双变激振偏心振动磨动力学研究及参数优化

论文总字数：30587字

摘 要

Abstract 2

第一章 绪论 3

1.1 引言 3

1.2 振动磨机概述 3

1.3 国内外研究现状 4

1.4 本文的研究内容与方法 6

第二章 外部动力学分析 7

2.1传统振动磨机的运动分析 7

2.2二级偏心质量块动力学分析 9

2.2.1 动力学建模 9

2.2.2 恒定驱动频率下方程的精确解分析 12

2.3偏心振动磨机六自由度模型的建立 13

2.3.1 六自由度模型的建立 13

2.3.2 弹簧-阻尼受力分析 14

2.3.3 上下质体运动学方程的建立 16

2.3.4 恒频条件下对动力学方程的探讨 18

2.4本章小结 19

第三章 外部动力学试验 20

3.1概述 20

3.2MATLAB数值仿真 20

3.2.1 传统振动磨机仿真实验 20

3.2.2 二级偏心质量块仿真实验 21

3.2.3 双质体振动磨机仿真实验 26

3.3恒频加速度信号处理与分析 28

3.4研磨效果的评判与磨机参数优化方案 32

3.5本章小结 32

第四章 结论与展望 33

4.1主要工作与结论 33

4.2存在的问题与展望 33

致 谢 34

参考文献： 35

附录：MATLAB源程序 36

双变激振偏心振动磨动力学研究及参数优化

摘 要

随着制造业的发展与材料性能研究的进步，粉体制备已经成为一个重要研究课题。偏心振动磨机作为粉体细磨和超细磨最主要的设备，是如今粉体工业最主要的设备之一。但是，如今的偏心振动磨机还存在高耗能、低效率的问题。为了提高磨机研磨效果，需要对磨机进行动力学研究，并提出优化措施。

本文针对二级偏心质量块双质体偏心振动磨机进行了理论分析和试验研究。首先，本文研究了偏心振动磨机的动力源：二级偏心块。传统的振动磨机采用单级偏心质量块，当采用一个电机驱动时，磨机只产生同频率的单频振动，不利于物料的研磨。本文研究了二级偏心质量块的动力学行为，使用牛顿运动定律建立其数学模型，并通过MATLAB仿真得到其运动情况。通过对运动情况的研究，得到了偏心块的位置坐标和离心力，这也为磨机模型的建立奠定了基础。

其次，将偏心质量块的研究结论应用与磨机，建立了偏心振动磨机的力学模型。使用牛顿运动定律，建立了振动磨机六自由度弹簧-质量-阻尼系统的动力学方程。通过对该动力学方程的仿真研究，得到了筒体运动的位移和轨迹。结合振动评价的指标，给出了磨机参数优化的措施。

最后，对试验所得到的加速度信号进行时域、频域分析，通过试验数据和理论分析的比较进一步论证磨机模型的准确性。

关键词：偏心振动磨，动力学研究，MATLAB仿真, 二级偏心质量块，双质体振动磨

A Kinetic Study and Parameter Optimization of Eccentric Vibration Mills with Double Variable Excitation

Abstract

With the development of manufacturing industry and studies on material properties, powder preparation has become a remarkable research topic. Nowadays, as a main equipment of ultrafine powder preparation, eccentric vibration mills is one of the most widely used equipments in powder industry. However, eccentric vibration mills have some disadvantages such as high energy consumption and low efficiency. Due to improve the grinding effect of the mills, the dynamic research needs to be carried on, and the optimum measures should be presented.

In this paper, a theoretical analysis and experimental study of eccentric vibrating mills with multiple eccentric driven masses is conducted. Firstly, as the source of the eccentric vibration mills, the multiple driven masses are studied. The traditional vibration mills use single stage eccentric block, there is a single frequency vibration is generated when using only one motor, which is not conducive to the grinding of materials. The dynamic behavior of the two stage eccentric mass is studied, and its mathematical model is established by Newton's motion law and obtained by MATLAB simulation. Through this research, the position coordinates and the centrifugal force of the eccentric block are obtained, which is the foundation of the mills model.

Secondly, the mechanical model of eccentric vibration mill is established on the basis of eccentric masses study. The dynamic equation of the six DOF spring-mass-damping system of the mills is established by using Newton’s law. The displacement and trajectory of the cylinder are obtained by the simulation of the dynamic equation.

Finally, the acceleration signal obtained by the experiment is to be analyzed in time domain and frequency domain. The accuracy of the model is demonstrated by the compare of experimental data and theoretical analysis.

KEY WORDS: eccentric vibration mills, dynamics research, MATLAB simulation, multiple driven eccentric masses, double masses vibration mill

1. 绪论
   1. 引言

粉体材料（如金刚石微粉等）现已广泛用于机械工业、航天工业、仪器仪表制造、陶瓷材料生产、电子器件、石油冶金、地质勘探、军工等部门，用于对开采到的高硬度矿石原材料（诸如硬质合金陶瓷、光学玻璃、宝石等）进行研磨、抛光。现如今，随着新材料产业飞速发展，新的粉体技术应运而生产生，其他传统产业的技术进步、产品升级对作为原材料的粉体提出了更高的要求。一般来说，现如今的粉体需具有更微细的颗粒、更严格的粒度分布、特定的颗粒形状以及极高的纯度。因此，对粉体制备技术也就有了更高的要求。现今的粉体制备方法主要有两种：机械粉碎法和化学合成法。其中，化学合成法是利用化学反应制备粉体的技术，该方法所需成本高，粉体产量低，生产工艺复杂，一般不适合工业实践；而机械粉碎法是使用机械设备对原材料进行粉碎和研磨的方法，该方法所需成本较低，粉体产量高，生产工艺简单，且在机械粉碎过程中能改良物料特性。因此，在实际生产中，对于绝大多数的非金属矿的粉体制备，均采用机械粉碎法进行粉碎。

振动磨机作为对矿物原材料进行细磨或超细磨较理想的设备之一，是最近发展起来的一种能够高效地细磨和超细磨设备。与其他振动破碎设备相比，振动磨机具有粉碎效率高、能量消耗低、机械结构简单、制造成本低等优点。从机械模型结构上看，振动磨机是一个包含弹性体、离散体、非线性支承的具有无限自由度复杂振动系统，其研磨筒内的研磨介质和物料颗粒组成的研磨介质群的运动状态和规律，在不同的工作条件下具有不同的运动学特性。

因此，只有分析偏心振动磨机系统在不同工作条件下的运动规律和动力学行为，了解离散磨介群的运动状态、弄清离散物料群流动过程中各个受力（剪切力、冲击力、颗粒阻力等）之间相互耦合情况，才能得到振动磨机超细碎磨理论。该理论对于超硬材料、中硬材料等颗粒粉碎极限的降低、能耗的降低、成本的提高，具有重大理论意义和工程运用价值。

• 1. 振动磨机概述

偏心振动磨机是粉体制备的重要机械设备，可以用于进行超硬材料的超细研磨（如对金刚石材料的纳米级研磨），而对于金刚石等超硬材料粉碎的研究对于新材料的开发与研究具有重大的意义。本项目主要针对二级偏心质量块偏心振动磨机进行研究，包括磨机外部动力学建模仿真以及试验研究。对本课题的研究，有助于提高粉体机械的工作效率、降低能耗，具有重大的实际意义。

图1.1(a) 双筒振动磨	图1.1(b) 三筒振动磨	图1.1(c) 偏心振动磨

振动磨机采用电机作为驱动带动偏心质量旋转，产生离心力造成筒体振动。筒体内部的研磨介质和物料在筒体振动下相互冲击，实现物料的研磨。图(1.1)展示了目前最为常用的三种不同类型的振动磨；图(1.2)是本次实验主要研究的偏心振动磨机。

图1.2 实验用到的偏心振动磨

• 1. 国内外研究现状

偏心振动磨机是一种利用振动来进行物料粉碎以及研磨的机械设备。物料破碎是在工矿企业中应用较广的一项工艺，绝大部分开采出的矿物原料都需要经过破碎才能使用。实现物料破碎的振动破碎机有多种形式，其中传统破碎机往往具有较大的局限，如能量耗散高，破碎效果差，机械结构复杂等。而近些年兴起的振动磨克服了传统工艺的缺点，并得到了快速的发展^‎[1]‎[2]。

振动磨机的起源最早可以追溯到1910年德国FASTING公司发明的一种同心圆多室磨，这正是振动磨机的雏形。1949年德国SIEBTE-CHNIK公司完成了真正意义上的第一台振动磨机的制造，这是一台单筒间歇式粉磨机器。在随后的20年里，多筒振动磨机得到快速发展，磨机设备的最大容量也获得大幅提高。在国外对于振动磨的研究过程中，德国作为振动磨机的始祖，于1962年率先推出偏心振动磨机；前苏联倾向于设备的大型化，其有效容积在当时是最大的；日本的磨机技术基于德、美等国，发展迅速，现处于世界领先地位。我国的振动磨机研发始于1965年，首创三筒串联结构，拥有极强的细磨能力。1985年后，我国的振动磨机研究工作得到了突飞猛进的发展，各式各样的振动磨逐步产生，磨机市场结构更加多元化^‎[3]。

经历了半个世纪多的发展后，振动磨的生产能力大幅提高，能耗大幅度降低，设备的可操作性和经济性得到提高，对振动强度和粉磨效率以及两者关系的理解也更加深刻。为追求更高的研磨效果、更低的能量消耗，振动磨的动力学分析和结构优化设计一直是重点研究的课题。其中主要有待优化的参数包括振动强度、振动频率、振幅、填充系数与研磨介质尺寸（级配）、物料装入量及入磨粒度、功率等因素^‎[4]。文献^‎[5]讨论了有关振动强度的理论，提出了振动磨强度取值的最佳经验值，但侧重于定性的经验分析，缺少深入的理论分析与论证，且并未提及这些振动参数与振动磨机参数之间的关系；文献^‎[6]从振动磨的结构出发，建立了振动磨机的多自由度力学模型，得到了其运动方程，并定性分析了各个参数对于磨机运动情况的影响；但是未能给出各个参数的最优值以及提高粉磨效率的具体措施，且没有对筒内动力学进行分析。文献^‎[7]探讨了国内外对振动磨的各种理论研究情况，介绍了当时的主要的力学模型，并指出其中的一些不足之处，但是并未能提出改进措施，没有得到参数优化的途径。1999年，考虑到基于传统振动磨机性能优化设计已经达到极限，德国克劳斯塔尔大学的Gock教授提出了一种新型偏心振动磨机。这种单管偏心振动磨机将产生椭圆振动，并使产量翻倍，功耗减半。文章中对此类磨机的运动学特性进行了分析，并介绍了其模块化设计方法，以及通过其力学模型研究其最佳尺寸参数的选择。但由于这是一种新型的磨机，其中的研究成果并不是十分成熟^‎[8]。于此同时，西安理工大学的郭天德教授在文献^‎[9]中总结了当时振动磨机的发展现状，归纳了提高研磨效率的各种途径及相关理论，并提出了关于振动磨机发展的一些新问题与心思考，但并未对这些问题具体的进行进一步的研究。

除了对于筒外振动的研究外，更多的学者将目光集中在筒内的力学模型，通过分析筒内物料与研磨介质的相互作用关系，提出优化和改进的方法。文献^‎[10]着眼于振动磨腔内介质群的运动规律，建立了筒内介质层的运动方程并进行了仿真实验；同时针对单轴式单质体惯性振动磨机，建立了其外部动力学模型，并与内部力学模型相综合，对磨机振动的特性进行了定性分析，并提出了一些优化的方案。但是该文献建立的外部力学模型不具有一般性，且缺少对模型的解缺少定量分析，没有提出具体的优化措施；文献^‎[11]使用离散单元法，对筒内物料以及研磨介质建立了三维离散元素模型并进行了数值仿真，并针对几种金属氧化物材料进行了实验验证，提出了评判研磨效率的放大函数及其影响因素。文献‎^[12]立足于黄金回收时的超细磨过程，对于超硬材料的超细磨具有一定的借鉴意义，但侧重于实验以及黄金回收过程本身以及其中的化学过程，对于模型建立及优化设计没有做过多的探讨。文献‎^[13]比较了搅拌介质磨和振动磨，探讨对恒定的能量输入时依赖于单位应力数目、比能量交换的最佳的相关细度，并由此确定磨机填料最佳的应力数目的绝对数量，从而提出了一种判定输入能量是不足以完成粉碎还是太高的手段，并通过实验进一步发现现有的偏心振动磨机工作在低于此最佳值的条件之下，但并未谈及解决的办法以及由此带来的影响。文献‎^[14]应用虚拟振动磨机以及参数化设计，获得了磨筒内研磨介质的冲击特性、力学特性与磨机动力学、工艺参数的关联，进而确定振动磨动力学参数、结构参数、工艺参数、性能控制及品质控制等方法。但文献侧重于介绍虚拟样机的应用，并没有深入的针对特定的一类磨机进行研究。

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