周軍畢業(yè)設(shè)計開題報告【2013-03-25】資料

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué) 生 姓 名：周軍學(xué) 號：0902034316學(xué) 院、系：機械工程與自動化學(xué)院 過程控制系專 業(yè)：過程裝備與控制工程設(shè) 計 題 目：煤粉制樣篩分裝置設(shè)計及粒徑分級研究指導(dǎo)教師:閆宏偉 （副教授） 2013年03月25日畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述一、題目：煤粉制樣篩分裝置設(shè)計及粒徑分級研究二、課題研究的背景和意義 篩分作業(yè)是將松散的混合物料通過單層或多層篩面的篩孔，按照粒度將其分成兩種或若干種不同粒級產(chǎn)品的過程。篩分機械的發(fā)展，經(jīng)歷了固定篩滾軸篩滾筒篩搖動篩共振篩振動篩這樣

2、一個發(fā)展過程。從煤炭加工行業(yè)來說，早在16世紀中葉，英國就有關(guān)于煤炭篩分的相關(guān)文獻。到19世紀下半葉，為了適應(yīng)市場的需求，對商品煤的粒度分級有了更高的要求，因此煤炭篩分分級盛行起來。20世紀40年代出現(xiàn)了最初的圓振動篩，在其基礎(chǔ)上產(chǎn)生了直線振動篩，隨著振動篩的出現(xiàn)，標志著現(xiàn)代篩分技術(shù)進入了一個新的發(fā)展階段12。20世紀50年代又出現(xiàn)了共振篩，興盛了一時又很快衰落，礦物篩分的主力軍還是振動篩。由于振動篩分機處理量大，篩分效率高，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低等優(yōu)勢，在所有篩分設(shè)備中，占有絕對優(yōu)勢，其占有量約為95。目前已廣泛運用于采礦、冶金、煤炭、石油化工、水利電力、輕工、建筑、交通運輸和鐵道等工業(yè)

3、部門中,用以完成各種不同的工藝過程317。全球每年都有數(shù)百億噸的粒狀物料要經(jīng)過篩分處理，僅在我國，每年經(jīng)過篩分作業(yè)處理的煤炭就有十幾億噸。振動篩之前的機型因不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，已逐漸被淘汰，振動篩憑借其較高的篩分效率和較大的生產(chǎn)能力被廣泛使用，并得到了迅速發(fā)展。振動篩在篩分行業(yè)占絕對優(yōu)勢，在實際生產(chǎn)過程中同時受到激振力、物料反作用力以及隔振系統(tǒng)反作用力的影響57，主要結(jié)構(gòu)的零部件長時間承受著惡劣的交變載荷。通過對篩分過程進行深入的理論研究1011，以此為基礎(chǔ)確定篩分機的最佳運動學(xué)參數(shù)1215，尋找提高振動篩使用壽命和工作穩(wěn)定性的措施，使用更合適的分析方法和分析手段對振動設(shè)備進行基于動力學(xué)特

4、性的優(yōu)化設(shè)計824。從而提高篩分效率，降低能耗，延長篩分機，使用壽命，促進篩分機械設(shè)計的改進、優(yōu)化及新型篩分機械的研制9。因此對振動篩的參數(shù)優(yōu)化分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要的意義202122。三、國內(nèi)篩分機的發(fā)展研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢3.1 從篩分機的理論現(xiàn)狀來篩分的方法可分為普通篩分法、薄層篩分法、概率篩分法、厚層篩分法和概率等厚篩分法。振動篩分設(shè)備動力學(xué)研究主要是運用振動理論來進行分析的1920, 包括線性振動和非線性振動兩大類。線性振動篩包括共振篩和遠離共振區(qū)的貫性振動篩兩種篩分設(shè)備。非線性振動理論主要用于大型非線性共振篩, 由于其能耗低以及檢修時需要的空間小等特點, 而具有一定的優(yōu)勢。為保證在一定

5、的篩分效率下篩分機要獲得較高的單位面積處理能力, 很大程度上取決于篩面的運動軌跡16。在篩分機的發(fā)展過程中，篩面的運動的軌跡篩面運動軌跡從一條直線發(fā)展到多種曲線, 從線性演變到非線性,從平面曲線到空間復(fù)雜曲線等，以適應(yīng)各種被篩物料的特性要求。3.2 從篩分機的發(fā)展現(xiàn)狀我國篩分機械的制造開展主要經(jīng)歷了三個階段：仿制階段：新中國解放前后，我國的振動篩分機械主要引進模仿前蘇聯(lián)技術(shù)，仿制蘇聯(lián)設(shè)計制造的TY11型圓振動篩、波蘭的wp1型和wp2型吊式振動篩等。這些篩分機械的仿制成功，即滿足了國內(nèi)的生產(chǎn)需求，也培育了一批技能人員為我國篩分機械的開展奠基了堅實的根底。自行研制階段：從1966年到1980年研

6、制了一批性能優(yōu)良的新型篩分設(shè)備，1500 mm×3000mm重型振動篩及系列，15m2、30m2 共振篩及系列等。這些設(shè)備雖然存在著故障較多、壽命較短的問題，但是它們的研制成功基本上滿足了國內(nèi)需要，標志著我國篩分機走上了獨立發(fā)展的道路。引進、消化、提高階段：進入改革開放的80代，我國經(jīng)濟高速開展，科學(xué)技能以及加工制造精度的不斷進步，振動篩分機械的研發(fā)技術(shù)提高，成功研制了振動概率篩系列、旋轉(zhuǎn)概率篩系列，完成了重型冷熱礦篩系列、弛張篩、螺旋三段篩等的研制，一些關(guān)鍵技術(shù)相應(yīng)突破，尤其是重型，大功率振動電機的問世，更是推進我國振動機械設(shè)備行業(yè)向國際先進行列邁進。3.3 從篩分機的制造現(xiàn)狀振動

7、篩分機械是利用振動的多孔工作面，將顆粒大小不同的混合物料按粒度進行分級，也常用于物料的脫水及清洗物料表面的污泥。它一般安裝在給料設(shè)備的下邊，給料機應(yīng)均勻地供料。振動篩種類繁多，一般有以下幾類。3.3.1 慣性振動篩慣性振動篩是借高速回轉(zhuǎn)著的不平衡重產(chǎn)生離心力使篩箱振動，從而篩面上物料層松散使細粒級通過篩孔排出。近年來由于慣性振動篩性能較好、結(jié)構(gòu)和維護工作都較簡單，在選煤、選礦廠得到推廣應(yīng)用，受到各國重視，尤其是直線振動篩發(fā)展很快。主要包括圓運動振動篩和直線振動篩。（1）圓運動振動篩是利用不平衡重激振器使篩箱振動的篩子，其運動軌跡一般為圓形。圓運動振動篩分為單軸慣性振動篩和自定中心振動篩兩種。單

8、軸慣性振動篩特點是激振器的軸和皮帶輪參與振動，自定中心振動篩優(yōu)點是運轉(zhuǎn)時三角皮帶輪不與篩箱一起振動，故傳動皮帶壽命較長，工作較穩(wěn)定。（2）直線振動篩是靠兩根帶不平衡重的軸作同步異向旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生振動的篩子。其篩面呈水平或傾斜安裝，運動軌跡一般為直線，故稱之為直線振動篩或水平振動篩。由于篩箱運動過程中有較大的加速度，所以特別適合于煤炭的脫水、脫泥、脫介以及物料的分級。3.3.2 共振篩共振篩從50 年代應(yīng)用于煤炭和礦石中，其振動系統(tǒng)是在接近共振區(qū)的條件下工作的，即篩子的工作頻率接近它的自振頻率。它既可用作煤和礦的預(yù)先篩分和最終篩分，也可以脫水、脫泥和脫介。共振篩利用了共振原理，具有下列特點：在共振頻

9、率附近，使用較小的激振力來驅(qū)動較大面積的篩箱；可以節(jié)省傳動系統(tǒng)的功率消耗，并減少軸承等機件的受力；利用了非線性振動系統(tǒng)，篩子的瞬時加速度大，對分級、脫水等作業(yè)有益。但由于其在安裝上要求高，技術(shù)上比較復(fù)雜，共振篩的發(fā)展較緩慢。3.3.3 其它類型的振動篩(1)等厚篩 我國現(xiàn)有的ZD型直線等厚篩系列，有7種基本規(guī)格，總篩分效率一般在85%以上。ZD系列等厚篩適用于需要精確分級的煤炭及類似比重物料的干濕式篩分，處理量較大，篩分深度可至6毫米。(2)研制摩根森篩：瑞典創(chuàng)制的摩根森篩是以概率論為原理的新型篩分機，適合于篩分水分大和難篩分的細粒級物料。它是由一個懸掛在彈簧上的篩箱和一組多層的傾斜篩板以及兩

10、個不平衡重激振器。(3)概率篩分機 概率篩分機通過采用大篩孔、大傾角和多層篩面結(jié)構(gòu)，使物料近似篩分而提高篩機處理能力和干式篩分的深度。(4)電磁振動旋流篩 電磁振動旋流篩是一種結(jié)構(gòu)簡單的高效脫水脫泥設(shè)備。該篩無轉(zhuǎn)動部件，無需潤滑，不需動力，不僅用于選煤廠，還可推廣用作污水處理和選礦廠及其它類似物料的脫水脫泥和分級設(shè)備3。3.4 從篩分機的發(fā)展狀況在目前的發(fā)展過程中有以下幾點是要注意的：一是集成計算機設(shè)計的成果, 包括動力學(xué)分析、參數(shù)計算、強度計算、三維繪圖、模擬裝配和仿真運行等程序14, 形成系統(tǒng)軟件包；利用復(fù)合仿真試驗技術(shù), 深入研究新的篩分理論技術(shù)。二是創(chuàng)造出新型的振動篩分設(shè)備。研究與探討

11、在重力、浮力、離心力、電磁力、振動力復(fù)合作用下的新篩分理論與技術(shù)1325, 研究出適合各種條件各種物料的新型篩分裝置, 以滿足新的生產(chǎn)工藝要求。三是加強環(huán)保理念, 注重振動篩的降噪和防塵設(shè)計與制造, 在節(jié)能、節(jié)水和循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的領(lǐng)域?qū)ふ艺駝雍Y分的新用途和新市場4?？偟膩碚f振動篩呈以下發(fā)展趨勢18：(1)應(yīng)用等厚篩分法：這種篩分法的特點是，不管入料中小于篩孔的顆粒所占百分比如何，在篩分過程中篩上物粒層的厚度保持不變或遞增；而采用普通篩分法時，篩上物料層厚度卻是遞減的。普通篩分法平均單位篩面透篩能力僅是篩面實際透篩能力的25左右。而等厚篩分法，小顆粒和篩面接觸的概率大大增加，平均單位篩面透篩能力約

12、為篩面實際透篩能力的80。(2)向標準化、系列化、通用化發(fā)展：這是便于設(shè)計，組織專業(yè)化生產(chǎn)、保證質(zhì)量和降低成本的途徑。包括篩機品種、振動器、篩框側(cè)板及篩板傳動軸等設(shè)備的三化非常有必要這樣使我國的篩分設(shè)備又好又快發(fā)展6。(3)現(xiàn)代化：包括設(shè)計的現(xiàn)代化和制造的現(xiàn)代化。有限元應(yīng)力分析161923，專門的設(shè)計程序，先進的測試手段已運用到振動篩設(shè)計中來。參考文獻:1 焦紅光振動篩分過程解析北京：煤炭工業(yè)出版社，20082 J. Li, C. Web, S. PandiellaDiscrete particle motion on sieves-a numerical study using the DE

13、M simulationPowder Technology，2001，133：190-2023 郭年琴，匡永江振動篩國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展技術(shù)與裝備，2009，5：26-274 段志善，郭寶良我國振動篩分設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展方向礦山機城，2009，39(4)：1-45 Jolene MilisavljevicMathematical models behavior of vibrating sieved with and without electric motor with imbalanceBelgrade，2000，6：16-186 陸信，張德生，周峰等篩分機械的新發(fā)展2010全國篩分技術(shù)會議

14、論文集，沈陽：中國煤炭加工利用協(xié)會，2011：387 Tomasz Szymanski, Pieter WodzinskiScreening on a screen with a vibrating sievePhysicochemical Problems of Mineral Processing，2003，37：27-368 李文英大型振動篩動力學(xué)分析及動態(tài)設(shè)計博士學(xué)位論文.山西太原：太原理工大學(xué)，20049 王桂鋒振動篩篩分研究及優(yōu)化設(shè)計碩士學(xué)位論文. 福建省泉州市：華僑大學(xué)，200910 趙躍民，劉初升干法篩分理論及應(yīng)用北京：科學(xué)出版社，19991-3411 Gheorghe I.A

15、pplication of sieving process of vibratory screenThe Scientific Bulletin of Valahia University - materials and mechanics，2010，5：157-16012 王翠清，冉隆河影響直線振動篩篩分效果的幾個重要參數(shù)選煤技術(shù),2006,2：13-1513 李小冬，童昕，王桂鋒基于DEM的振動參數(shù)對顆粒篩分分層與透篩的研究礦山機械，2012， 40(5)：83-8914 Dina I. Stoicovici, Miorita Ungureanu, Nicu UngureanuComput

16、er Model For Sieves Vibrations Analysis, Using an Algorithm Based on the False-Position MethodAmerican Journal of Applied Sciences，2009，6(1)：48-5615 王然風(fēng)，曲耀偉，熊詩波基于試驗?zāi)B(tài)分析的整體振動篩動力學(xué)參數(shù)研究選煤技術(shù)，2003，5：18-1916 石秀東,趙魏維,趙加洋振動篩工作參數(shù)對篩分效率影響的有限元分析術(shù)金屬礦山，2012，2：132-13417 焦紅光，布占文，趙繼芬等篩分技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢煤礦機械，2006，27(10)：7-

17、918 張康，耿飛煤炭篩分設(shè)備的發(fā)展趨勢礦山機械，2010，38(24)：11-1319 朱福先, 殷祥超, 馬景槐大型振動篩動力學(xué)有限元簡化模型初探煤礦機械，2009，30(1)：107-10920 李增彬基于虛擬樣機技術(shù)的振動篩動力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計碩士學(xué)位論文.山西太原：太原理工大學(xué)，201021 周磊振動篩分機械的動態(tài)特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究碩士學(xué)位論文. 河南：出版者河南理工大學(xué)，201022 Zhao Yue-min， Liu Chu-sheng，He Xiao-mei and othersDynamic design theory and application of large

18、 vibrating screenProcedia Earth and Planetary Science，2009，1：776-78423 朱維兵基于有限元和試驗?zāi)B(tài)分析的振動篩動力學(xué)參數(shù)研究礦山機械，2007，35 (1)：63-6524 陸金新，劉初升，聶金柱等振動篩分過程中單顆粒的運動特性分析煤礦機械，2007，28(11)：66-6825 趙啦啦顆粒分層過程三維離散元法模擬研物理學(xué)報，2010，59(3)：1870-1876 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：一、本課題研究的主要內(nèi)容本論文通過對振動篩分機結(jié)構(gòu)組成和工作原理進行分析，確定

19、影響篩分效率的主要因素，再進行數(shù)學(xué)建模與振動篩的效率優(yōu)化，最后利用三維軟件對篩分機整體結(jié)構(gòu)構(gòu)進行設(shè)計，并運用ANSYS軟件對重要部件進行詳細分析。本論文的主要內(nèi)容如下：（1）對物料的篩分機構(gòu)行研究； （2）對離散單元法進行研究；（3）分析不同參數(shù)情況下篩分效率與篩面長度之間的關(guān)系；（4）分析不同情況下顆粒的分層與透篩之間的關(guān)系；（5）建立篩分機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，對振動篩的綜合效率進行優(yōu)化；（6）對振動篩的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，建立振動篩的有限元模型并對重要部件進行詳細分析；二、本課題需要解決的問題2.1 振動篩力學(xué)模型的建立要考慮的問題建立力學(xué)模型時將振動系統(tǒng)中的一些次要因素需要忽略，簡化原則歸納如下

20、：(1)質(zhì)量集中：實際振動篩機體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量分散，所以在建立力學(xué)模型時，對于質(zhì)量大的，剛度大的可以簡化為不計彈性的集中質(zhì)量。 (2)剛度集中：振動篩隔振系統(tǒng)剛度較大,但是質(zhì)量較小,而且安裝位置分散，在建立力學(xué)模型時,可以把這一類剛度大!質(zhì)量小的結(jié)構(gòu)視為無質(zhì)量的彈簧剛度。(3)阻尼集中：振動篩系統(tǒng)中阻尼多種多樣,彈簧的材料內(nèi)阻，部件結(jié)合面間的干摩擦,物料滑行時的當(dāng)量阻尼等等，在進行力學(xué)分析時這些可全部簡化為等效線性阻尼。2.2 有限元建模時要考慮的問題：建立的有限元模型的好壞直接關(guān)系到分析結(jié)果的正確性與準確性。但在建模過程中，為減少工作量、縮短計算機計算得時間、減少運算過程對硬件資源的占用，既

21、要對實體做必要的簡化，又要確保簡化不會有過大誤差而導(dǎo)致結(jié)果不可信。所以在劃分單元網(wǎng)格的時候，網(wǎng)格數(shù)量要適量。ANSYS 軟件可以由結(jié)構(gòu)的形狀來智能劃分，構(gòu)件的連接處或者有突變的位置處會自動將網(wǎng)格細化，而在構(gòu)件上不易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置，網(wǎng)格劃分比較稀疏，這樣在確保更加準確的基礎(chǔ)上，減少不必要的單元網(wǎng)格，提高計算效率。三、主要研究手段3.1 離散單元法（DEM）離散元法和有限單元法、邊界單元法都是目前工程中常用的數(shù)值計算方法，但離散元法的基本原理既不同于基于最小總勢能變分原理的有限單元法，也不同于基于Betti互等定理的邊界單元法，而是建立在結(jié)合不同本構(gòu)關(guān)系的牛頓第二運動定律的基礎(chǔ)上。不論是相對于

22、何種單元模型DEM的原理和計算過程都是一樣的，即根據(jù)單元間力的相互作用和牛頓第二運動定律，采用動態(tài)(或靜態(tài))松弛法進行循環(huán)迭代計算，在每個時刻都更新單元的位置，并遍及整個單元集合，通過對系統(tǒng)中的每個單元的微觀運動過程進行跟蹤研究，最終就能夠得到整個系統(tǒng)的宏觀運動規(guī)律。3.2 篩分效率與透篩概率、篩面長度及分層和透篩的關(guān)系研究3.2.1分析研究篩分機的透篩概率理論及顆粒離散元法，透篩概率理論主要有單顆粒透篩概率理論與粒群透篩概率理論，得出篩分機的透篩概率與篩分效率的關(guān)系，并由此得出影響篩分效率的影響因素。3.2.2從振動篩的振動工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)兩方面分析篩面的長度與篩分效率的關(guān)系，振動工藝參數(shù)

23、主要包括振動篩的頻率、振幅、振動方向角及進料量。結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括振動篩的篩面寬度、篩絲直徑、篩孔尺寸和篩面傾斜角。進而得出篩分效率與篩面長度的函數(shù)模型。3.2.3分析分層與透篩的現(xiàn)象，分層與透篩是同時存在的且相互影響的，分層是手段、透篩才是目的。受物料性質(zhì)和篩面的振動參數(shù)等的影響，因此用控制變量法逐一研究不同情況下顆粒的分層與透篩之間的關(guān)系。3.3 篩分數(shù)學(xué)模型的建立通常情況從經(jīng)驗與理論方面入手,得到篩分經(jīng)驗?zāi)Ｐ团c理論模型,而篩分理論模型又包括概率模型與動力學(xué)模型，概率模型又包括單個顆粒透篩概率模型與粒群透篩概率模型。（如圖1）。圖1 篩分數(shù)學(xué)模型的分類3.4 優(yōu)化算法的設(shè)計優(yōu)化設(shè)計是根據(jù)既定

24、的實際情況(如篩分過程)和規(guī)范的各種約束條件(例如結(jié)構(gòu)參數(shù)，振動參數(shù)使用范圍)。提出優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型(目標函數(shù)、約束條件和設(shè)計變量),進行優(yōu)化,最后找到各個參數(shù)的最優(yōu)值或范圍,提高效率。優(yōu)化設(shè)計工作包括以下兩部分內(nèi)容: (1)將設(shè)計問題的實際模型轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型時要合理選取設(shè)計變量,列出目標函數(shù),給出約束條件。目標函數(shù)是設(shè)計問題所要求的優(yōu)化目標與設(shè)計變量之間的函數(shù)關(guān)系式。該部分工作相對來講不是很困難,只要能合理地建立模型即可。 (2)采用適當(dāng)優(yōu)化條件方法,求解數(shù)學(xué)模型?？蓺w結(jié)為在給定條件(例如約束條件)下求目標函數(shù)的極值問題。這一部分工作相對而言要復(fù)雜得多,對于不同層次的優(yōu)化問題需要選用不同的數(shù)值方法。3.5 結(jié)合以上兩點運用SOLIDWORKS、ANSYS軟件進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析。SOLIDWORKS是一個三維的機械設(shè)計軟件。SolidWorks軟件在技術(shù)方面一直保持與國際CAD/CAE/CAM/PDM市場同步。SolidWorks是基于Windows平臺的全參數(shù)化特征造型軟件，它可以十分方便地實現(xiàn)復(fù)雜的三維