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针对球磨机的缺点,国内外学者从介质运动规律方面做了大量深入的研究,但由于球磨机工作状态受到转速率、填充率、球料比、磨球直径、介质级配等因素的影响,而且各因素之间存在耦合作用,球磨机的理论研究在很长时间内都没有很大的突破。基于以上原因,本文从实验的角度研究球磨机的磨矿规律,根据得到的规律调节球磨机的工作参数实现节能降耗的目的。论文选取对球磨机工作状态影响最显著的两个因素——转速率和填充率进行磨矿效果的研究。一方面从理论上研究球磨机的介质运动规律,在深入研究介质运动规律和传统的球磨机有用功率计算方法的基础上,提出了考虑磨球直径及其循环次数的球磨机有用功率计算模型。
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球磨机作为一种磨粉设备,被广泛应用在多种行业,并发挥着巨大的作用。球磨机属高能耗设备,如何降低球磨机的能耗,提高球磨机的效率是当前磨粉机的主要研究方向。因此,研制新型球磨机,优化球磨时的关键参数,对球磨机的粉磨效率的提高具有重大的意义。本文研究的对象是章动球磨机,它是一种利用章动原理设计的新型磨机,可用于物料的细磨、超细磨。在章动球磨机处于运行状态时,磨机腔体里面的磨料之间以及磨料与腔体内壁之间会发生强烈的撞击和摩擦,这种运动现象十分复杂。为了优化球磨时的参数,提高章动球磨机的粉磨效率,就需要研究球料在腔体中的运动形态和规律。为了模拟仿真球磨介质在腔体中的运动形态,本文采用ADAMS软件来建立球磨机的虚拟样机,通过研究球磨介质运动形态的途径来优化球磨机的关键设计参数。
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球磨机是矿物加工的关键设备,具有结构简单、紧凑、可靠性高等优点,广泛应用于冶金、化工、陶瓷、水泥、建筑、电力以及国防工业等部门。然而球磨机也存在很大的不足——高能耗和高铁损。针对球磨机的这些不足,国内外学者已经做了大量深入的研究,但由于球磨机工作状态受到转速率、填充率、球料比、磨球直径等众多因素的影响,而且各因素之间存在耦合作用,球磨机的理论研究在很长时间内都没有很大的突破。基于以上原因,本文将正交试验设计的分组试验方法应用到球磨机的工作参数研究中,根据离散元数值模拟仿真得到的数据合理调节球磨机的工作参数来实现提高磨矿效果的目的。本文以Φ600mm×400mm的球磨实验机作为研究对象,采用正交试验设计的分组方法进行分组试验。以球磨实验机的单位质量的功率和单位质量的冲击能量为试验指标；选取转速率、介质填充率、磨球直径和料球比为试验因素；每个因素取三个水平。采用四因素三水平的L9(34)型正交表确定试验分组方案。用离散元软件EDEM建立球磨实验机的离散元模型进行数值模拟仿真,获得球磨实验机磨矿过程中的功率和冲击能量数据。
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球磨机是矿物加工过程进行物料粉碎的关键设备,而球磨机负荷(包括钢球负荷、矿石负荷以及水负荷)是磨矿过程的重要参数,直接关系到磨矿的效率和能耗。目前应用较多的是通过磨机运行时的振动及磨音等信息,采用软测量方法间接获取负荷值,主要实现方式是将这些方法封装进嵌入式仪表或者开发软件工具包。这些做法存在结构性过强,方法固定、复用率低的问题。为了使研究者可以将重心放在软测量算法的研究上,在通用平台的基础上实验研究各种软测量算法,需要具有模块化结构和软测量算法实验功能的球磨机负荷监测软件平台。本文依托863项目课题“自磨／半自磨球磨机负荷监测技术研究”,进行了基于虚拟仪器技术的球磨机负荷监测系统的设计。本文的主要任务是球磨机负荷监测软件平台的设计与开发。
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球磨机作为矿料碎磨的主要设备,广泛的应用在金属矿及非金属矿选矿厂建材、化工、冶金、材料及电力等若干基础行业中,球磨机的磨矿过程是通过磨球对矿料的打击和磨削来实现的,磨球是能量的携带体也是破碎的实施体,因而,磨球的尺寸直接影响着破碎的能量,同时也影响着磨矿的效果。除此之外,整个矿石的磨矿是解离性磨矿,也就是说磨矿的目的是解离矿物,因此,磨球的破碎力也决定着解离矿物程度,即影响最终产品的质量,不仅如此,磨球的尺寸还对球磨机的电耗和球耗有着一定的影响。由此可知,球磨机磨球尺寸影响着整个磨矿过程的各个指标,是研究球磨机运动的重要的要素之一本文引入了离散元分析法对球磨机的磨球尺寸进行的研究,主要采用PFC 3D软件对球磨机进行分析,首先用该软件对实验室球磨机样机进行了建模,并对PFC3D软件模拟结果的有效性进行了验证,其次研究了磨球尺寸对球磨机临界转速的影响,
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文中首先对球磨机的工作原理进行了阐述，研究现有理论，并通过力学分析及公式推导证明介质在理论临界转速下出现的与筒体相对滑动情况；在三维离散单元法软件PFC3D的基础上，建立了球磨机介质运动的三维离散元数值模型。将计算机仿真得到的不同尺寸及介质类型时球磨机的临界转速与之前学者的相关实验数据进行对比，验证了模型的正确性和合理性，指出影响球磨机提升效果的主要因素是磨矿介质的自转及其与筒体之间的相对滑动。除了研究介质离心运动时的状态外，还将模拟得到的不同转速时球磨机内的介质运动形态图并对比试验照片，进一步验证了模型对于模拟介质不同运动状况时的准确性。
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提高球磨机的磨矿效率,可以提高选矿厂的整体经济效益,因此,研究球磨机磨矿效果的影响因素对提高球磨机工作效率、提高选矿厂的生产指标以及节能降耗都具有非常重要的意义。影响球磨机磨矿效率的因素很多,例如：磨机转速、衬板结构、衬板材料、矿料的性质、粉磨介质、介质充填率、料球比、球的配比及磨机结构等等。论文选取介质充填率和料球比这两个因素,通过实验研究和模拟仿真分析它们对磨矿效果的影响。论文首先详细介绍球磨机相关的理论知识,为后面章节的实验研究和模拟仿真提供理论依据,奠定了理论基础。
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本文针对球磨机优化问题进行了系统的研究，对本研究领域的工作进行了较为全面的回顾，并进行了扼要评述。用系统工程观点分析了球磨机粉磨过程稳定、失稳与漂移等状态特性，指出了系统状态与诸因素间的内在联系。运用系统结构模型解析法，对影响系统粉磨过程的主要因素进行了结构关系解析，找出了球磨过程影响因素与其内部参数和外部响应之间的关系，定性的刻划了各因素的相关性并建立了系统结构模型。将系统参变量按类别进行了归纳解析，描述了介质级配及其粉磨作用的量化因子和磨内能量密度等概念，做出系统参变量耦合图，为球磨机这一复杂系统的分析研究提供了清晰的思维模块。
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影响磨矿生产率的因素有很多,例如:转速、衬板型式、衬板材质、被磨矿料的性质、粉磨介质、填充率、球的配比及磨矿机的型式等等。其中衬板是球磨机最易受损部件,使用衬板不仅可以保护筒体,延长设备使用寿命,而且可以通过改变衬板的形状不同来控制钢球在筒体内的运动轨迹。在球磨机类型相同时,球磨机衬板的合理使用直接影响了球磨机的生产能力和球磨机的使用性能。而目前就衬板型式对球磨机有用功的影响及衬板受力这方面的研究并不完善,多数研究只停留在经验及实验上,并没有对其进行过数值模拟仿真。基于这些原因,论文在运用三维离散元单元法的基础上辅助使用三维离散元软件PFC3D对球磨机的介质运动建立了数值模型,通过数值仿真实验对其衬板的型式进行了研究分析。
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对球磨机内介质运动的研究,有利于从磨机的运动入手,找到球磨机合理的介质运动状态,为球磨机工作参数的选择设置提供依据;对球磨机有用功率的研究,则有助于研究其与球磨机工作参数之间的关系以降低球磨机的能量消耗,提高生产效率。但从研究方法上来看,过去多采用的是实验加理论,或实验加生产的研究方法。因为球磨机工作存在诸多因素的影响,在进行理论分析时往往作出了过多的假设,而有些假设条件与实际情况并不完全相符,使得对球磨机的研究工作不够深入。论文以φ1.5×3.0m球磨机为研究对象,利用PFC3D软件,通过离散元数值模拟的方法进行球磨机介质工作参数的研究。
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本文首先在颤振球磨机介质碰撞破碎原理与颗粒破碎机理理论研究的基础上,改进了料层冲击粉碎试验,并论证了它的合理性。然后通过最佳介质碰撞能量范围及破碎率问题的理论研究,论证了利用落球粉碎试验获得的最佳介质碰撞能量(法向)范围和离散元仿真获得的能量耗散率曲线来研究颤振球磨机粉碎性能的可行性。设计制作了料层冲击实验装置,对特定粒度的建筑用砂进行落球粉碎试验,分析得到了最佳介质碰撞能量范围。最后以φ600×900mm试验样机为原型,建立了颤振球磨机离散元模型,通过不同振动幅度和振动频率下的介质运动仿真,获得了所有碰撞的碰撞能量。
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在超细粉碎领域,搅拌磨机利用搅拌棒带动研磨介质,球磨机利用滚筒的运动带动研磨介质。其目的都是为了使介质具有较大的速度,从而产生足够的能量和应力来粉碎物料。而气流粉碎则是直接使物料达到较大的速度甚至超音速,利用颗粒与颗粒之间及颗粒与壁面之间的撞击使颗粒粉碎。在磨机粉碎中,气流粉碎及搅拌磨机主要以CFD软件为主,球磨机主要以DEM软件为主。超细粉碎中,对物料的混合以及物料的粉碎对研究超细粉碎是大有必要的。本文采用离散元软件对搅拌磨机的工作过程进行中,颗粒的混合进行仿真,此外对搅拌磨的工作过程及颗粒之间的力、速度等做了详尽描述。除此之外,建立一个各向同性的颗粒,针对单个颗粒离散元模型进行仿真进行研究。
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球磨机处理能力和排料粒度决定着粉磨生产线的生产效率和技术经济指标。由于球磨机粉磨机理复杂,难以用解析模型描述,而离散元方法为球磨机粉磨机理的研究提供了手段。论文以提高球磨机单位时间的处理能力为目标,优化磨机参数,使用于矿石粉碎的介质冲击能量达到最大。根据磨机工作的特点,选取相应的因素水平,采用试验优化的方法确定试验点,利用离散元软件EDEM建立各个试验点的仿真模型。将累积破碎的理论用于冲击功的计算中,采用极差法对实验结果进行处理,求出能够造成矿石损伤的冲击破碎能量的大小,得出参数的优水平和最优的参数配合。通过本文的研究工作,初步形成了利用离散元和累计破碎理论的球磨机参数优化的方法,对球磨机冲击破碎机理的研究和工程应用提供了参考。
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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。
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本文依据建筑抗震设计规范,分别采用反应谱分析方法和功率谱分析方法,研究了某型号大型球磨机的抗震问题。该型号球磨机制造于国内,使用于澳大利亚,因此该球磨机要符合澳大利亚抗震设计规范,同时也根据中国抗震设计规范对其进行了分析。通过分析球磨机在受到地震激励时的实际情况,得到了其最危险的工况;并在三维软件Pro/e中建立了该球磨机及安装地基的三维几何模型。以中国和澳大利亚抗震设计规范中的反应谱作为激励载荷,使用反应谱分析方法,分别得到了不同设计规范下,球磨机在最危险工况时的加速度响应值。作为对反应谱分析方法的检验,另外采用功率谱法对该球磨机的最危险工况进行了分析。分析结果表明,反应谱法比功率谱法计算的结果值略大。
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论文引入离散单元法对超临速球磨机的磨矿介质运动规律进行研究。文中对超临速球磨机的工作原理、磨矿原理、三维结构组成和磨矿特点进行了阐述；在研究离散单元法和三维离散元软件PFC3D的基础上，对φ1500×1500型超临速球磨机建立了符合超临速工况和条件的数值模型，同时，在没有条件对超临速球磨机试验样机进行相应实验并取得实验数据参照的情况下，通过和传统球磨机试验数据进行对比，验证了模型的正确性和合理性。在1～3倍临界转速下，对模型进行了数值模拟，得到了磨矿介质圆周运动阶段、沿导向板滑落阶段、抛物线冲击矿石阶段的运动轨迹和导向机构的受力情况。
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本文运用基于离散单元的数值模拟方法，对球磨机圆筒内装料的运动状况和需要的驱动功率进行了初步的数值研究。 运用VB良好的交互式开发环境和PFC2D&PFC3D离散元程序本身自带的功能强大的FISH语言和内部函数，采用混合编程技术编制了球磨机专用可视化程序，用户不但能非常方便地输入所要进行数值计算的球磨机参数，而且还能操作界面上相关命令按钮输出能被离散元程序读取的命令流文件，并通过直接调用离散元程序来自动完成整个计算过程和输出相关计算结果。 借助该程序并通过多种方法和途径确定了离散元模型中的摩擦系数、刚度系数和粘性阻尼系数的数值大小，在此基础之上，还对球磨机筒内任选的几个颗粒单元进行了实时轨迹跟踪，分别得到了有格条和无格条下的单元质心运动轨迹图，与传统研究方法中对研磨介质运动的假设条件相比较，发现传统研究方法中存在一定的局限性。
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本文通过对三类的偏心振动球磨机离散元仿真和实验研究,从碰撞次数、磨介滑动摩擦做功、磨介动能、粒度分析等方面对这三种机型作了比较。并在分析仿真和实验结果的基础上,提出了偏心振动球磨机中心刚体的形状优化的初步依据。
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针对球磨机在火电厂应用广泛而对其内部颗粒混合运动的信息了解甚少的现状,采用离散元法直接跟踪球磨机内的每一个颗粒,考虑其所受重力、摩擦力和碰撞阻力的联合作用,建立了颗粒的三维动力学模型,对球磨机中颗粒复杂混合运动的全过程进行了数值模拟,并着重探讨了颗粒大小、颗粒密度及颗粒粒度不均等关键参数对球磨机中颗粒混合运动特性的影响.结果表明,随着球磨机的转动,球磨机内各区域的颗粒均逐渐混合均匀,但球磨机内不同区域颗粒混合的均匀程度不同.相同填充率条件下,小颗粒混合达到均匀的时间较长;相同粒径条件下,密度较大的颗粒其混合达到均匀的时间也较长.颗粒粒度不均时,随着球磨机的转动,颗粒出现分层现象.
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引入离散单元法对超临速球磨机的磨矿介质运动规律进行研究。通过数值模拟,获得了磨矿介质的运动轨迹和平均接触应力。超临速球磨机能有效减少衬板损耗,提高介质的利用率和磨矿效率。
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在以球磨机为主要生产设备的工业过程中,球磨机负荷是与生产效率和能源消耗密切相关的重要指标。针对难以采用常规方法控制球磨机负荷的难题,将多传感器数据融合和案例推理方法相结合,提出了氧化铝生料浆配料过程的球磨机负荷优化控制方法。利用球磨机的振动和电流信号,采用多传感器数据融合方法在线估计出球磨机的负荷状态,在此基础上,采用案例推理方法自动调整进入球磨机的干料总量,从而使球磨机在"最佳负荷状态"下运行。将所提出的优化控制方法进行工业实验,结果表明,球磨机的台时产能得到了较大提高,同时降低了能源消耗并减少了"堵磨"故障次数,取得了良好的经济效益。所提出的方法为化工、冶金和电力等其他行业的球磨机负荷控制提供了重要的参考价值。
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立式预磨机是基于多碎少磨理论的一种新型粉磨设备，它是在传统碎磨工艺中加入一道预磨工序，使进入球磨机的入料粒度达到合适粒度范围。由于立式预磨机能量利用率高、单位能耗少及明显降低球磨机入料粒度等优势，已成为近年来粉磨领域备受关注的前沿领域。但立式预磨机粉磨机理及粉磨过程复杂性均异于常规球磨机，因而该领域具有丰富的理论内涵和广阔的应用前景。
本研究主要是对预磨机结构参数进行优化，以提高粉磨效率。论文采用理论分析、离散元模拟仿真和实验分析相结合的方式开展相关研究。
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对球磨机筒体内介质运动规律进行研究是提高磨矿效率的主要途径,笔者利用三维离散元软件PFC3D对球磨机介质运动进行数值模拟,得到球磨机泻落临界转速率与抛落临界转速率,并与计算结果和高速摄影实验结果进行对比分析。所得结果表明,利用PFC3D进行计算机数值模拟能够准确分析球磨机介质运动形态。笔者将临界转速率划分为泻落和抛落两种。
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