基于双电机协同驱动弛张筛面的动态特性研究.pdf

分分 类类 号号 密密 级级 太原理工大学 硕 士 学 位 论 文 题 目 基于双电机协同驱动弛张筛面的动态特性研究 英文并列题目 研究生姓名 张 新 学 号 2016520052 专 业 机械工程 研 究 方 向 非线性动力学分析 导 师 姓 名 武 兵 职 称 副教授 学位授予单位 太原理工大学 论文提交日期 2019/04 地 址 山西太原 太 原 理 工 大 学 Dynamic Characteristics of Flip-Flow Screen Surfaces Based on Dual-motors Driving 万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 基于双电机协同驱动弛张筛面的动态特性研究 摘 要 弛张筛以其能耗低、噪声小、筛分效率高等优点广泛应用于潮湿细粒 煤炭干法深度筛分作业，但传统弛张筛分设备均采用单激励源，处于该激 励方式下的浮动筛框是通过弹簧阻尼做受迫振动。其存在的不足之处是筛 机振幅会根据来料量大小发生变化，难以实现对内外筛框振幅的分别调控。 此外，在弛张筛筛面的研究方面，目前不能采用数值模拟方法将煤炭颗粒 与柔性筛面进行耦合分析，所以颗粒在弛张筛面上的运动行为和动态筛分 性能尚不明确。为了保证弛张筛具有稳定的筛分效率，同时为了进一步提 高潮湿细粒煤炭的筛分效果和揭示弛张筛面的动态性能，本文以双电机驱 动弛张筛为研究对象，采用动力学-离散元耦合分析方法，对筛机-筛板-颗 粒耦合模型进行了动力学分析。论文主要工作如下 （1）根据拉格朗日方程建立了双轴双质体三自由度动力学模型，求解 出了受迫振动的稳态复数解，确定出了近共振区域的工作频率；研究了稳 定工况下偏心轴相位差对双筛框振动相位差的影响； 利用 RecurDyn 对双电 机弛张筛系统进行了计算从而验证了上述模型的合理性。 （2）利用 ANSYS 建立了弛张筛面的有限元模型，分析了设计参数对 筛面振动的影响，导入多体动力学软件建立了筛机-筛板的刚柔耦合模型， 对柔性筛面进行了动力学分析，并与弹性压杆模型进行了对比；研究了弹 性筛面挠曲形态和张紧量对筛面运动行为的影响。 （3） 基于刚柔耦合模型， 分别对单颗粒和颗粒群在筛面上的运动轨迹、 跳动规律进行了研究。采用线性分段插值计算方法对柔性筛板进行了近似 柔性化处理，通过与悬链线曲线函数进行比较从而确定了该方法的准确性 和可靠性。在筛分过程的研究中引入了离散单元法，建立了（Discrete 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II Element s-Multiple Body Dynamics）DEM-MBD 耦合模型，研究了筛 机的振动参数对筛分效率、处理量和颗粒的抛射强度的作用规律。 本文的研究工作和结论，可以为弛张筛筛面的动力学分析，潮湿细粒 煤的抛射、碰撞规律的揭示以及双激励源协同控制算法提供理论依据和参 考。 关键词EDEM-RecurDyn 联合仿真，筛分效率，刚柔耦合，双电机驱动弛 张筛，DEM-MBD 双向耦合 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III DYNAMIC CHARACTERISTICS OF FLIP-FLOW SCREEN SURFACES BASED ON DUAL-MOTORS DRIVING ABSTRACT Flip-flow screen is a screening machine which is widely applied in occasion of the dry deep screening of moist fine coal, because it has the advantage of low energy consumption, little noise, and high screening efficiency. However, it is assembled with single-motor for traditional flip-flow screen, in which floating box pers forced vibration by spring damping. It is difficult for this driving type to regulate and control vibrant amplitudes of two boxes respectively, because the amplitudes of machine can change according to the feeding amounts. Additionally, in aspect of screen surfaces of flip-flow screen, the coupling analysis between particles and reflexible screen panels cannot be conducted by numerical simulation. As a result, it is not clear for motion of particles on flip-flow screen surfaces and dynamic screening perance. In this paper, based on the flip-flow screen with dual-motors driving, the solution of dynamics-discrete element coupling analysis can be adopted to study dynamic behaviors with screen machine-screening panels-particles coupling model. In order to ensure stable screening efficiency, to improve screening effectiveness, and to reveal the dynamic characteristic of flip-flow screen surfaces, the specific research work and achievements of this paper are as below Firstly, the dynamic model for three-degree-of-freedom with biaxial diploid is built in the light of Lagrange equation, and steady complex solutions of forced vibration are solved, As a result that work frequency of near resonance area are obtained; Under stable condition, the effect of phase difference of eccentric shafts on that of two boxes is researched; The system of flip-flow screen with 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV dual-motors driving is calculated using RecurDyn to verify resionablity of aforementioned model. Secondly, the FEM models of flip-flow screen surfaces are built by ANSYS, the effect of design parameters on screen surfaces vibration are analyzed, which are then imported into MBD software to set up rigid-flexible screen machine- screen panels coupling model; Dynamic analysis of flexible panels are studied, and the coupling model is compared with the model of elastic compression bar; The effect of deflection shape of elastic screen surfaces and tensional amount on the motion of screen surfaces are investigated. Finally, the motion trajectory、jumping rules for a particle and particle swarm on the screen surfaces are researched based on rigid-flexible model. The piecewise linear interpolation is adopted to achieve approximate flexibility for flexible panels, the accuracy and reliability of this are then confirmed via comparision with Catenary curve. We introduced DEM Descrete Element s in the work of screening process, and established DEM-MBD coupling model. The influence of vibrant parameters on screening effenciency, production ratio and casting intensity are studied. The main research work and conclusions of this paper can provide thoery basis and reference for following works, such as the dynamic analysis of flip-flow screen surfaces, the revelation of projection and collision of particles, and control algorithm synergistically for dual-motors driving. KEY WORDS EDEM-RecurDyn co-simulation, screening efficiency, rigid- flexible coupling, flip-flow screen with dual-motors driving, DEM-MBD two way coupling. 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V 目 录 摘 要 ........................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................. III 第一章 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 选题研究背景及意义 ......................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................. 2 1.2.1 弛张筛驱动方式简介 .............................................................................. 2 1.2.2 弛张筛筛面动力学研究现状 .................................................................. 4 1.2.3 离散元数值模拟研究现状 ...................................................................... 6 1.3 主要研究内容 ..................................................................................................... 7 第二章 双驱弛张筛建模和振动特性分析 ............................................................................ 9 2.1 双驱弛张筛结构及工作原理 ............................................................................. 9 2.1.1 弛张筛筛板简介 .................................................................................... 10 2.1.2 ROSTA 剪切弹簧简介 ........................................................................... 11 2.1.3 双激励源驱动方式简介 ........................................................................ 11 2.1.4 偏心块相位差对双筛框相位的影响 .................................................... 13 2.2 力学模型的建立 ............................................................................................... 14 2.3 频域特性分析 ................................................................................................... 15 2.4 振动特性分析 ................................................................................................... 20 2.5 RecurDyn 动力学计算验证 ............................................................................... 23 2.6 本章小结 ........................................................................................................... 25 第三章 双驱弛张筛筛面动态特性分析 .............................................................................. 26 3.1 筛板-筛机刚柔耦合模型的建立 ...................................................................... 27 3.1.1 柔性筛面模型的建立 ............................................................................ 27 3.1.2 .mnf 文件的生成和导出 ......................................................................... 29 3.1.3 刚柔耦合分析后处理 ............................................................................ 30 3.2 筛面动力学分析 ............................................................................................... 30 3.2.1 筛面弹性压杆模型 ................................................................................ 30 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 3.2.2 基于刚柔耦合筛面动力学分析 ............................................................ 32 3.2.3 耦合模型结果与弹性压杆模型的对比分析 ......................................... 33 3.3 筛板挠曲形态分析 ........................................................................................... 34 3.4 筛面工艺参数分析 ........................................................................................... 39 3.5 本章小结 ........................................................................................................... 41 第四章 颗粒-柔性筛板双向耦合动态特性分析 ................................................................ 43 4.1 离散元素法介绍 ............................................................................................... 43 4.1.1 离散元法的计算过程 ............................................................................ 43 4.1.2 接触力和位移的计算 ............................................................................ 44 4.1.3 颗粒碰撞的计算 .................................................................................... 45 4.2 联合仿真模型的构建 ....................................................................................... 46 4.2.1 筛面的近似柔性化 ................................................................................ 47 4.2.2 联合仿真的计算原理 ............................................................................ 48 4.3 联合仿真条件的设定 ....................................................................................... 52 4.3.1 近似柔性化的算例分析 ........................................................................ 52 4.3.2 联合仿真的参数设置 ............................................................................ 53 4.4 联合仿真结果讨论 ........................................................................................... 54 4.4.1 偏心块质量对单颗粒轨迹的影响 ........................................................ 54 4.4.2 偏心块质量对粒群动态特性的影响 .................................................... 56 4.4.3 筛面倾角对动态特性的影响 ................................................................ 60 4.4.4 入料粒度组成对动态特性的影响 ........................................................ 62 4.5 本章小结 ........................................................................................................... 63 第五章 总结与展望 .............................................................................................................. 65 5.1 工作总结 ........................................................................................................... 65 5.2 工作展望 ........................................................................................................... 65 参考文献 .................................................................................................................................. 67 致谢 .......................................................................................................................................... 71 攻读硕士学位期间科研成果及参与的科研项目情况 .......................................................... 73 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 选题研究背景及意义 煤炭是我国能源安全和稳定供应的基石,其在社会经济发展中具有不可替代的作 用。煤炭的清洁化利用能否与新能源齐头并进,一直是能源转型中的一个焦点问题。煤 炭的清洁高效利用已经被国家列入“科技创新2030重大项目” ，安排示范工程共计22 个，投入总经费达1640亿元。从高碳重污染能源向低碳清洁能源转变是国家战略需求也 是环境保护的必然要求，煤炭行业迎来了这一重大机遇。发展煤炭洗选加工是提高煤炭 清洁利用、减少污染物排放及加强环境保护的重要手段。按照煤炭行业“十三五”规划 2020年产原煤39亿吨计， 原煤分选量将达到近30亿吨， 其中动力煤分选占比在7080 左右。 振动筛分装备是煤炭分选中必不可少的关键装备。在动力煤分选的细粒筛分过程 中， 当原煤被开采出后是含有一定外在水分的， 在这种工况下潮湿细粒煤极易黏附成团、 从而造成堵孔、糊面等现象，使得筛分过程严重恶化，尤其当原煤的外在水分达到7％ 14％时，直线振动筛等传统的筛分设备最大振动加速度仅仅为45g，对粒度为13 mm 以下的煤炭进行分级都有相当的难度，更不用说3 mm和6 mm的深度筛分。目前，在动 力煤深度筛分装备中， 以物料抛射加速度达到3050g的弛张型振动筛分装备的筛分效率 最高，具有自动清洁功能、使用寿命长、不堵孔、无粘结等突出优点[1]。然而，传统弛 张筛在激振力作用下做受迫振动， 其筛板周期性地松弛和张紧， 长期承受大的交变应力， 工作特点决定其易出现筛板损耗快，筛框、横梁开裂等问题，直接影响装备的可靠运行 和使用寿命。由于弛张筛是高效的动力煤深度筛分关键装备，一旦发生故障或损坏，将 为企业的经济效益带来巨大的损失。 减小对筛机破坏程度的最有效措施是降低其工作g值，为此需要找到既能对动力煤 实施有效深度筛分，又能降低对装备结构破坏程度的合适g值范围，达到兼顾高筛分效 率和长使用寿命的目标。本文将基于双激励源协同驱动控制策略，从动力学分析角度研 究两个伺服电机转速到筛面两端加速度的传递特性，通过在线调整两个筛框的相位差、 位移差和振动频率来满足筛板所需的加速度， 实现最佳的筛分效果。 无论给料量大或小， 筛板都保持恒定振幅，物料在弹性筛板上做“蹦床”运动，从而有效解决堵筛、糊筛等 问题，使筛机筛分效率更加稳定、可靠，并且具有高同步性、强自适应性、低能耗等优 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 点。 在颗粒与筛板的耦合计算方面，由于聚氨酯柔性筛板运动规律呈非线性，颗粒与柔 性筛板在接触区域的力学参数不易获取，所以大多学者往往将研究焦点集中在对颗粒与 刚性筛板的模拟分析上， 或将颗粒作为负载导入有限元软件进行柔性筛板的力学分析[2]。 该分析模型误差较大，难以对实际工况进行有效的反映。为了提高模型的准确性和有效 性，为优化筛分性能指标提供有益参考，本文建立了颗粒-柔性筛板的耦合分析模型并 对其展开研究。 1.2 国内外研究现状 传统直线振动筛的刚性筛网不做挠曲运动和相对运动，而弛张筛的筛板是由弹性聚 氨酯材料制作而成的，在固定筛框和浮动筛框的往复运动下做类似蹦床的弛张运动，筛 板的加速度传递到待筛物料可累计达 50g，甚至更多。筛板这种交替的拉紧和松弛使得 筛孔开口在拉紧方向有轻微的变化，即筛孔开口的“呼吸”作用，加之筛面的高加速度， 这就有利于团聚物料的打散和透筛从而可以出色地完成筛分任务。以下对本文主要涉及 的弛张筛驱动方式、 筛面动力学分析以及离散元数值模拟三个方面的国内外研究现状进 行分析。 1.2.1 弛张筛驱动方式简介 （1）曲轴连杆式弛张筛 弛张筛利用了双质体亚共振原理，线性振动的固定筛框和被激励的浮动筛框构成了 共振系统，两者产生了相对运动。在此过程中，弛张筛的筛面由若干块弹性筛板组合而 成，每块筛板在两筛框横梁的带动以 13.3 Hz 的频率连续不断地收缩、扩张从而获得很 高的抛射强度，有效防止筛孔堵塞。中国矿业大学董海林设计的大型集中驱动式弛张筛 的总体结构如图 1-1a所示，该机构主要包括电动机、曲轴、连杆、内外筛框、筛板等 部件。电动机通过皮带将动力传递到曲轴上，内外两个筛框分别与连杆相连，然后曲轴 通过连杆来驱动两筛框做往复直线运动，从而带动安装在内外筛框横梁上的筛板做蹦床 效果的弛张运动。可以将弛张筛的驱动部分简化为曲轴摇杆机构，当曲轴转动带动连杆 做平面运动时，则连杆会带动摇杆进行摆动，最终使得筛框做线性运动[3]。赵跃民等研 制出了大型集中驱动式弛张筛的试验样机，上下筛箱通过曲柄滑块机构与偏心曲轴相 连，通过两个筛箱的相对运动实现了筛网的挠曲[4]。相对于集中驱动式弛张筛，邹梦麒 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 设计的单边驱动式弛张筛[5]是将固定筛框安装在机架上， 其传动轴只带动一个筛框运动。 除了图 1-1a中 LIWELL 型弛张筛外， 鞍山机械厂的 CZS 型弛张筛也属于这类。 该类弛 张筛由内、外两个独立的筛框通过支撑弹簧板连接，此外，Torwell 型弛张筛是利用摆 杆的线性往复运动来带动筛板做弛张运动的[6]。上述驱动方式决定了浮动筛框和固定筛 框相位是绝对一致的，但相邻筛板是否按照理想状态做弛张运动却难以保证。 2 惯性式弛张筛 如图 1-1b所示，奥地利的宾得弛张筛和美国的伯特利弛张筛是最常见的惯性驱动 式弛张筛。此类弛张筛由电机带动偏心块做圆周运动，被称之为基本振动，浮动筛框通 过剪切弹簧在固定筛框的带动下做椭圆轨迹的运动，这个运动被称为附加振动。电机有 多个激励部位激励固定筛框和激励浮动筛框[7]，又可分为单激励和双激励两种；如 OSCILLA 型弛张筛，其通过偏心激振器的运动带动浮动筛框，使浮动筛框带动筛板作 垂直于固定筛框的运动，从而实现弛张的效果[8]。 a 曲轴连杆式弛张筛 （b） 惯性式弛张筛 图 1-1 不同驱动方式下的弛张筛 Fig.1-1 The flip-flow screens with various driving type 以上两种驱动方式的不足之处为均没有实现两个筛框的独立控制，筛机振幅会根据 来料量大小发生变化，筛分效果受制于弹簧阻尼的特性[9]，特别是惯性式弛张筛启动之 后两个筛框衰减速度不一致，不利于系统平稳地度过启动阶段。本文基于一种双激励源 协同控制策略，从动力学角度入手，优化筛框加速度的传递特性，实现筛分效率的提高。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 1.2.2 弛张筛筛面动力学研究现状 在筛面动力学方面，彭利平建立了弛张筛面的细长压杆模型，引入换元积分，导出 了筛面变形量与筛面长度之间的精确定量表达式[10],赵跃民将筛面看做两端可以移动的 弹性压杆，建立了弛张筛面动力学模型并进行实验研究，得到了筛面任一点位移、速度 和加速度的计算公式和沿筛面长度方向上的分布情况[11]。Song Baocheng[12]通过应用一 种新型弹性材料来提高筛面振动强度，基于拉格朗日方程计算弹性体的刚度，得出增加 振动加速度幅值可以提高振动强度的结论，但研究对象是直线振动筛。董海林[13]利用有 限元软件 ANSYS 研究了筛面张紧量与筛面动力学参数之间的关系，并对模拟结果进行 了对比分析。Zou Mengqi[5]设计了一种新型单边驱动式弛张筛，分析了正、负两种张紧 量对筛面动力学参数的影响。以上研究在弛张筛面方面均没有考虑多块筛板的耦合作 用，本文将以双驱弛张筛动力学模型为研究对象，建立筛板-筛机的刚柔耦合模型，对 弛张筛板挠曲形态对筛面运动行为的影响展开分析。 由于采用聚氨酯筛板，需要考虑筛面大挠度变形、筛面材料的非线性、筛面载荷的 非线性。Zhao Yuemin 等在弹性压杆模型的基础上，利用线性解进行摄动逐次逼近的方 法，获得了小变形下筛面非线性动力学方程的解析表达式[14]；彭利平等利用了失稳状态 下细长压杆的大挠度非线性变形模型，引入了换元积分，揭示了筛面变形与端部位移间 的定量关系，建立了弛张筛面细长压杆模型[15]；顾成祥建立了弛张筛面悬链线模型，描 述了具有倾角的筛面的变形情况[16]。对于筛面材料属性的非线性问题，闫俊霞利用 Mooney-Rivilin 模型来模拟筛面聚氨酯的超弹性行为，通过应变能密度函数来定义筛面 超弹性材料的材料属性，实现了筛面材料的非线性化处理[17]。筛面所受的载荷由物料的 自重产生的静载荷和物料振动冲击产生的动载荷组成，通过在 ANSYS 中逐步加载多次 计算的方式完成对弛张筛面非线性载荷的加载与计算。 筛面参数对筛机的动力学或运动特性有不同程度的影响。董海林通过有限元计算和 实验分析的方法研究了筛面宽度和筛面硬度的变化对弛张筛的筛分过程的作用规律，指 出筛面宽度的增加有利于物料的充分透筛，同时使得筛面的应力分布在筛分过程中变得 平缓，从而应力幅值有多降低，最终使得筛面的使用寿命得以提高[18]。由于弛张筛面的 弹性拉伸对弛张筛的动力学特性有着重要的影响，国内学者基于不同的筛面动力学模 型，对弛张筛面张紧量对筛分过程的影响进行了一系列的研究，指出筛面的正拉伸有利 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 于潮湿细粒煤炭的筛分[4, 19, 20]。K.J. Dong 等利用三维离散元法，对物料颗粒在具有不同 纵横比及方向的长方形筛孔筛面上的透筛过程进行了研究[21]。 在筛板变形和建模方面，翟宏新提出了基于简化的几何模型[22, 23]，该模型的筛板挠 度曲线是采用三段连续的圆弧得到的，其仅是在几何方面进行推导，故严重脱离了实际 的筛板变形，并且理论依据也不够完备。如图1-2所示，杨丽提出了基于正弦曲线叠加 模型[24]，把梁的挠度看作是由若干正弦曲线叠加而来的，然后利用李兹