大型球磨机多体冲击摩擦耦合行为研究

球磨机是物料破碎的关键设备，广泛应用于矿山、冶金、建材、制药等行业，也是上述行业耗电量最大的设备，其耗电量约占选矿厂整体用电的40%-50%，耗电总量约占全国发电总量的2%；此外，磨矿过程中存在着磨矿效率低、钢球消耗量大、衬板磨损失效等问题，造成了极大的能源消耗。为此，本项目以球磨机内磨矿介质-铁矿石-衬板多体冲击系统为研究对象，以提高球磨机效率、降低球磨机能耗为目标，结合离散元、摩擦学、破碎动力学、热传导、冲击动力学等理论，开展了多体冲击离散动力学研究、多体冲击摩擦磨损研究、多体冲击热传导行为研究、多体热-冲击破碎研究、铁矿石颗粒破碎特性研究。重要结果主要有：以离散元数值仿真和试验验证相结合的方法，标定了磨矿介质间接触参数；提出一种位置密度法，解析介质群速度区域分布特性和碰撞能量分布特性；理论分析了磨矿介质运动学规律，解析了磨矿介质运动特征参数的变化规律，并构建了介质群特征参数预测模型；掌握了球磨机内钢球与衬板多体冲击摩擦磨损特性；基于离散元软件，二次开发了离散热传导模型，创新应用于球磨机多体热传导研究；设计了检测球装置，创新应用于干湿磨工况下球磨机介质动力学试验研究；开展了铁矿石热破碎试验和冲击破碎试验，探析了铁矿石颗粒破碎规律以及能耗分布。项目资助期间，发表论文14篇：SCI收录8篇、EI刊源2篇、中文核心4篇；在审SCI论文3篇；授权澳大利亚发明专利1件、中国发明专利2件、实用新型专利1件、在审发明专利1件；2人次获孙越崎青年科技奖、全国煤炭青年科技奖，2人次获评江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科学技术带头人；培养博士生2名、硕士生2名（指导毕业1名博士生和1名硕士生，在读1名博士生和1名硕士生），满足项目预期成果要求。本项目提出了一系列的球磨机研究方法和评价指标，提高了磨矿效率、降低了钢耗和能耗，为设计节能降耗的球磨机提供了基础理论和技术支撑。 2100433B

本项目以大型球磨机内钢球-矿石-衬板的多体冲击摩擦副为研究对象，以提高球磨效率、降低能耗和钢球、衬板消耗为目标，将离散元、冲击动力学、摩擦学、热传导、接触力学、断裂力学、损伤力学等理论相结合，开展大型球磨机多体冲击摩擦耦合行为研究。首先，构建多体冲击离散动力学模型，建立灰色关联支持向量机能量评价模型，优化球磨参数，降低大型球磨机能耗；其次，揭示多体冲击摩擦磨损机理，构建以摩擦磨损特性为评价指标的优化模型，提高大型球磨机摩擦能转换率；接着，构建大型球磨机内部钢球、矿石及衬板离散传热模型，基于数值流形方法建立钢球、衬板热冲击疲劳断裂模型以及矿石热冲击疲劳损伤模型，揭示多体热-冲击破坏机理，降低钢球和衬板消耗；最后，建立球磨过程温度-渗流-应力-损伤耦合模型，构建球磨效率、能耗和钢耗的综合评价模型。研究成果将突破高能耗、高钢耗大型球磨机核心基础问题，形成具有普遍意义的多体冲击摩擦理论与技术。

路面摩擦学性能对道路安全和社会经济有着重要的影响，轮胎与路面摩擦的作用机制复杂，是一个广泛的固液多相间的物理化学和力学过程，影响因素众多，在不同尺度下表现出不同的行为特征，缺乏对其机理的研究。 本研究依据纳米摩擦学、表面界面科学、岩石力学等理论基础，结合微宏观表面模拟分析技术，在不同尺度上开展沥青路面摩擦磨损性能仿真及试验研究，对路面摩擦学性能的行为特征、作用、机理和影响因素等进行分析，为沥青路面摩擦磨损性能的性能评估和寿命预测提供了有效的研究手段。 首先采用分子动力学模拟方法，确定了轮胎与路面摩擦接触模型的初始结构——二氧化硅为固定基底和异戊二烯为匀速滑动单链结构。对轮胎与路面间的微观摩擦学性能进行模拟分析。本文主要对摩擦学性能主要参数摩擦系数进行研究，分析速度、温度与摩擦系数之间的关系。模拟结果显示，摩擦系数随着速度的增大而减小，且与温度之间存在峰值关系。轮胎与路面的微观摩擦不仅与表面势能相关还和异戊二烯分子形态有关。 然后使用非接触式光学表面轮廓仪采集不同集料的表面微观构造形貌，计算多种反映表面形貌不同方面特征的参数，通过这些参数检验不同集料间的表面微观构造差异性，并测量不同集料表面的抗滑性能，对集料表面的微观构造特征与抗滑性能的演化进行关联分析，建立集料微观构造特征与抗滑性能的评价模型。 最后使用三角激光扫描技术对沥青路面表面宏观构造进行三维重构，针对现有的路面表面宏观构造特征参数无法表征路面构造的三维分布形态的问题，提出一种新的三维表征方法，能够可视化的展示路面宏观构造的分布密度，并通过计算，准确反映宏观构造随构造深度的变化情况。在路面三维数值模型基础上建立轮胎-路面接触模型，结合数值模拟的方法分析路面集料宏观尺度下的磨损退化规律。 2100433B

良好的路面摩擦学性能是保障行车安全的前提条件，对社会经济有着重要的影响。我国公路发展历程不长，对于路面摩擦学性能演化规律认识不足，缺乏对多种因素不同演化模式的综合分析，通车后路面摩擦学性能随着车辆磨耗衰减很快。因此本研究首先在纳米尺度上解析轮胎和沥青路面的微观构造和表面特性，建立三维单体模型和整体接触模型，从本质上解析胎/路界面物理、化学和热力学特性；然后基于纳米摩擦学原理，考虑轮胎和沥青路面表面构造、荷载和环境的耦合作用，对胎/路界面摩擦磨损性能进行分子动力学模拟分析，从原子、分子尺度揭示界面摩擦、磨损和润滑等摩擦学行为的力学响应特征；最后进行多场耦合作用下沥青路面摩擦磨损性能演化的分子动力学模拟，探索材料微观性能变化与宏观结构损伤间的联系，研究沥青路面摩擦磨损性能演化规律及衰减机理，建立摩擦磨损寿命预测模型。从而为高速公路沥青路面的摩擦磨损性能评估和寿命预测提供有效的研究手段。

1 摩擦式提升机的工作原理及失效形式分析

1.1 多绳摩擦式提升机的特点

1.2 工作原理

1.3 失效形式分析

2 多绳摩擦式提升系统的数学模型建立与振动特性分析

2.1 摩擦轮提升机的动力学研究现状

2.2 三自由度数学模型建立与振动分析

2.3 二自由度数学模型建立与振动分析

2.4 连续弹性体数学模型建立与振动分析

3 最佳启动加速度控制曲线研究与冲击限制设计

3.1 提升机的抛物线形、正弦形、三角形加速度控制曲线

3.2 提升机的梯形加速度控制曲线

3.3 抛物线形、正弦形、三角形加速度控制曲线的加速度响应特性研究

3.4 梯形加速度控制曲线的加速度响应特性研究

3.5 梯形加速度时钢丝绳的动张力响应计算

3.6 提升机紧急制动时的冲击限制设计

4 摩擦式提升系统在非正常工况时的动力学特性研究

4.1 提升机运行中出现卡罐时动力学特性分析

4.2 提升机运行中出现过卷或过放时动力学特性分析

4.3 罐笼装载时动力学特性分析

4.4 实例验证

5 摩擦式提升系统的防滑安全特性研究

5.1 概述

5.2 摩擦轮提升防滑安全特性分析

5.3 考虑钢丝绳弹性振动时极限减速度的计算与分析

5.4 防滑安全设计措施

5.5 最不利运行工况的确定与最小防滑自重计算

6 国内外大型摩擦轮提升设备及使用情况

6.1 国内外大型提升设备及使用情况

6.2 大型摩擦轮提升设备传动方式与控制系统

6.3 提升机钢丝绳使用情况

7 多绳摩擦式提升设备的选择与计算

7.1 设计依据

7.2 提升容器的选择与计算

7.3 钢丝绳的选择与计算

7.4 摩擦轮提升机的选择与计算

7.5 电动机的选择与计算

8 多绳摩擦式提升系统的设计计算

8.1 提升系统形式选择

8.2 塔式提升系统设计计算

8.3 落地式提升系统设计计算

9 提升系统的运动学计算

9.1 梯形加速运动学计算的基本公式

9.2 冲击限制值（加、减速度变化率）计算

9.3 采用梯形加、减速度时提升系统的运动学计算

9.4 提升能力计算

10 提升系统的动力学计算

10.1 基本动力学方程

10.2 提升系统静阻力计算

10.3 提升系统变位质量计算

10.4 采用梯形加、减速度时提升系统的动力学计算

10.5 提升电动机容量校核

10.6 采用梯形加、减速度时电动机运行过程中各阶段的功率计算

10.7 提升设备的电耗计算

11 摩擦轮提升设备的防滑安全设计

11.1 防滑计算方法

11.2 防滑安全设计计算

11.3 极限减速度计算

11.4 安全制动力计算

11.5 安全制动减速度计算

11.6 恒力矩液压站油压整定计算

12 提升系统的辅助设备设计

12.1 主井箕斗的装卸载设备

12.2 副井罐笼的操车设备

12.3 提升容器的安全保护装置

12.4 提升钢丝绳快速更换装置

13 电气控制系统设计

13.1 电气控制系统及设备选择

13.2 直流电控系统

13.3 交-交变频电控系统

13.4 交-直-交变频电控系统

14 提升设备布置

14.1 井塔和提升机房机械设备布置要求

14.2 提升机电气控制设备布置要求

14.3 塔式提升设备布置

14.4 落地式提升设备布置

15 提升设备设计计算案例

15.1 塔式箕斗提升

15.2 落地式罐笼提升

参考文献

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