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分类号TD453密级 U D C621学校代码10500 硕士学位论文硕士学位论文 （学历教育专业硕士） 题目多辊筒棒磨机结构设计及其应用研究 英文题目Structure Design and Application Research of Multi-roller Rod Mill 学位申请人姓名学位申请人姓名陈陈 骞骞 申请学位学科专业机械工程申请学位学科专业机械工程 指 导 教 师 姓 名指 导 教 师 姓 名 吴春凌、陈水胜吴春凌、陈水胜 二○二○年六月 万方数据 分类号TD453密级 U D C621学校代码10500 硕士学位论文硕士学位论文 题目多辊筒棒磨机结构设计及其应用研究 英文题目Structure Design and Application Research of Multi-roller Rod Mill 研究生姓名（签名） 指导教师姓名（签名）职 称副教授 申请学位学科名称机械工程学科代码085201 论文答辩日期2020.06.12学位授予日期 2020.06.30 学院负责人（签名） 评阅人姓名王明环评阅人姓名陶猛 2020 年 6 月 30 日 万方数据 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名日期2020 年 6 月 15 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名指导教师签名 日期2020 年 6 月 15 日日期2020 年 6 月 15 日 万方数据 湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘要 磨矿作为选矿过程的重要工序，实现了矿石有用成分全部或大部分的单体分 离，满足了选别作业的粒度要求。本文结合工程实际，提出了一种多辊筒棒磨机， 采用基于改进遗传算法的多目标磨矿过程工艺参数优化方法，开展相关实验研究， 本文主要内容包括 1．通过分析选矿粉磨工艺和设备的工艺特点，提出了一种多辊筒棒磨机，结 合工程实际设计了主要结构及参数，并用 SolidWorks 建立三维模型。 2．棒磨机机械性能仿真研究，用 ANSYS Workbench 对该机的研磨筒和拖动 辊进行了有限元分析，结果表明，该机的关键零部件的静力学和动力学性能指标 均能满足磨矿的工况要求，特别是为选取棒磨的转速范围提供了理论依据。 3．磨矿工艺多目标优化研究，通过磨矿过程的多级递阶结构，确定了与磨矿 性能相关的系统变量，通过量纲分析法获得反映磨矿过程特征的相似准数群及其 函数关系，建立多辊筒棒磨机磨矿性能评价模型。然后结合实验记录数据，利用 回归分析法辨识数学模型中的未知参数，建立了表征磨矿性能的系统数学模型。 最后结合实际生产过程中的条件约束，建立了多目标优化模型，利用改进的遗传 算法对多目标优化模型进行了求解，得到 PARETO 解集，并采用 TOPSIS 多目标 决策分析方法，从求解集中选出一组最佳解，即多目标最佳工艺参数组合为比 给料 0.529，给矿粒度-2.046mm，介质填充率 44.28，矿浆浓度 68.7，转速率 8 3.26。 4．实验验证，结合某选矿厂生产情况，选用与本文相似结构的棒磨机，根据 厂家现行的工况参数与本文设定的多目标优化参数进行对比试验，对磨矿性能进 行验证。结果表明优化后，生产转化率提高了 6.17，能源利用率提高了 4.77， 产物的均一性指数增大了 1.237，棒磨机的综合磨矿性能得到改善，提升了磨矿产 物的品质。 结论提出的多辊筒棒磨机结构符合设计要求，基于改进遗传算法的多目标 磨矿工艺参数优化结果，在工程实际应用中，能有效改善多辊筒棒磨机的磨矿性 能，可以满足多批量、多品种、高效率的选矿需求。 关键词关键词多辊筒，棒磨机，结构参数，磨矿性能，多目标优化 万方数据 湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract As an important process in the process of ore dressing,ore grinding realizes the separation of all or most of the monomer of the useful components of ore and satisfies the granularity requirements of the separation operation.Combined with the engineering practice,this paper proposes a multi-roller bar mill,adopts the optimization of multi-objective grinding process parameters based on improved genetic algorithm,and carries out relevant experimental research.The main contents of this paper include 1.Based on the analysis of the process characteristics of the concentrator and the equipment,a multi-roller rod mill was proposed,the main structure and parameters were designed according to the engineering practice,and the 3d model was built with SolidWorks. 2.Simulation study on mechanical perance of bar mill,finite element analysis of grinding barrel and dragging roller of the machine was carried out with ANSYS Workbench,the results showed that the static and dynamic perance inds of the key parts of the machine can meet the requirements of grinding operation,especially the theoretical basis for selecting the speed range of bar mill. 3.Based on the multi-objective optimization research of grinding process,the system variables related to grinding perance are determined through the multi-stage hierarchical structure of grinding process,the similarity criterion groups reflecting the characteristics of grinding process and their functional relations are obtained through dimensional analysis, and the uation model of grinding perance of multi-roller bar mill is established.Then combining with the experimental data, the unknown parameters in the mathematical model were identified by regression analysis, and a systematicmathematicalmodelwasestablishedtocharacterizethegrinding perance.At last combined with the actual production conditions,in the process of multi-objective optimization model is established,using the improved genetic algorithm was used to solve multi-objective optimization model, get the PARETO solution set,and USES the TOPSIS multi-objective decision analysis ,choose a set of optimal solution from the solution concentration,namely multi-objective optimum technological parameters combination isPer feeding 0.529,Feed particle size 2.046 mm,Medium filling rate is 44.28, Pulp concentration of 68.7,the rate of 83.26. 4.Experimentalverificationaccordingtotheproductionsituationofa concentrator,a bar mill with similar structure to this paper was selected,and the grinding perance was verified by comparing the current working condition parameters of the manufacturer with the multi-objective optimization parameters set in this paper.The results showed that after optimization,the production conversion rate increased by 6.17,the energy efficiency increased by 4.77,the homogeneity index of the products increased by 1.237,the comprehensive grinding perance of the bar mill was improved,and the grinding mineral quality was improved. 万方数据 湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 III Conclusionthe proposed multi-roller bar mill structure cons to the design requirements,based on the optimization results of multi-objective grinding process parameters based on the improved genetic algorithm,can effectively improve the grinding perance of multi-roller bar mill in practical engineering applications,can meet the demand of multi-batch, multi-variety, high-efficiency ore dressing. KeywordsMulti-roller,Rod mill,Structural parameters,Grinding perance,M ulti-objective optimization; 万方数据 湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 IV 目录 摘要...........................................................................................................................I Abstract.........................................................................................................................II 目录.........................................................................................................................IV 第 1 章 绪论.................................................................................................................1 1.1 课题研究背景及意义.......................................................................................... 1 1.1.1 课题研究背景..........................................................................................1 1.1.2 课题研究意义..........................................................................................2 1.2 国内外研究现状及发展趋势.............................................................................. 3 1.3 课题来源及研究内容.......................................................................................... 5 1.4 本章小结.............................................................................................................. 6 第 2 章 多辊筒棒磨机参数化设计.................................................................................7 2.1 粉磨工艺流程分析.............................................................................................. 7 2.2 几种典型粉磨设备的对比.................................................................................. 8 2.3 多辊筒棒磨机结构及工作原理分析................................................................ 11 2.4 多辊筒棒磨机参数化设计................................................................................ 13 2.5 本章小结............................................................................................................ 14 第 3 章 多辊筒棒磨机关键部件有限元分析...............................................................15 3.1 有限元分析基本理论........................................................................................ 15 3.1.1 ANSYS Workbench 概述........................................................................15 3.1.2 静强度分析评定标准...........................................................................15 3.2 多辊筒棒磨机关键部件受力分析.................................................................... 16 3.3 基于 ANSYS Workbench 的研磨筒有限元分析................................................ 19 3.3.1 研磨筒的静力学分析............................................................................19 3.3.2 研磨筒的模态分析................................................................................25 3.4 基于 ANSYS Workbench 的拖动辊有限元分析............................................... 29 3.5 本章小结............................................................................................................ 32 第 4 章 多辊筒棒磨机多目标优化设计.......................................................................33 万方数据 湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 V 4.1 多目标优化基本理论........................................................................................ 33 4.1.1 多目标优化............................................................................................33 4.1.2 优劣解距离法TOPSIS.......................................................................35 4.2 多辊筒棒磨机磨矿性能分析............................................................................ 35 4.2.1 磨矿性能影响因素分析........................................................................36 4.2.2 参变量之间关系简化............................................................................38 4.2.3 磨矿性能指标评价模型........................................................................40 4.3 多辊筒棒磨机的多目标优化模型.................................................................... 41 4.3.1 决策变量................................................................................................42 4.3.2 目标函数................................................................................................42 4.3.3 约束条件................................................................................................42 4.4 基于遗传算法的多目标优化仿真................................................................... 44 4.4.1 NSGA-Ⅱ优化算法.................................................................................45 4.4.2 模型求解及结果分析............................................................................45 4.5 实验验证........................................................................................................... 47 4.5.1 实验设计................................................................................................47 4.5.2 实验结果对比分析................................................................................48 4.6 本章小结............................................................................................................ 49 第 5 章 总结与展望.......................................................................................................51 5.1 总结.................................................................................................................... 51 5.2 展望.................................................................................................................... 52 参考文献.........................................................................................................................53 发表论文和参加科研情况说明.....................................................................................56 附录.................................................................................................................................57 致 谢...............................................................................................................................58 万方数据 湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 1.1.1 课题研究背景 随着全球性工业化程度的提高，人们对矿产原料的需求量急剧增加；矿产资 源的大量开发利用也造成冶金、有色、化工、轻工等矿产资源已日趋贫化，尤其 是那些易磨、易选的矿产资源如今已是极度匮乏[1]。而当下矿石原料的品位下降， 矿产原料的处理难度也日趋增大，这就对粉磨设备的性能有了更高的要求。选矿 流程中，为了制定合理的开采方法、采矿计划，保证选矿工作的合理有序进行， 通常需要先分析研究矿石物理技术特性及技术要求，对待开采的矿山取样、磨碎 制成样片，进行选矿试验研究[2]。选矿试验用矿样数量一般很大，需要对多批次、 多个品种的矿料磨至所需粒度，以待进行后续的实验研究，这就对磨矿设备的结 构以及粉磨工艺特征有一定的要求。 同时磨矿设备的能耗也是选矿企业关注的重要经济指标。选矿厂中碎矿和磨 矿的生产投入约占总投资的 60％左右[3]。其中，主要能耗集中在磨矿流程，其成 本达到总成本的 1/3 左右。目前我国矿石的消耗量急剧增加，磨矿生产中的能耗越 来越多，矿石的生产量难以满足需求，因此降低能耗，提高矿料生产的质量和产 量以获得最大效益成为主要目标。在激烈的市场竞争条件下，选矿企业对优化磨 矿作业的要求日趋迫切。 目前，多辊筒棒磨机的结构设计和磨矿工艺参数的优化设计，主要是基于反 复试验得到的数据。通过从业者的经验选出较合适的方案，试制出物理样机或进 行磨矿试验；通过对物理样机或实验方案进行大量的试验验证和数据分析，进行 优化设计或提出改进方案，通过反复改进后形成最终优化设计方案[4-6]。这种传统 的设计方式不仅耗时费力、设计成本高，而且有些试验（如磨矿介质运动参数） 因为检测条件和成本的限制而难以进行。这些基于经验的设计，难以找到结构参 数和工艺参数与磨矿效率之间的内在联系，在样机设计阶段难以发现方案中的缺 陷，因此会无形的增加设计成本。虽然部分企业对磨矿设备的部分技术进行了改 进，但由于缺乏应用实例的参照以及对设备磨矿机理的研究不够深入，改进后效 果仍然不佳；还有部分企业不考虑磨机本身的粉磨效率，只对磨机的辅助设备进 万方数据 湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 行改进，或者只注重粉磨能力的提高而忽略了辅助设备的重要性，导致设备改进 后仍然达不到较好的效果[7]。而且，由于现阶段不同选矿企业在磨矿工艺、设备方 面各有差异，粉磨生产没有统一标准，规范性较差，这些优化设计方案的普适性 也大打折扣。 1.1.2 课题研究意义 多辊筒棒磨机是一种新型的细磨机械设备，以其结构紧凑、传动简单、磨矿 效率高等特点，广泛应用于磨矿、选矿行业。磨矿过程中，棒磨机的主要技术参 数和工况，将影响磨矿效率、能耗、处理量、衬板的磨损率、产物品质、磨矿性 能等磨矿效果评价指标，进而影响选矿厂的经济指标。无论是对于使用者，还是 设计制造以及研究者，高产能、高品质、节能环保的棒磨机是大家一致追求的。 对这些磨矿参数的优化，也将为棒磨机的磨矿工艺，磨机结构设计，介质的选择 和电机的选型等做出指导。 研究表明[8]，对磨矿设备性能的优化，不仅能够在一定程度上减少产品粒度的 波动，提升产物品质，而且还能提高矿石处理量，提升磨矿效率，降低能耗，进 而减少磨矿成本，它将会直接提高企业的总体经济效益。同时，磨矿设备的研发 对磨矿技术的发展起着推动作用，对我国磨矿工艺的发展完善具有重大意义。其 意义具体表现为 （1）提高磨矿效率降低能耗 矿料生产的工艺过程十分复杂，对设备的结构或者工艺参数的优化，在一定 程度上能够弥补复杂生产过程中各环节高度配合要求的弊端，设备结构越简单， 运行越稳定，磨矿的效率也就越高，能耗也越低。因此对磨矿过程的优化，在一 定程度上，提高了磨矿作业的能源利用率，更利于企业向环境友好型发展。 （2）提升产物品质，提高企业竞争力 目前，随着矿料生产技术的进步，磨矿质量标准越来越高，对磨矿设备的性 能要求也越来越高，开发新型设备，提升设备磨矿性能，可以有效地提升产品品 质，进而提高企业的核心竞争力 （3）使磨矿技术更趋成熟 矿料生产工艺及粉磨设备的不断发展改进，推动着粉磨技术的发展。当前高 效率的粉磨设备不停推陈出新，粉磨技术不断地更新迭代，我国对磨矿过程的优 化研究也越加重视，这对粉磨技术的提高以及粉磨工艺地完善具有重大意义。 正是由于这些原因，有关磨矿设备的设计优化研究在国内外一直受到了广泛 万方数据 湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 和高度地重视。使磨矿设备产量更高、产物品质更好、磨矿能耗更低的设计方案 一直是广大学者的不懈追求。由此，对多辊筒棒磨机进行结构设计以及工艺参数 方面的优化设计是一项具有工程实际意义的课题。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 磨矿机的发展最早始于 19 世纪末期,其工作原理实质上是采用河卵石作研磨 介质的砾磨机；与此同时，随着磨矿标准的进一步规范，砾磨机逐渐发展为以磨 球为介质的球磨机；到了 1870 年，人们在球磨机的基础上，设计研发出了以磨棒 为介质的棒磨机，由于棒磨机独有的选择性磨矿优点，使其广泛应用于磨矿、建 筑、冶金等领域；20 世纪初期，由于磨矿工业化进程的提速，粉磨设备有了相应 的发展。1908 年，根据生产需求，人们又创制出不用研磨介质的自磨机。20 世纪 中期，欧美多个国家相继研制出几种立轴式中速磨煤机，包括辊碗磨煤机、辊盘 磨煤机等[9]。由于磨矿物料的特性各不相同，且选矿企业对产品的粒度要求也各有 差异，根据不同需求，人们先后设计出多种粉碎机械，如振动磨、胶体磨、涡轮 粉碎机、气流粉碎机、砂磨机等。这些粉碎机械的出现，不仅提高了粉碎作业的 功效，更促进了磨矿工业的发展和完善。 球、棒磨机因其工艺流程简单，磨矿效率高、投资少成本低等优点，广泛用 于粉磨生产相关领域。棒磨机对矿料的粉碎主要是依靠磨棒的撞击和研磨来实现 的，磨棒首先打击较粗粒级的矿石，然后对粒级较小的物料进行研磨粉碎。当棒 在筒壁的带动下上升时，较粗粒级的矿粒夹杂其中，较细粒级的物料可以通过棒 与棒之间的缝隙掉落，使磨棒起到了棒条筛的作用，有利于先对较粗粒级的矿料 进行研磨，保护较细粒级矿料免于过度粉碎。因此棒磨机具有选择性磨矿的作用， 过粉碎较少，所得产物粒度均匀[10]。 为了不断满足生产的实际需要，目前棒磨机的产品规格有着朝大型化方向发 展的趋势。而常规棒磨机边缘传动结构本身存在许多局限性,且易损件寿命短是目 前我国棒磨机产品的通病，目前国内棒磨机的易损件大部分是用高锰钢制造，材 料比较单一，使用寿命低，只有国外耐磨材料寿命的 1/3 到 1/5，耐磨材料消耗十 分惊人，探索新的传动方式、开发和推广新的耐磨材料以及对设备结构的可靠性 分析，已成为当下研究的重点问题之一。 国内外学者对棒磨机工艺参数的优化研究[11 ～17]集中在棒磨机转速,介质的填 充比例,矿料的填充，衬板的形状、尺寸、数量，介质的尺寸、形状、配比，矿料 颗粒的材料、尺寸、性质，磨矿方法（干磨、湿磨）等参数，且他们的研究主要 万方数据 湖 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 集中在各种控制策略的应用。研究的方法主要是借助电脑 CAE 软件对结构进行有 限元分析优化，或者通过建立数学模型对某一个参数或某几个参数进行优化，以 及反复的试验研究，得到粉磨过程中不同物料与不同机型匹配工作时最合适的工 艺参数。这些方法虽然对磨矿设备的部分技术进行了改进，但由于缺乏实际案例 的参照以及对设备磨矿机理的研究不够深入，改进后效果仍然不佳[18]。同时由于 磨矿过程影响因素的多变性及随机性，使得人们很难建立出描述合适的数学模型， 而且传统的优化方法，对于这类复杂模型的求解也具有较大的局限性。 例如许艺萍提出了棒磨机在预粉磨系统中的改造方案,通过试验结果表明, 改造后的棒磨机系统对水泥增产节能带来了明显的成效,提高了经济效益 [19]。 肖吉跃针对目前棒磨机连续运行率低、泄漏严重、大小齿轮使用周期短、筒 体磨损、衬板螺栓易断、大小齿轮润滑不充分、维修费用高等问题进行分析研究, 提出解决方案,重点阐述棒磨机衬板结构的改造,在湿法磷酸生产中成功改造 [20]。 喻晓基于介质钢棒运动特性，提出了一种降低能耗,提高设备生产效率的设计 方案，结合离散元法和有限元分析的方法对相关设计方案进行了优化,并最终通过 试验，验证了设计的合理性,确定了最优设计方案 [21]。其优化方案单从能耗的角度 出发，仅考虑了介质的运动特性因素，相对于复杂的磨矿过程显然不够，所得的 优化效果也还有提升的空间。 宿德鹏利用有限元法对磨机的电动机转子支架进行了结构上的优化，通过对 磨机转子支架结构中各处焊缝的强度分析，改善结构中应力集中的部件，提高了 直接结构的强度及疲劳寿命[22]。其在结构上的优化值得借鉴，我们在此基础上可 以进行进一步的工艺参数的优化，以达到提升磨矿设备的综合性能的目的。 Kishalay Mitra 介绍了一种应用在磨矿过程中的优化算法[23]，但所用模型为 B S 模型，优化研究过程中矩阵的元素难以准确测定，影响研究结果的可信度。 汤素燕基于线性叠加原理设计优化实验，对棒磨机的工艺参数进行优化[24]。 其优化方法实则为单目标优化问题。而在实际磨矿生产过程中，磨矿目标往往不 只一项，单目标规划模型很难有效表达，并且在很多情况下，磨矿目标之间相
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