基于离散元方法的大型球磨机工作性能研究

发布时间：2017-04-09 18:06

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【摘要】：球磨机具有破碎比大、稳定性好、适应性强等优点,在矿山、冶金、建筑、化工等行业都有广泛应用。其大型化一直都是实际生产的需要和技术发展的方向。但是,随着球磨机规格的增大,采用传统的理论与实验结合的方法对其磨矿过程进行研究的难度增加。球磨机的满载起动是一个“暂态”过程,较难在实践中获得经验,一直缺乏成熟的结论可供参考。过去人们一直认为球磨机起动过程中的力矩和功率很高,在磨机设计时倾向选择功率较大的电动机,虽然满足了工作要求,但是不具有经济优势。调查显示,要发挥大型球磨机的磨矿效率,必须重视磨机设计、操作等参数的影响。如果磨矿参数选择不当会造成大型球磨机效率的降低,甚至使其无法正常工作。目前对磨矿参数的研究主要以磨机功率为评价指标,不能完全反映球磨机的综合工作性能。 本文用离散元软件EDEM建立了球磨机磨矿的离散元模型,模型中考虑了矿石的影响,力求真实的再现球磨机的运转过程。分析了起动过程中物料运动状态和力矩的动态变化规律,并以磨机稳定运行时的力矩和功率为基准确定了起动过程中对力矩和功率的要求。综合考虑球磨机的比功率、衬板磨损速率和颗粒破碎概率对磨矿参数进行了优化。主要内容如下： (1)了解了离散元方法的计算思想和软件发展现状,介绍了离散元仿真中常用的接触模型,掌握了接触参数、时间步长的确定方法。 (2)对球磨机内的物料运动规律尤其是抛落运动规律进行了研究,计算得出了最佳转速范围并给出了常用球磨机有用功率的计算公式。 (3)对起动过程磨矿动力学进行了研究；建立了含有矿石的大型球磨机的离散元模型,分析了起动过程中物料运动状态和力矩的动态变化规律；结合正交试验方法,基于稳定运转时的力矩和功率,分析了球磨机顺利起动需要的力矩和功率的最大值。与理论计算结果对比表明当物料偏转角度小于休止角时,仿真结果和理论计算结果是比较吻合的,离散元方法能够准确的预测起动过程中力矩的动态变化过程。当起动时间大于3 s时,起动过程中球磨机的最大阻力矩和最大功率都不超过其稳定运转时力矩和功率的2倍。 (4)以球磨机的比功率、颗粒的破碎概率、衬板-物料碰撞消耗的能量所占的比例作为磨机工作性能的评价指标,采用均匀设计方法建立了仿真方案进行仿真,结合回归分析技术对影响磨机工作性能的主要工作参数(转速率、填充率、衬板设计参数)进行了多目标优化。同优化前的结果相比,球磨机的比功率和颗粒的破碎概率都有明显增加,而衬板的磨损速率显著下降；研究结果还表明,填充率对比功率和衬板磨损都有显著影响,是影响磨机工作性能的最重要的因素。 (5)结合Hertz理论和介质运动分析,考虑了球磨机中的冲击磨矿和磨剥磨矿作用,建立了磨矿性能的评价函数,对填充率和转速率进行了优化。优化结果与离散元仿真分析结果比较吻合,进一步验证了离散元模拟结果的可靠性,也说明了离散元模拟的优势。 本文的研究可为大型球磨机的设计提供参考依据,对提高磨矿效率、降低磨机能耗和钢耗具有重要意义。
【关键词】：大型球磨机 离散元 起动 破碎 参数优化
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TD453
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 符号说明11-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 课题研究的目的及意义13-15
• 1.2 国内外研究现状15-19
• 1.2.1 球磨机磨矿理论分析与试验研究15-16
• 1.2.2 离散元方法在球磨机中的应用研究16-19
• 1.3 主要内容19-21
• 第2章 离散元方法的基础理论21-31
• 2.1 离散元方法的概述21-22
• 2.2 离散元软件简介22-23
• 2.3 接触模型23-25
• 2.3.1 Hertz-Mindlin(无滑动)接触模型23-24
• 2.3.2 线性弹簧阻尼模型24
• 2.3.3 Hertz-Mindlin黏结接触模型24-25
• 2.3.4 移动平面接触模型25
• 2.4 接触参数的确定25-26
• 2.4.1 弹性系数的确定25-26
• 2.4.2 阻尼系数的确定26
• 2.4.3 摩擦系数的确定26
• 2.5 接触搜索及判断26-27
• 2.6 时间步长的计算27-29
• 2.6.1 简谐振动方法28
• 2.6.2 瑞利波方法28-29
• 2.7 本章小结29-31
• 第3章 球磨机的介质运动理论及功率计算31-41
• 3.1 球磨机中介质的运动状态31-32
• 3.2 抛落式工作状态下介质的运动方程32-35
• 3.2.1 脱离点的运动方程32-33
• 3.2.2 落回点的运动方程33-34
• 3.2.3 最内层球的最小半径34-35
• 3.3 球磨机的转速理论35-37
• 3.4 球磨机的功率计算37-41
• 3.4.1 泻落运动时球磨机的功率37-38
• 3.4.2 抛落运动时的功率计算38-41
• 第4章 球磨机起动过程的离散元模拟分析41-53
• 4.1 起动过程的磨矿动力学分析41-42
• 4.1.1 物料的偏转阻力矩分析计算41-42
• 4.1.2 筒体加速运动产生的阻力矩42
• 4.2 离散元仿真模型的建立42-44
• 4.2.1 建立筒体模型43
• 4.2.2 离散元模型物料参数的选取43-44
• 4.2.3 根据填充率估算介质和矿料的数量44
• 4.3 起动过程中物料运动状态44-45
• 4.4 球磨机起动力矩45-47
• 4.4.1 离散元预测45-47
• 4.4.2 理论计算结果47
• 4.4.3 仿真结果与理论计算结果对比分析47
• 4.5 不同工况下球磨机起动性能研究47-52
• 4.5.1 确定试验指标48
• 4.5.2 确定试验因素和水平48-49
• 4.5.3 试验方案的设计和试验结果49-51
• 4.5.4 确定试验指标的最大值51
• 4.5.5 确定因素对试验指标的影响程度51-52
• 4.6 本章小结52-53
• 第5章 基于均匀设计方法的球磨机工作参数优化53-65
• 5.1 确定仿真试验方案53-56
• 5.1.1 确定试验考核指标53-54
• 5.1.2 选定试验因素并确定因素水平54-55
• 5.1.3 均匀设计表的选择和试验方案的设计55-56
• 5.2 球磨机的工作性能的离散元仿真分析56-60
• 5.2.1 球磨机内物料运动状态分析56-58
• 5.2.2 比功率的计算58
• 5.2.3 颗粒的破碎概率58-59
• 5.2.4 球磨机中碰撞能量耗散分布59-60
• 5.3 仿真结果分析60-63
• 5.3.1 数值试验结果60
• 5.3.2 初选优化水平组合60
• 5.3.3 回归分析60-63
• 5.4 综合评定确定最优磨矿参数组合63-64
• 5.5 本章小结64-65
• 第6章 球磨机磨矿性能的非线性优化65-71
• 6.1 冲击参数分析65
• 6.2 磨矿性能65-66
• 6.2.1 冲击磨矿66
• 6.2.2 磨剥磨矿性能66
• 6.3 磨矿性能优化的数学模型66-69
• 6.3.1 目标函数66-67
• 6.3.2 设计变量67
• 6.3.3 约束条件67-69
• 6.4 优化结果69-70
• 6.5 本章小结70-71
• 第7章 结论与展望71-73
• 7.1 结论71-72
• 7.2 创新点72
• 7.3 不足与展望72-73
• 参考文献73-77
• 作者简介及其在学期间所取得的研究成果77-79
• 致谢79

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 邓继业;大型半自磨机回转体结构及强度研究[D];吉林大学;2012年

2 畅晓亮;球磨实验机磨矿的离散元数值仿真分析[D];昆明理工大学;2012年

3 邓荣根;基于离散元超细混合及粉碎的仿真[D];华东理工大学;2013年

4 雷强;基于离散元的物料破碎机理研究[D];江西理工大学;2012年

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本文编号：295809