基于离散元的分级破碎机给料方式对双齿辊破碎性能影响的研究.pdf

I I l l11 1 I I II II III II II I I Y 3 7 12 5 4 7 作者姓名李志强 学科专业矿物加工工程 导师姓名杨康研究员 王保强研究员 完成时间二。二。年五月十五日 煤炭科学研究总院研究生院 G r a d u a t eS c h o o Io fC h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e 万方数据 l I l lI l l U l h U l l l l l l l l I I I I I l l l l l l l l l l I Y 3 7 12 5 4 7 煤炭科学研究总院 硕士学位论文 基于离散元的分级破碎机给料方 式对双齿辊破碎性能影响的研究 作者姓名李志强 学科专业 导师姓名 完成时间 矿物加工工程 杨康研究员 王保强研究员 二。二。年五月 万方数据 C h i n aC o a lR e s e a r c hIn s t i t u t e Ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r 。Sd e g r e e S t u d y o nt h ee f f e c to f f e e d i n g m o d eo fd i s c r e t ee l e m e n t b a s e ds i e v in gc r u s h e r o n c r u s h in gp e r f o r m a n c eo f d o u b l e - t o o t hr o l l e r A u t h o r ’SN a m e s p e c i a li t y S u p e r v i s o r F i n i s h e dt i m e “ Z h i q i a n gL i M i n e r a lP r o c e s s i n gE n g i n e e r i n g P r o f ．K a n gY a n g P r o f ．B a o q i a n gW a n g A p r i l ，2 0 2 0 万方数据 中图分类号 U D C 学校代码 密 8 3 3 0 1 煤炭科学研究总院 硕 t z - 学l X t 论文 基于离散元的分级破碎机给料方式对双齿 辊破碎性能影响的研究 S t u d y o nt h ee f f e c to f f e e d i n gm o d e o f d i s c r e t ee l e m e n tb a s e ds i e v i n gc r u s h e ro n c r u s h i n gp e r f o r m a n c e o fd o u b l e - - t o o t hr o l l e r 导 答辩委员会主席贾晓鸣论文答辩日期 至Q 2 Q Q 墨】墨 二。二。年五月 万方数据 b 爆岌烈学研究届院 煤炭科学研究总院学位论文原创声明 本人郑重声明此处所提交的学位论文基于离散元的分级破碎机给料方式对双齿辊破碎 性能影响的研究，是本人在导师指导下，在煤炭科学研究总院攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声 明的法律结果将完全由本人承担。 作者样孝弛吼勘如年岁月f 蓼日 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 基于离散元的分级破碎机给料方式对双齿辊破碎性能影响的研究系本人在煤炭科学 研究总院攻读学位期间在导师指导下完成的学位论文．本论文的研究成果归煤炭科学研究总 院所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解煤炭科学研究总院关 于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本， 允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入Ⅸ中国优秀博硕士学位论文全文数据库和编 入中国知识资源总库。本人授权煤炭科学研究总院，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 请在以下相应方框内打“／” ； 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密∥ 作者签名孝么’ 日期批年J 月7 留日 翩摊彤呼嘲。一删日 万方数据 摘要 摘要 上世纪6 0 年代，大型矿山机械设备自移式破碎站已经逐渐发展起来，在自 移式破碎站中，分级破碎机是其主要的核心设备之一。在分级破碎机双齿辊的设 计研发当中，更多的关注点在于考虑材料和强度等因素对齿辊寿命的影响，常常 会忽略因给料方式的不同对齿辊造成的冲击以及磨损。分级破碎机的研发与优化 需要大量实验数据为支撑，但由于缺乏有效的研究手段和检测设备，实体研发周 期性长、耗费大，而且时效性低。 论文以S S C l l 5 0 型分级破碎机为研究背景，运用离散元法与响应曲面法相 结合的仿真模拟方式，研究分级破碎机在不同的给料高度 A 、给料速度 B 、 落料位置 C 以及齿辊转速 D 工况下的工作过程对分级破碎机双齿辊破碎 性能的影响，分析了给料方式和齿辊转速的不同组合对分级破碎机双齿辊破碎齿 磨损 M A X 与等效应力 M A X 的影响规律，为分级破碎机双齿辊的优化设 计和现场应用提供参考依据。本文主要解决的问题和研究结论 1 仿真结果表明，破碎齿的输入载荷位置在破碎齿前破碎刃的中上部， 前破碎刃根部在物料载荷作用下，等效应力呈非均匀分布。破碎齿位移主要发生 部位分别在破碎齿顶面破碎刃、齿尖前面、前破碎刃顶部。其中，破碎齿顶面破 碎刃和前破碎刃顶部位移情况较为明显。破碎齿顶面破碎刃和前破碎刃顶部的最 大位移为0 ．0 0 0 4 9 5 m m ，发生的位移很小，说明该破碎齿的材料性能较好，结构 设计较为合理。破碎齿切向能量累积主要分布在破碎齿齿尖顶面，靠近破碎齿前 面。破碎齿的法向能量累积主要分布在破碎齿的侧面，且分布呈非均匀。 2 利用响应曲面法分析发现，给料高度对分级破碎机双齿辊的磨损 M A X 影响较为显著，各影响因素对磨损 ㈣ 影响的显著性顺序为依次为A B D C ， 各影响因素交互作用的显著性顺序依次是B D A B C D A D B C A C ；给料速度 对分级破碎机双齿辊的等效应力 M A X 影响极为显著，各影响因素交互作用 的显著性顺序依次是B D A C ，各影响因素交互作用的显著性顺序依次是 万方数据 摘要 A D A B A C C D B D B C 。 3 建立了磨损 M A X 、等效应力 ㈣ 与各影响因素之间的拟合回 归方程模型，并利用响应面分析软件的愿望函数对磨损 M A X 、等效应力 M A X 进行了最优值预测。愿望函数优化给出的降低磨损、减小等效应力最佳组合分别 为给料高度为1 ．7 7m 、给料速度为4 ．1 2m ／s 、齿辊转速为7 9 ．6 8r ／m i n 、落料位 置为0 ．6 7 7m ；给料高度为2 ．17m 、给料速度为4 ．31m ／s 、齿辊转速为6 6 ．8 0r ／m i n 、 落料位置为1 ．0 2 91 3 3 。 关键词分级破碎机；双齿辊给料方式；离散元法；响应面法；破碎性能； 万方数据 A b s t r a c t A B S T R A C T I nt h e19 6 0 s ，t h es e l f - m o v i n gc r u s h i n gs t a t i o no fl a r g e s c a l em i n i n gm a c h i n e r y e q u i p m e n th a sb e e ng r a d u a l l yd e v e l o p e d ．I nt h es e l f - m o v i n gc r u s h i n gs t a t i o n ，t h e s i e v i n gc r u s h e ri so n eo f i t sm a i nc o r ee q u i p m e n t ．I nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f t w o - t o o t hr o l l e ro fs i e v i n gc r u s h e r ，m o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ot h ei n f l u e n c eo fm a t e r i a l a n ds t r e n g t ho nt h es e r v i c el i r eo ft h et o o 也r o l l e r , T h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta n d o p t i m i z a t i o no fs i e v i n gc r u s h e rn e e dal o to fe x p e r i m e n t a ld a t at os u p p o r t ，b u td u e t o t h el a c ko fe f f e c t i v er e s e a r c hm e a n sa n dd e t e c t i o ne q u i p m e n t ，t h ee n t i t yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tc y c l ei sl o n g , t h ec o s ti sl a r g e ，a n dt h et i m e l i n e s Si sl o w ． P a p e rt y p eS S C 115 0g r a d e dc r u s h e ra sr e s e a r c hb a c k g r o u n d , u s i n gt h ed i s c r e t e e l e m e n tm e t h o da n ds i m u l a t i o nm e t h o do fr e s p o n s es u r f a c em e t h o d , t h eg r a d e d c r u s h e ri nd i f f e r e n tf e e d i n gh e i g h t A ，f e e d i n gs p e e d B ，f e e d i n gp o s i t i o n C a n d g e a rr o l ls p e e d D ，a n do t h e rc o n d i t i o n so ft h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ee f f e c to nt h e p r o p e r t i e so fg r a d e dc r u s h e rd o u b l et o o t h e dr o l lb r e a k a g e ，f e e d i n gm o d ei sa n a l y z e d a n dd i f f e r e n tc o m b i n a t i o no fg r a d e dc r u s h e rt o o t h e dr o l l e rb r o k e nt o o t hw e a r M A X ， t h ee q u i v a l e n ts t r e s s M A X e f f e c t s ，t h eg r a d e dc r u s h e ro p t i m i z a t i o nd e s i g no fd o u b l e t o o t h e dr o l la n dp r o v i d er e f e r e n c ef o rf i e l da p p l i c a t i o n ．T h em a i np r o b l e m sa n d r e s e a r c hc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ． 1 S i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n p u tl o a dp o s i t i o no ft h ec r u s h i n gt o o t hi s i nt h em i d d l ea n du p p e rp a r to ft h ec r u s h i n ge d g eb e f o r et h ec r u s h i n gt o o t h ，a n dt h e e q u i v a l e n ts t r e s sa tt h er o o to ft h ef r o n tc r u s h i n ge d g ei sn o n - u n i f o r mu n d e r t h ea c t i o n o fm a t e r i a ll o a d ．T h ed i s p l a c e m e n to fb r o k e nt e e t hm a i n l yO c c u r sa tt h et o po fb r o k e n t e e t h ，i nf r o n to ft h et i pa n da tt h et o po ft h ef r o n te d g e ．A m o n gt h e m ，t h et o p d i s p l a c e m e n to ft h ec r u s h i n ge d g ea n d t h et o pd i s p l a c e m e n to ft h ef r o n tc r u s h i n ge d g e a l em o r eo b v i o u s ．T h em a x i m u md i s p l a c e m e n to ft h ec r u s h i n ge d g ea n dt h et o po ft h e f r o n tc r u s h i n ge d g eo nt h et o po ft h ec r u s h i n gt o o t hs u r f a c ei s0 ．0 0 0 4 9 5 m m ，a n dt h e d i s p l a c e m e n ti sv e r ys m a l l ，i n d i c a t i n gt h a tt h em a t e r i a lp e r f o r m a n c eo ft h ec r u s h i n g t o o t hi sg o o da n dt h es t r u c t u r ed e s i g n i sr e a s o n a b l e ．T h et a n g e n t i a l e n e r g y a c c u m u l a t i o no ft h eb r o k e nt e e t hi sm a i n l yd i s t r i b u t e do nt h ec u s po ft h eb r o k e nt e e t h n e a rt h ef r o n to ft h eb r o k e nt e e t h ．T h en o r m a le n e r g ya c c u m u l a t i o no ft h eb r o k e n t e e t hi sm a i n l yd i s t r i b u t e do nt h es i d eo ft h eb r o k e nt e e t h ，a n dt h ed i s t r i b u t i o ni s n o n - u n i f o r m ． 1 万方数据 2 R e s p o n s es u r f a c ea n a l y s i s s h o w st h a tt h ef e e dh e i g h th a sAs i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo nt 1 1 ew e a r M A X o ft h et w o - t o o t hr o l l e ro ft h es i e v i n gc r u s h e r T h e s i g n i f i c a n to r d e ro f t h ei n f l u e n c eo fe a c hf a c t o ro nt h ew e a r M A X i sA B D C ，a n d t h es i g r d 丘c a n to r d e ro ft h ei n t e r a c t i o no fe a c hf a c t o ri sB D A B C D 州① B C A C T 】1 ef e e m I l gs p e e dh a sAs i g n i f i c a n te f f e c to nt h ee q u i v a l e n ts t r e s s M A X o f 也e d o u b l e t e e t l lr 0 1 1 e ro ft h es i e v i n gc r u s h e r ．T h es i g n i f i c a n t o r d e ro ft h ei n t e r a c t i o no f t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r si sB D A C ，a n dt h es i g n i f i c a n to r d e ro f t h ei n t e r a c t i o no ft h e i n f l u e n c i n gf a c t o r si sA D A B A C C D B D B C ． 3 T h ef i t t i n gr e g r e s s i o ne q u a t i o n m o d e lb e t w e e nt h ew e a r M A X ，t h e e q u i v a l e n ts t r e s s M A X a n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sW a se s t a b l i s h e d ，a n dt h eo p t i m a l v a l u eo fw e a r M A X a n dt h ee q u i v a l e n ts t r e s s M A X W a sp r e d i c t e db yt h ew i s h 丘m c t i o no ft h er e s p o n s es u r f a c ea n a l y s i ss o f t w a r e ．T h eo p t i m a lc o m b i n a t i o n o f r e d Ⅶc i n gw e a l “ a n dr e d u c i n ge q u i v a l e n ts t r e s sg i v e nb y t h ew i s hf u n c t i o no p t i m i z a t i o n i sa sf o U o w s t h ef e e dh e i g h ti s1 ．7 7 m ，t h ef e e ds p e e d i s4 ．12 m ／s ，t h eg e a rr o l ls p e e d i s7 9 ．6 8 r ／血n ，a n dt h eb l a n k i n gp o s i t i o ni s0 ．6 7 7 m ．F e e dh e i g h ti s2 ．17 m ，f e e ds p e e d i s4 ．31m ／s ．g e a rr o l ls p e e di s6 6 ．8 0 r ／m i n ，b l a n k i n gp o s i t i o n i s1 ．0 2 9 m ． K e y W o r d s s i e v i n gc r u s h e r ；d o u b l e t o o t h e dr o l l ；f e e d i n gm o d e ；d i s c r e t ee l e m e n t m e t h o d ；r e s p o n s es u r f a c em e t h o d ；c r u s h i n gp r o p e r t y 万方数据 目录 目录 1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 选题背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．2 选题意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．2 国内外研究现状及文献综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．2 ．1 分级破碎机发展历程及研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 离散元法的发展历程及研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 论文研究目标与内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1 研究目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．3 ．2 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 离散元法的理论背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 离散建模方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 离散单元法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．3 粒子的运动与形状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．4 力和接触力模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．5 接触检测算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 2 ．6 材料的真实表现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．7 材料的行为模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 仿真建模与响应曲面实验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一13 3 ．1 双齿辊模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 3 ．2 物料颗粒模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．2 ．1 创建模型颗粒群⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．2 ．2 设计破碎小颗粒填充⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．2 ．3 输出颗粒坐标信息并规整⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 V 万方数据 目录 3 ．2 ．4 按照格式编辑文件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．3 响应面优化与实验模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．3 ．1 响应面优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．3 ．2 试验模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．4 基于响应面的模拟实验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．4 ．1 评价指标及因素水平的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．4 ．2 模拟实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 分级破碎机给料方式仿真过程研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 4 ．1 接触模型的设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．1 ．1 接触模型分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．1 ．2 磨损接触理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．2 材料属性和材料间作用参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．2 ．1 材料属性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．2 ．2 材料间作用参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．3 三维模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．3 ．1 模型的三维建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 4 ．3 ．2 模型运动规则设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．4 物料颗粒参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．4 ．1 颗粒参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．4 ．2 颗粒工厂设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．5 开始可视化仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．5 ．1 仿真设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．5 ．2 仿真开始⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 分级破碎机齿辊强度和磨损分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 5 ．1 物料运动方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 5 ．2 离散元与有限元联合建模过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 5 ．2 ．1 提取载荷并建立数据传动⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 V I 万方数据 目录 5 ．2 ．2 施加载荷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 5 ．2 ．3 划分网格和添加约束⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 5 ．3 等效应力和位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．3 ．1 等效应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．3 ．2 位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．4 齿辊磨损分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 2 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 6 基于响应面的齿辊强度和磨损分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 6 ．1 模拟实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 6 ．2 响应模型选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 6 ．3 方差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 6 ．4 建立模型与最优值预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 6 ．4 ．1 建立模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 6 ．4 ．2 最优值预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 7 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 7 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 V 万方数据 1 ．绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景及意义 1 ．1 ．1 选题背景 据统计，露天开采量已占全世界矿石总产量的8 0 ％以上。在我国，石灰石、 铁矿石、有色金属、煤炭分别占矿产露天开采总产量的1 0 0 ％、9 0 ％、6 3 ％、4 ．6 ％n ’2 1 。 面对现有煤矿改造升级及大型煤矿数量急剧增加的现实需求，国内现有破碎设备 的发展速度和水平明显滞后∞1 。近年来，国内煤炭露天开采比例逐步增加，目前 我国煤炭开采量的1 5 ％左右为露天煤矿开采H 1 ，产能规模达到世界前列。 二十世纪二十年代末，半连续开采工艺首先在美国出现。从此，露天矿山半 连续开采工艺形式也逐渐多样化，并在世界各地开始推广应用∞。1 。到了二十世 纪六十年代，大型矿山机械设备，自移式破碎站已经逐渐发展起来，可随挖掘进 程而移动，灵活性好，可靠性高，主要进行矿山现场大块物料的破碎工作，并能 在各种恶劣环境下运行。其结构包括双齿辊破碎机、受料斗、板式给料机、底架 梁和车架以及履带行走装置等，功能齐全。自移式破碎站是整个半连续开采工艺 的核心设备，半连续开采工艺中间断接受单斗卸载的大块物料环节和物料连续输 送环节的转载环节聃1 。 在新一代自移式破碎站中，双齿辊破碎机是其核心设备之一∞1 。半固定式破 碎机技术是半连续开采工艺中较为成熟的技术，与其相比，自移式破碎站在破碎 机技术方面还不够完善，主要原因在于其设计理念未形成系统，设计与改进对工 程实践经验依赖程度较大；仍需要在实际工作中检验与破碎站其它环节的匹配性； 各类故障在工程实际应用过程中经常出现，需要进一步加强研发设计工作n p l l l 。 目前我国自主生产的分级破碎机，处理能力小。因此在“十二五”期间开展 大型分级破碎设备的研制，使其达到国际先进水平，满足我国建设大型、高效化 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 矿井的需要，实现煤炭工业节能降耗，进一步推动我国煤炭清洁高效利用、发展 循环经济，具有重要的现实意义。 在分级破碎机齿辊的设计研发当中，研发人员更多的关注点在于考虑材料和 强度等因素对齿辊寿命的影响，常常会忽略因给料高度、速度等给料方式的不同 对齿辊造成的冲击以及磨损。同时，在实际的工况当中，给料的高度、速度等给 料方式的设置也不会过多的考虑物料对齿辊的冲击及磨损。所以，探索出适合一 种破碎机齿辊的给料高度、速度等给料方式的组合也成为影响破碎机齿辊使用寿 命的关键因素之一。 1 ．1 ．2 选题意义 大型矿山机械设备需要在大量的实验数据基础上进行研发与优化n 别，而且矿 山机械设备的研发费钱、费力，时效性低。在理论模型和实验研究的沟通桥梁中， 数值模拟方法是较好的选择。数值模拟方法不但能够准确实时的从整个试样模型 内提供其微观信息，而且能充分接近的模拟物料与实际物料的指标参数，保证了 数值模拟实验可靠性n 引。散料分析常用的工程应用仿真软件是建立在离散元法上 的，其功能包括分析、仿真和观察粒子流的运动规律，能将大型矿山机械的开发 成本和时间有效减少n 4 。1 7 | 。 设备在分析运行结果、改进设计和优化时，如若无可靠的理论研究来观察分 析颗粒运动行为的，可采用离散元法进行模拟；大规模试验费钱、费力，误差较大， 采用离散元法模拟，可以替代替代部分实验最重要的是离散元法模拟，可以得 到实验较难测得的数据，进一步改进现有理论，更好服务实际生产，解决实际问题。 本文应用离散元法对一种双齿辊破碎机在不同给料方式工况下的工作过程 进行仿真模拟，探究齿辊的磨损规律。同时，基于离散元与有限元联合的方法对 双齿辊破碎机齿辊的应力和位移情况进行研究，得出相应的应力分布及位移数据， 为分级破碎机双齿辊的优化设计、现场应用提供理论参考。 万方数据 1 ．绪论 1 ．2 国内外研究现状及文献综述 1 ．2 ．1 分级破碎机发展历程及研究现状 针对破碎设备，西方大部分的工业强国，将大量的财力、物力等投入到破碎 设备的研究，因此破碎设备在这些国家得到了较早的发展n 8 ’2 0 | 。其中，就煤炭行 业而言，有英国M M D 公司、美国P E T T I B O N E 公司、M C L 州A H A N 公司、 R E X N O R D 公司、M O U T A I N E E R 公司、德国K R U P P 公司、澳大利亚A B O H 工 程公司等，这些公司在破碎设备中居于世界前列的方面有破碎比优化、能耗降低、 过粉碎控制等乜1 J 。其中，英国的矿山机械公司M M D 、澳大利亚矿山机械公司 F L S 生产的破碎设备应用较广，其破碎设备先进的方面在于双齿辊破碎机理论、 研制与制造。M M D 公司产品种类齐全，适用范围较广，能满足不同生产能力、 不同粒度要求等客户的需求，而且其制造精良，结构新颖，深受各大露天矿山开 采公司青睐乜引。F L S 公司生产的双齿辊破碎机通过齿辊低转速、特定齿型结构， 获得对应的剪切扭矩和产品粒度，齿辊转速在1 5 ～5 0 r p m 之间。物料过粉碎率小， 工作产生的噪声小，在使用寿命上有一定的优势；该公司生产的破碎机分布为一 到四级破碎，生产能力最大可达1 2 0 0 0t ／h 。 2 0 世纪8 0 年代末，我国千万吨级露天煤矿接连开发，对大型破碎设备的需 求进一步增强。此时，主要开采设备均需从国外引进，其中就包括价格昂贵的破 碎站，且维修保养费用高。实现破碎装置国产化，降低开采成本，成为我国研究 人员急需解决的问题。其中，包括中信重工机械股份有限公司、北方重工集团有 限公司、山东莱芜煤矿机械厂等企业及相关设计院，通过引进国外先进机型到消 化吸收，再到研发创新。 中信重工的2 P G C ．1 3 7 0 双齿辊破碎机，在排料体积、入料体积、物料堆积 密度等参数设计方面进行了研究创新，产品应用于新疆露天煤矿；北方重工通过 现场破碎物料的实际情况，提出了影响双齿辊破碎机生产能力的关键因素为物料 松散度，总结出剥离物、煤、矿石等不同物料的修正系数㈨原兖州煤矿设计院 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 设计出4 P G C ．3 8 0 ／3 5 0 x 1 0 0 0 型齿辊式破碎机，可根据具体情况调整齿辊间距； 煤炭科学研究总院唐山分院研制出2 P L 系列破碎机，该类型破碎机采用全新技 术，可严格控制