回转筒物料传动功耗的DEM仿真研究

发布时间：2020-06-02 13:38

【摘要】：回转筒是用于颗粒物料混合和热处理的重要过程设备,通常由直流电机进行驱动,电机驱动能力的选择对回转筒设计至关重要。回转筒内物料传动功耗约占电机驱动总功耗的70%-75%,是电机驱动系统设计的重点。此外,在回转筒运行过程中,物料传动功耗随时间的变化直接影响了主机电流的大小,是一个重要的监测量。因此,国内外学者对物料传动过程机理开展了大量研究,并给出了计算传动功耗的经验公式。但是,这些经验公式大多假设物料颗粒尺寸相同且在转筒分布均匀,并用物料质心处的速度代替全部颗粒速度来计算功耗,这与实际情况不全相符,而且这些经验公式也不能预测物料功耗随时间的变化关系。此外,回转筒在安装及运转过程中存在的轴心偏移也会影响物料传动功耗,这也是经验公式没有考虑的因素。随着高性能计算技术的快速发展,离散单元法(DEM)已成为研究回转筒物料运动传输过程的高效仿真工具,能获取物料在颗粒级的速度信息并可视化。因此,本文根据物料传动功耗的研究现状,采用离散单元法构建了回转筒物料传输过程的DEM仿真模型,在此基础上对多尺寸颗粒物料的传动功耗及其影响参数进行了深入的仿真研究。研究成果可以为转筒类过程设备电机驱动系统的设计和安全监测提供理论依据。本文的主要工作内容及结论如下:(1)基于PFC3D软件平台,使用不同尺寸的颗粒来模拟不均匀分布的物料,构建了回转筒物料颗粒系统DEM仿真模型。(2)搭建了回转筒物理实验平台并进行了多组物理实验。通过对比物料的实际图像与仿真图像、实测的物料特征参数(休止角、颗粒接触点数)与仿真获得的特征参数,验证了本文所构建仿真模型的有效性。(3)研究了回转筒物料传动功耗的计算方法,并以轴心偏移、转速、填充率为变化参数进行了18组DEM仿真实验。给出了不同情况下物料传输功耗的变化曲线。(4)采用离散傅里叶分析方法对物料传动功耗曲线的波动规律进行了研究,结果发现,物料传输功耗曲线的周期性是由回转筒轴心偏移引起,且周期的大小与回转筒的转动周期相同;采用线性拟合方法,研究了功耗曲线的峰值、均值、超调量与回转筒的轴心偏移量、转速以及物料填充率之间的定量关系。结果表明,功耗曲线的峰值与轴心偏移量、转速以及物料填充率呈线性关系,但传动功耗的均值仅与回转筒转速和物料填充率相关,受轴心偏移影响较小。此外,功耗曲线的超调量仅受到轴心偏移量变化的影响,当轴心偏移保持恒定时,曲线超调量应基本保持不变。
【图文】：

示意图,回转筒,工业,模型

采矿、化工等多个工业部门，用于颗粒或粉末物料进行混合和热处理，例如水泥、还原铁矿石、激活催化剂和焚烧危险废物等[1-2]，在我国经济建设过程着举足轻重的地位。通常情况下，回转筒由一个大功率的直流电机驱动，并转筒中心轴线旋转运动。在进行生产工作时，筒内物料颗粒随着转筒的旋转及倾斜缓慢移动和混合（图 1.1），并与筒内高温热质（高温烟气、火焰辐筒内壁等）进行热交换，完成一系列预定的物理化学反应。根据生产工艺的，转筒尺寸规格和转速分别可以达到 7m×93m 和 3rpm，筒内温度高达 1200 度产量为 12000 吨/天[3]。对于如此巨大的过程装备，在其设计阶段电机驱动能计算及选择是至关重要的。如果驱动能力偏低，会导致电机长期处于过载状态易造成电机的损坏；相反，如果电机驱动能力过高，又会增加转筒传动系统计成本，还可能降低传动效率[4-5]。因此，物料传动功耗的准确计算及其影响分析对于转筒的设计者和操作者而言是非常重要的。下文将以球磨机和回转例，对转筒类设备物料传动功耗简要说明。

工作现场,球磨机

图 1.2 球磨机工作现场图[9]磨机由进料口、回转装置、传动装置（电动机、传动齿轮口等主要部分组成[10]。待处理原料由进料口进入磨机圆筒被驱动电机施加一个绕水平轴线的回转运动，其内部放有研磨介质（通常为钢球或者砾石）。在生产时，，筒内介质和动被整体抬高，当运动到一定位置后，受重力及离心力共内壁抛落或滚落，通过重力加速度产生的冲击力击碎生产于摩擦力的存在，在物料颗粒不断翻滚混合的过程中，磨断摩擦也是对原料的研磨过程[12]，破碎研磨后的成品由转型的磨机对能量的需求量不同，以冶金工业为例，在其选动（球磨作业等）的电耗占总能量消耗很大的比重。此外磨作业的电耗占全世界总发电量的 3%～4%，其中选矿部
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.9;TK17

【参考文献】