的设计（DFS）等DFX设计，而DFX的设计在提高产品设计质量与速度方面具有重要的意义。（3）设计过程中减少或避免实物模型的制造传统设计在产品定型生产前需经过“样机生产样机测试修改设计”的过程，且需反复多次，这不仅耗费物力、财力，还使得产品上市周期延长。数字化设计则在制造实物模型之前，先进行计算机仿真分析与测试，排除某些设计的不合理性。（4）面向装配数字化设计技术建立的基本数字化模型就是面向装配体的产品模型（在模具系统中就是模具整体），而非单个零件。它集成了零部件和装配的全部可用信息，形成了一个包括各种信息的全局的数字化产品模型，这一模型可被不同设计环节的众多工程师使用。数字化设计技术可跟踪查寻高度复杂的零部件和大型装配之间的内部关系，并能够不花费什么代价就可方便地更改设计。3）仿真技术的概念及特点计算机仿真就是利用计算机运算系统的数学模型来达到对被仿真系统的分析、研究、设计等目的，是集计算机技术、多媒体技术、通讯技术、控制技术于一身的现代高科技，它能仿真出一个真实的环境，一种真实的感受，可应用于宇宙飞船、核电站、飞机、轮船等大中型高精密仪器操作人员的仿真训练，也可应用于我国正在兴建的自动化物流系统的规划、设计、模拟、演示和分析4, 5。总之，仿真技术的发展变化对作为基础的建模方法学提出了更高要求，这种变化既反映在建模方法的技术层面，同样更高地反映到对建模过程和模型配置管理的要求。1.1.2 数字化仿真技术的发展随着技术进步和市场竞争的日益激烈，产品的技术含量和复杂程度在不断增加，而产品的生命周期不断缩短。因此，缩短产品的开发和上市周期就成为企业形成竞争优势的重要因素。在这种形势下，在计算机上完成产品的开发，通过对产品数字化模型的分析，改进产品设计方案，在数字状态下进行产品的虚拟试验和制造，再对设计进行改进或完善的数字化产品开发技术变得越来越重要。目前为止，数字化设计技术的发展历程大体上可以划分为以下三个阶段6, 7：1）工具的广泛应用自20世纪50年代开始，各种CAD/CAM工具开始出现并逐步应用到制造业中。这些工具的应用表明制造业已经开始利用现代信息技术来改进传统的产品设计过程，标志着数字化设计的开始。2）并行工程思想的提出与推行20世纪80年代后期提出的并行工程是一种新的指导产品开发的哲理，是在现代信息技术的支持下对传统的产品开发方式的一种根本性改进。PDM（产品数据管理）技术及DFX（如DFM、DFA等）技术是并行工程思想在产品设计阶段的具体体现。3）虚拟样机技术随着技术的不断进步，仿真在产品设计过程中的应用变得越来越广泛和深刻，由原先的局部应用（单领域、单点）逐步扩展到系统应用（多领域、全生命周期）。虚拟样机技术正是这一发展趋势的典型代表。仿真技术研究人员一方面不断地扩展仿真应用领域，一方面，其它领域研究的丰富成果不断促使仿真技术人员从新的角度、新的高度、新的广度认识建模与仿真。在近半个世纪的积累和近十年的快速发展的基础上，建模与仿真技术已经成为以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对已有的或设想的系统进行研究、分析、试验与运行的一门多学科的综合性技术。仿真模型的种类随着被仿真对象的丰富而日益广泛。从最简单运动方程描述的模型到描述复杂大系统发展变化规律的仿真模型，仿真模型的种类涵盖了仿真所涉及的各个领域。仿真模型可以按照其模拟的对象不同而加以分类，也可以根据仿真模型建立的方法进行分类，又可以依据其仿真中不同阶段加以分类。随着仿真研究对象的扩展，对仿真模型的分类研究应成为仿真概念研究的一个重要课题，这是进一步发展仿真理论的需要。1.1.3 仿真过程的一般步骤和建模方法1）仿真过程的一般步骤8仿真是基于模型的活动，首先要针对实际系统建立其模型，建模于形式化的任务是根据研究和分析的目的确定模型的边界，因为任何一个模型都只能反映实际系统的某一部分或某一方面，也就是说，一个模型只是实际系统的有限映象。另一方面，为了使模型具有可信性，必须具备对系统的先验知识及必要的试验数据，还必须对模型进行形式化处理，以得到计算机仿真所要求的数学描述。模型可信性检验是建模阶段的最后一步，也是必不可少的一步。只有可信的模型才能作为仿真的基础。仿真建模是仿真过程的第二步，其主要任务是：根据系统的特点和仿真的要求选择合适的算法，当采用该算法建立仿真模型时，其计算的稳定性、计算精度、计算速度应能满足仿真的需要。第三步是程序设计，即将仿真模型用计算机能执行的程序来描述，程序中还要包括仿真实验的要求，如仿真运行参数、控制参数、输出要求等。仿真过程的第四步是程序检验，它是必不可少的步骤。一方面是程序调试，更重要的是检验所选仿真算法的合理性。第五步是对模型进行实验，这是实实在在的仿真活动，它根据仿真的目的对模型进行多方面的实验，相应地得到模型的输出。仿真过程的第六步是对仿真输出进行分析，即对模型数据的处理，同时也是对模型的可信性进行检验。2）仿真建模的方法对于计算机仿真的整个工作而言，仿真建模是一个关键的过程。目前比较先进的仿真建模是9：在我们已有的一些先验知识的基础上，试探地写出研究对象所满足的或近似满足的数学规律，再结合实际的研究目的，对猜测性数学关系进行反复修改和优化，从而得到既符合客观实际又易于在计算机上实现的数学模型。面对新世纪科学技术发展对仿真技术的需求，对建模方法论提出新的要求，包括但不限于10：（1）仿真研究对象越来越复杂，需要研究复杂系统建模的方法；（2）仿真的精度和可信度要求越来越高，需要研究提高所建立模型的精度方法；（3）同样的仿真研究对象，在不同仿真系统中要反映出不同的属性，需要在建模时考虑具体的要求，并研究仿真模型简化、细化、聚合和解聚的方法；（4）仿真模型建立要反映仿真工程性越来越强的变化趋势，强调仿真建模及其使用工具的标准化；（5）仿真建模人员不仅要考虑建立模型本身的要求，同样需要考虑验模的要求；（6）建模过程应反映对仿真系统全面的配置、质量管理要求的变化，建立完备的模型档案，对模型的属性及其建立过程加以记载和科学管理。总之，仿真技术的发展变化对作为基础的建模方法学提出了更高要求，这种变化既反映在建模方法的技术层面，同样更高地反映到对建模过程和模型配置管理的要求。1.2 粉碎理论及其研究现状1.2.1 粉碎的概念及相关理论1）粉碎的概念利用外力作用，克服固体物料的内聚力，使其由大块变成小块。由粗颗粒变为细粉的过程，称之为粉碎，它是破碎和粉磨的总称。2）物料粉碎的基本形式11由材料力学的知识，我们知道：固体材料受到外力作用后，首先是产生弹性变形，当应力超过一定极限后，便产生塑性变形，塑性变形达到极限后，材料才会断裂破坏。然而物料的破碎，与其有两个不同点：其一，物料是一堆大小不同、形状各异的颗粒群，破碎过程则是外力对这个颗粒群的作用，而不是对某一单体的作用；其二，被破碎的物料大多数是矿物岩石或化学烧结物，它们因风化挖掘或爆破开采、或热工过程的物理化学变化，物料内部或多或少的存在着微观裂纹或晶格缺陷，不存在完全均质的可能。3）粉碎的分类因处理物料的尺寸大小不同，可大致将粉碎分为破碎和粉磨两类处理过程：使大块物料碎碎成小块物料的加工过程称为破碎，粉碎后产品粒度大于25mm；使小块物料碎裂成细粉末状物料的加工过程成为粉磨，产品粒度小于25mm。也有将破碎后产品粒度为300mm、25mm及5mm的分别称为粗碎、中碎和细碎。将粉磨后产品粒度小于2mm和0.01mm的分别称为粗磨和细磨。相应的机械设备分别称为破碎机械和粉磨机械。为了更明确起见，通常按以下方法进一步划分：4）粉碎产物的二成分性粉碎产物的粒度分布具有二成分性（严格说是多成分性）。所谓二成分是指整个粒度分布包含粗粒和微粉两部分的分布。根据粉碎产物粒度分布二成分性，可以推论材料颗粒的破坏过程不是由连续单一的一种破坏形式所构成，而是两种以上破坏形式的组合。Hutting等人提出了粉碎的三种破坏模型。（1）体积粉碎模型整个颗粒都受到破坏（粉碎），粉碎生成物大多为粒度大的中间颗粒，随着粉碎的进行，这些中间粒径的颗粒依次被粉碎成具有一定粒度分布的中间粒径颗粒，最后逐渐积蓄成微粉成分（即稳定成分）。（2）表面粉碎模型仅在颗粒的表面产生破坏，从颗粒表面不断削下微粉成分，这一破坏不涉及颗粒的内部。（3）均一粉碎模型加于颗粒的力，使颗粒产生分散性的破坏，直接碎成微粉成分。5）粉碎的相关术语12, 13（1）粉碎比粉碎前后粒径的比值称为粉碎比。用下式计算： （1）式中：i粉碎比；D粉碎前物料的粒径；d粉碎后物料的粒径。粒径可以用最大粒径、算术平均粒径、80%通过的粒径等来表示，不同粒径计算出来的i值也不一样。平均粉碎比是衡量物料粉碎前后粒度变化程度的一个指标，也是粉碎设备性能的评价指标之一。（2）粉碎段各种粉碎设备的粉碎比各有一定的范围，而且各不相同。在实际生产中，要求的总粉碎比往往比较大，难于在一台设备中完成，而需要经过几次破碎和粉磨才能达到要求的最终粒度。物料每经过一次粉碎，就称为一个粉碎段。在水泥生产中，原料石灰石要从1mm左右的块粉碎到0.08mm以下，一般要采用一段或两段磨碎。6）料层粉碎原理矿石的粉碎实际上包含单颗粒粉碎和颗粒群的层压粉碎两种力学行为。单颗粒粉碎是指外力直接作用于单颗粒层，形成破坏应力而粉碎。料层粉碎又称“粒间粉碎”或“料团粉碎”，是大量颗粒聚集在一起，在外界载荷作用下料团颗粒间相互作用力产生的粉碎形式，称为“料层粉碎”14，它是辊压机粉碎机理的基础。图12所示为料层粉碎原理图。单颗粒粉碎时，粒子受到应力作用以及发生粉碎事件是各自独立进行的，而料层粉碎时，被粉碎颗粒聚合在一起，形成颗粒床（多层颗粒），各个颗粒均被邻近颗粒所限。外力施于颗粒层，直接接触颗粒的数量很少，应力的传递主要是靠颗粒本身，颗粒相互作用产生裂缝、断裂、劈裂而粉碎，这就形成了与单颗粒截然不同的特有规律，并且在实际粉碎过程中，许多粉碎设备都含有料层粉碎的形式，如鄂式破碎机、球磨机、棒磨机、振动磨机及辊压机等，因此，研究料层的粉碎机理、力学行为和能耗对于改进原有设备的结构和工艺，以及设计新型粉碎节能设备具有实际意义。一般认为必须符合下列条件才能实现真正的料层粉碎15：式中：容器直径；料层厚度；Xmax物料最大粒径。图1 料层粉碎示意图Fig.1 Schematic drawing of grain of group smashing图2 颗粒之间相互施力和颗粒多点受力Fig.2 Particles mutual load and Particles multi-spots stress料层粉碎的特点和节能原理总结16： （1）粉碎媒介的作用力施加在多层聚集的物料群上；（2）施加稳定而持续的高压；（3）尽量减少冲击粉碎；（4）充分利用二次破碎能量。在料层粉碎中，单颗粒破碎不能占主导地位，这样才有利于辊压机效率的提高。但物料颗粒过小也得不到有效粉碎，从而降低了辊压效率，物料粒度在小于要求最大粒度时，颗粒的均匀性越高，辊压机效率越高。物料粒度偏大时，辊压机振动加剧，辊缝增加，料饼的形成量减小，通过量增加。喂料粒度过细，细粉对颗粒起着一定包裹作用，降低了粉碎效果。7）粉磨系统和粉磨设备（1）粉磨系统粉磨系统按粉磨方式的不同，可分成开流系统和圈流系统。在粉磨过程中，物料一次通过磨机后即为成品的称为开流，当物料出磨后经过分选，细粒部分作为成品，粗粒部分返回磨内进行再次粉磨的称为圈流。开流系统粉碎效率低，单位电耗高。因为物料必须全部达到成品细度后才能出磨，因此，当要求产品细度较细时，已经磨细的物料会产生过粉磨，在磨内形成缓冲层，有时甚至出现粘结、包球使操作恶化。圈流系统可以大大减少过粉磨，使磨机产量提高，电耗降低；同时产品粒度均匀，成品细度可用调节分级设备运行参数的方法来改变。但圈流系统流程复杂，投资较大。粉磨系统从粉磨方法来分17，可分成湿磨、干磨和烘干兼粉磨。湿磨过程中要加水，产品呈浆状，称料浆。干磨过程喂入磨内的物料水分应小于1%，否则将引起粘球、糊磨、堵塞，大大降低粉磨效率。烘干兼粉磨则在系统中通入热风，使物料边烘干边粉磨，允许入磨原料水分可以适当增加。粉磨系统从其产品性质来分，可分为预粉磨、终粉磨。粉磨产品作为半成品的称为预粉磨。粉磨产品作为成品的称为终粉磨。实际上根据半成品的粒度特性差别，预粉磨还可以进一步细分为纯预粉磨、混合粉磨、部分终粉磨。（2）粉磨设备水泥工业粉磨系统应用的设备主要有：管磨机、辊式磨、辊压机、选粉机。辊压机是根据料床粉碎原理设计的，设有两个慢速且相向运动的压辊，其中一个固定，一个可以滑动，给滑动辊施加作用力，物料连续的喂入并通过双辊间隙，因受压而粉碎。辊压机一般用做预粉磨，但亦可以作为终粉磨设备。1.2.2 粉碎理论的研究现状粉碎能量平衡论：许多学者的试验都认为粉碎是效率极低的操作，其有效能量的利用率大约仅占0.6%0.3%，约有95%99%以上转化为热而逸散。粉碎能量平衡论主要探讨的是能量除转化为热的能量之外，还消耗于增加固体表面能，消耗于固体表面结晶结构的变化、化学的变化及物理化学的变化。在粉碎过程中产生的物理化学变化成为机械力化学，也就是说还有机械力化学的能量消耗。得出结论即改变物性是提高粉碎效率和增产的重要措施。粉碎速度论：就是把粉碎过程数式化，求解基本数式并追踪其现象。Epstein于1948年提出了粉碎过程数学模型的基本观点。他指出，在一个可以用概率函数和分布函数加以描述的重复粉碎过程中，第n段粉碎之后的分布函数近于对数正态分布。这一观点已被用于矩阵模型和动力学模型。粉碎过程是工业生产中的耗能大户，能耗计算与粉碎方法、物料性质、机械构造及运动状态等许多因素有关，因此十分复杂，很难用一个十分完整而严密的理论或公式解决。一百多年来，各国学者围绕粉碎理论，进行过反复研究，提出了多种学说和见解。常用的就是国际粉碎界提出的3个基本假说，即面积说、体积说和裂缝说。这三个假说都是基于功耗定律的学说。它们分别把固体物料假设为球形、圆柱形和正方体形，经粉碎后，又变为小一些的球形，圆柱形和正方体形。如此类推下去，归纳出数学模型，总结出三个数学表达式18。1）面积假说 1876年德国学者P.Rittinger提出剪力变形模型：破碎所消耗的能量与破碎过程中碎石新产生的表面积成正比： （2）2）体积假说 1885年F.Kick提出压缩变形模型：垂直压力起主要作用，与颗粒体积或质量成正比： （3）3）裂缝假说 1950年美国学者F.E.Bond和中国学者王仁东提出： （4）对于上述三个式子，Walker等人把它统一起来，用下式表示，称为功耗定律：粉碎功耗以粒径的函数来表述。 （5）式中：dE粉碎所需功；x粒径；CL，n常数。若取n=2.0、1.0或1.5，则分别是Rittinger定律、Kick定律和Bond定律。上述定律是我们所熟知的功耗定律，这三个粉碎学说分别适宜于一定范围的粉碎领域，其中：Kick定律在低粉碎程度时即在破碎阶段比较适宜，该阶段为弹性变形阶段；Bond定律在中等粉碎程度即破碎到粗粉磨这一阶段比较适宜，该阶段为开裂和裂缝扩展阶段；Rittinger定律在高粉碎程度即细磨阶段比较适宜，该阶段为断裂形成新表面阶段，经验证明在细粉磨阶段，当细度不超过10000cm2/g时，面积假说的偏差比较小。具体来讲，目前分析粉碎数学的模型大致可以分为3类：动力学模型、BS 模型和其他模型16。1）动力学模型 它基于粉碎速度，即物料的粒度分布随时间的变化。同化学反应动力学方程相似，可用下式表示，即： （6）陈炳辰等人根据上式将物料粒度与动力学相结合得出了新的动力学模型，即： （7）他们还将动力学模型推广到磨矿线性迭加模型，此外，还导出了连续动力学模型，即： （8）1953年斯得拉斯克（Sedlashek）和贝斯（Bass）将粉磨过程中粒度随时间变化用类似化学分解反应模型的方法进行了描述，建立了如下矩阵微分方程组： （9）式中：为j粒度区间颗粒受到粉磨作用后，在单位时间内移向i粒度区间的质量比，由于它包含了颗粒被粉碎概率和破裂粒度分布两个方面内容，所以很难确定其大小。2）BS模型 在应用计算中，以上动力学模型在某一破碎比范围内比较接近于实际，对粉碎机理的研究也起到了一定的作用。但是这种传统的粉碎理论是建立于假设之上，而且是以研究单颗粒粉碎为基础，因此，在工业生产中无法与实际批量物料（颗粒群）同时粉碎的过程结台起来。单纯的粉碎能耗计算，也不能描述物料被粉碎的全部过程。所以，从1948年起，Epstein于1948年提出了“粉碎过程数学模型”的新观点，它是基于破碎函数和选择函数，用概率函数和分布函数来描述重复的粉碎过程，若干级粉碎之后，分布函数近似于对数正态分布，从而提出了矩阵模型，相似理论模型以及动力学模型等等，并建立了如下微分积分方程： （10）式中：第p次粉磨破碎产物中粒径小于x的质量比；表示不同粒级颗粒受粉碎作用的概率（选择函数）；表示粒径为y的颗粒被粉碎后生成粒径为x的颗粒质量比。这个描述法后来一直被用于粉碎数学模型中。1956年Broathent与Callcott利用这两个概念并采用矩阵方程16，建立了静态矩阵模型，即： （11）Candner和Austin对连续粉磨过程建立了微分积分方程，即： （12）Filippov从纯数学角度对粉磨过程的研究，也得到了同上式相同的模型。1962年Gaudin与Meloy等人利用Bass建立的微粉方程，将选择函数和分布函数以连续函数形式来表示，建立了如下微粉积分方程： （13）同年，美国的伯格斯特龙（B.H.Bergstrom）等人提出采用层压粉碎以提高能量利用率的观点，就是上面所说的“料层粉碎原理”。1964年施密特（P.Schmidt）对料层粉碎进行了研究。1967年格鲁沃特等人在环形碾磨机内用钢球为介质对不同给料量进行层压粉碎试验，发现当给料量较多时颗粒具有强烈的相互作用，而给料较少时，又表现为单颗粒粉碎行为。1984年我国清华大学的盖国胜等人对选择矩阵进行了修正，即认为不同粒级颗粒被粉磨的选择函数过程进行是不断变化的，因而提出如下动态矩阵模型： （14）对于上式曾用石灰石等矿物批次粉磨过程进行了计算机模拟和试验验证。在提出“粉碎速度论”的基础上，又引出了“粉碎平衡”概念，至今发展为以“化学流变学”为代表的“粉碎机械化学”学科。由“粉碎能耗的研究”加上“粉碎过程研究”以及“粉碎设备与产品的相关研究”，形成了现代粉碎理论发展的新趋势。以上各种解析模型的建模思想都是基于粉碎函数和破裂分布函数（BS模型），其相互之间也存在着可以用数学演算进行相互转换的规律。迄今，在欧美一些国家中对粉碎过程的研究基本上没有脱离BS模型框架。BS模型为了解析粉磨过程，引入了大量难以准确测定的选择函数和破裂分布函数，在数学上达到了很完善的程度，但由于缺少磨机操作工艺参数，使模型应用受到了限制。这些模型基本上是一种对设备输出产品的描述，而不是对过程的描述。1.3 辊压机发展现状及存在问题1.3.1 辊压机的国内外发展现状辊压机诞生于20世纪80年代中期的德国，是一种新型、高效、节能的粉磨设备，它是基于料层粉碎原理而工作的，由于其高压、慢速、满料、料层粉碎等固有的特点，而广泛用于水泥、生料、矿渣、煤、石灰等物料的磨碎作业中，与传统的破碎球磨系统相比具有显著的高效、节能的效果，被誉为粉碎工程的一大突破。自从1985年德国的krupp poigsius公司研制出世界上第一台辊压机以来，已有成百上千台工业辊压机相继问世。国外主要的辊压机制造厂家有德国的appPoigsius 公司和 KHD Humbolt Wedag 公司（图3即为德国KHD公司的原装辊压机）、美国的Fuller公司和丹麦的F. L. Smith公司等。在我国，辊压机的设计和制造技术最初主要是从德国引进，进行了消化吸收和二次开发，并且己经取得一些成果。图3 洪堡原装的辊压机Fig.3 Original installation roller press of KHD国内外许多专家在辊压机粉碎技术方面做了很多研究，如在了解了辊压机的工况的基础上，朱玉泉19建立了描述辊压机工作性能的动态数学模型，并进一步对辊压机进行了计算机仿真，得出一些有益的结论；IB克鲁莫斯基和刘建远在克劳斯塔尔大学的广泛试验的理论研究报告的基础上，建立了一个理想的料层粉碎模型20；东北大学的高航和沈阳航空工业学院的屈利刚21通过分析CAD技术在工程和产品设计中的作用，提出了基于3D特征造型的辊压机关键结构的计算机辅助设计技术，并在产品的零部件设计、有限元分析和优化设计、虚拟装配及产品数据信息管理等方面做了深入的探讨；吉林大学的李欣对辊压机的特点及工作原理等做了分析22，通过基于料层的物料压缩反弹特性及辊压机的实验结果，建立数学模型，分析运动和受力，确定了辊压机工作参数的计算方法，研究了其排气机理，并对辊压机表面压力分布规律进行了有限元分析；大连理工大学的王阿春23通过基于3D特征的辊压机组合辊结构设计与分析的研究，构建了工程及产品结构设计过程中的广义CAD系统集成平台，为实施辊压机组合辊的CAD技术奠定了基础，并且应用SolidWorks对基于特征的零件实体建模技术和虚拟装配技术进行了初步探讨，完成了基于特征的辊压机组合辊零部件的实体模型创建和虚拟装配，并通过对装配体的动态模拟和静态干涉检查等工作解决了组合辊机构设计中的关键技术问题，并且实现了有限元分析系统与三维CAD系统的有效集成，并应用此集成系统实施了组合辊组成零件的有限元分析工作。当前粉碎专家们认为粉磨设备的发展方向应是降低挤压力、提高辊压机多级粉碎和实现与选粉机结合的闭路完全粉磨作业。由于每种粉磨设备都可实现与选粉机结合进行闭路完全作业，因此，最终的发展方向应是降低挤压力、提高辊速和多级粉碎。由于一次挤压粉磨的成品率小于1，为获得最终产品，必须消耗一定电能用于选粉、输送的外循环作业，成品率低，这部分电能就越多。从节能的角度看，良好的节能挤压粉磨设备在相同的设备价格条件下应满足三方面的要求24：1）输入功率尽量大；2）粉磨效率尽量高；3）成品率尽量高。从这种考虑出发，辊压机的基本结构受到了三方面的限制：1）排除了在设备内部实现物料循环的可能；2）其辊面线速度受挤压通道内物料流变性质的制约而被限制在一个较低的范围，大致在2m/s；3）挤压通道所具有的过快的收缩决定了其压力区一定很小，值亦小。为了弥补三者对输入功率和成品率造成的不利影响，提高挤压应力即磨辊压力F成了唯一的办法。所以，在出于机械的原因考虑降低磨辊压力F时，势必带来弱化设备功能的后果。近些年也出现了一些基于辊压机而改造的新产品，辊筒磨就是一例，它是近年来开发并应用于水泥生产的高产、低能耗的新型的卧式辊压机，由于其新工艺巧妙的结合了现有球磨和辊压磨的基本思路，利用不太高的挤压力，使物料一次喂入设备内而实现多次挤压粉磨，从而避免了困扰着现有立磨、辊压机工艺的各种问题。它的优势主要在于为挤压粉磨工艺找到了一条较立磨和辊压机更能充分发挥节能潜力的途径。1995年8月，德国Krupp Polyaius公司生产了世界上最大规格的POLYCOM型辊压机，用于美国塞浦路斯的Sierrita铜矿山25。1998年11月，RPBR16-170/180型辊压机用于智利Los Colorados铁选矿厂的铁矿石破碎流程。法国Fives Lille集团FCB公司与意大利Fratelli Buzzi公司合作，研制了一种新型结构的辊压机，称为Horomill26。1.3.2 辊压机设计和应用中存在的问题通过深入研究国内外有关辊压机的各类资料，发现辊压机在生产应用中主要存在以下几方面的问题：1）辊压机最大的缺点是辊子寿命短、辊面磨损严重27。辊面磨损问题始终困绕着辊压机优越性的发挥，这是由其工作原理决定的：辊压机由两个相向慢速的压辊组成，一只辊子固定，另一只辊子由液压缸提供50300MPa的压力沿水平方向移动，其压力大小直接影响挤压效果和挤压质量。压力过大时，使颗粒间产生“重聚合”现象，造成打散分级困难，并使辊面磨损加剧，辊面的磨损类型属于典型的高应力磨料磨损。在磨料磨损过程中，物料的颗粒在压力作用下，使辊子产生弹性和塑性变形，从而在辊面亚表层不同深处会形成循环压应力和拉应力，当应力超过辊子材料的疲劳强度时，在表面层将引发裂纹，并逐步扩展，使材料断裂剥落，这种现象是疲劳磨损。2）两辊动力非均匀性问题28从理论上来说，两压辊的功耗是相同的，然而在实践中两压辊的功耗不仅是波动的，而且在一般情况下会相差10%左右，严重的达到了30%以上，这不仅降低了粉磨效果,而且严重影响了设备的正常使用及其性能的充分发挥，而造成辊压机两辊动力非均匀性的因素不外乎是：（1）压辊轴孔同轴度误差；（2）联轴器的输入轴与输出轴的同轴度误差；（3）系统结构的非对称性引起两辊不同的动态特性。3）边缘效应问题2931边缘效应造成辊两边的物料粉磨不足。实践证明，产品中的大颗粒基本上都是从辊两边逃逸的。