基于CFD-DEM联合仿真的摆式磨机主机分析与优化

作     者：姚志鹏 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卢伟

授予年度：2023年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：摆式磨机 CFD-DEM联合仿真 碾磨效率 响应面优化 磨损分析 

摘      要：R型摆式磨粉机(简称摆式磨机)作为当前粉体加工行业环境下常用的基础设备,其应用价值较高,除了在满足粉体生产方面的基本需求以外,摆式磨机同时具备操作简单、适用广泛、易于维护等优势。在矿业、化工、食品、医药等诸多行业均有应用。但是摆式磨机因为其结构原因,其部件的磨损较难控制,磨辊、回气箱、铲刀等部件极易磨损,一系列原因限制了摆式磨机的进一步发展与应用。铲刀部件作为摆式磨机中影响物料颗粒轨迹的主要部件,其结构与安装参数对于摆式磨机的性能优化起到极为重要的作用。本文采用CFD-DEM(Computational Fluid Dynamics-Discrete element method)联合仿真方法,对物料颗粒轨迹、回气箱内流场与主机内流场进行仿真,通过响应面设计的方法,研究了主要运行参数和结构参数对回气箱磨损与碾磨成品率的影响,同时通过改进铲刀结构,提高了磨辊磨损的均匀性,延长了使用寿命。具体内容如下:1.首先对磨粉设备的国内外现状以及计算机仿真软件的使用现状做了较为详细的论述,从而确定了本文的主要研究内容和技术路线。2.通过分析摆式磨机主机的机械结构及其运动原理,构建了物料颗粒运动模型,并对物料颗粒进行了动力学分析,分析了主轴转速、铲刀角度、碾磨力、啮合角等影响碾磨效率和磨损的因素。依照生产中的运转参数,通过Adams仿真软件进行了刚体动力学仿真。3.利用CFD中Fluent流体仿真软件,分析了摆式磨机回气箱部分与主机部分的内部流场环境,通过调整了回气箱入风口结构尺寸,改善了回气箱及摆式磨机底部流场的环境,使磨机底部流场分布更加均匀。4.通过对摆式磨机主机进行CFD-DEM联合仿真,分别研究了主轴转速、铲刀角度的变化,从碰撞能量频谱、碰撞累计功率能量谱分析了物料颗粒被磨辊磨环捕捉情况,分析了碾磨成品率的变化规律,以及回气箱的磨损问题。5.通过对主轴转速、铲刀角度、入风速度三因素进行响应面仿真试验,研究三因素对碾磨成品率和回气箱的磨损量的影响,并分析了三因素及其交互作用的显著性;获得响应面最优的组合:主轴转速为120 rev/min、铲刀角度为-12°、入风速度为46m/s时,可以得到最大碾磨成品率与最小回气箱磨损量。6.针对摆式磨机主机的磨辊不均匀现象进行了分析,设计了一种分层铲刀,不仅降低了磨辊磨损的不均匀性,同时也提高了磨机的碾磨成品率;并以主轴转速、铲刀高度、二层台高为三因素,以碾磨成品率、磨辊磨损方差总和为优化目标,进行响应面仿真试验,研究三因素对碾磨成品率和磨辊磨损均匀度的影响,并分析了三因素及其交互作用的显著性,在主轴转速为103.17 rev/min、铲刀高度为349.76 mm、二层台高为93.64 mm时,优化结果最优。论文的研究工作,以刚体动力学仿真、CFD-DEM联合仿真与响应面优化方法作为研究手段,为摆式磨机主机的生产效率优化及铲刀部件的结构优化提供了方向与理论基础。