刮板输送机中部槽的磨损类型的主要是磨粒磨损,ML-100改进型磨粒磨损试验机用于模拟中部槽的磨损机理,以"刮板试样-煤料-中板试样"模拟"刮板-煤料-中板"所形成的磨粒磨损,实现对中部槽磨损规律的研究。应用UG软件建立磨料磨损试验机的三维几何模型,导入到离散元EDEM中进行磨损仿真分析。从煤料自身物理特性和不同的工况条件两方面对中部槽进行了磨损仿真研究,分析煤料运动状态并通过磨损部位验证了磨损模型的正确性。研究结果表明在研究范围内,中板试样的平均磨损深度随着泊松比、剪切模量、密度、硬度、线速度、粒度的增大而增大。研究结果可为刮板输送机中部槽适用条件的选择提供理论依据。

集沙铲是课题组研制的一款铁路轨道除沙车的重要工作部件。集沙铲在实际使用中受冲击大,铲板刃缘变形严重,这对集沙铲的使用是不利的。课题组拟在不影响抛沙效率的基础上,通过改变集沙铲的刃缘倾角降低集沙铲的受力值。论文建立了5种相近刃缘的集沙铲模型,通过离散元法与动力学耦合仿真,从颗粒微观形态分布和宏观集沙铲受力两个角度对改进效果进行了分析。通过分析颗粒的能量分布情况和铲板的受力发现,适当增加集沙铲的刃缘倾角,沙土颗粒的速度分布呈现均匀化分散的趋势,颗粒间能量分布更加均匀,铲板的工作受力得到较大改善。集沙试验表明,增加刃缘倾角不会影响集沙铲的抛沙效率。该研究过程证明了离散元与动力学耦合仿真方法用于集沙铲刃缘结构优化研究的可行性,同时有助于指导优化集沙铲的铲板刃缘结构。

弧齿锥齿轮齿面形状为空间曲面,齿面粗糙度的变化可对其啮合性能产生显著的影响,直接影响系统的振动、承载等性能。采用平行主轴式滚磨光整工艺对某航空弧齿锥齿轮的齿面粗糙度开展了理论仿真及实验研究。建立工艺运动的数学模型,推导出磨料与齿面间切削速度的公式,分析了影响结果的主要因素;借助EDEM软件的Hertz-Mindlin with archard wear模型,仿真了齿面磨损情况;采用该工艺对盘式弧齿锥齿面的表面质量进行了实验研究。结果表明,采用该工艺可使齿面毛刺消除,边角倒圆,齿面粗糙度Ra从0.8μm降至0.4μm左右,齿面形貌趋于各向同性,为后期研究齿轮接触性能和工业应用奠定了基础。

为了寻求反击式破碎机破碎效率最高的转子转速,通过3D扫描技术建立了岩石颗粒模型,通过现场调研建立了反击式破碎三维模型,运用EDEM软件对多颗粒进行破碎过程仿真。采用单一因素法,建立转子转速对岩石破碎效率的仿真方案,利用EDEM软件进行仿真模拟,运用Origin数据处理软件对仿真结果进行拟合,得到以黏结键断裂数、破碎能耗及单位断裂键能耗为评价指标的破碎效率与转速的拟合方程,通过断裂键及能耗综合分析,对反击式破碎机进行转速优化,获得破碎效率最佳的转子转速,对反击式破碎机在现实生产中的应用具有指导意义。

针对主轴式滚磨光整加工中高转速下滚抛磨块会甩出滚筒的问题,为确定滚筒在一定转速下的最大填料高度,利用离散元法模拟主轴式滚磨光整加工过程,采用拟合曲线表征滚抛磨块群上界面的几何形状,借助正交模拟试验分析几何形状的主要影响因素,通过单因素模拟试验探究滚筒转速的影响规律并进行实验验证。滚抛磨块群上界面为抛物面,滚筒转速、滚抛磨块形状对抛物面几何形状有决定性影响;当其他条件一定时,不同滚筒转速下的抛物面在填料高度处近似交于一圆,圆半径为滚筒半径的5/7,基于此推导出了一定转速下筒内最大填料高度计算公式。

针对双层直线振动筛筛分工况对物料运动规律的影响不明,导致筛分机工作效率低,筛分耗时长,筛分质量差等问题,采用离散元法模拟了不同粒级颗粒在不同振幅、振动方向角、筛面倾角条件下的筛分过程.结果表明颗粒运动速度随着振幅和筛面倾角的增大而加快.振幅越小,越有利于小颗粒筛分;当A=4mm,α=30°,β=16°时,各粒级颗粒同时达到较高筛分效率.

为了分析组合振动筛合理参数,采用颗粒粘结和Hertz-Mindlin模型,应用三维离散元法模拟分析筛面上物料的松散和分层,以颗粒间键粘结的平均数和物料沿筛面方向的平均切向力的大小作为衡量物料的松散效果,得到颗粒间键粘结的平均数随振幅、振动强度和筛面倾角的增加均减小,物料对筛面的平均切向力随振幅、振动强度和筛面倾角的增加均增大。当振幅大于7mm、振动强度大于5.5和筛面倾角大于25°时,松散效果趋于稳定,对松散后的物料在筛面上分层效果的研究,得到组合振动筛参数为上筛在高频小振幅下的松散分层效果好,下筛在低频大振幅下物料运动时间延长,透筛效果增加。

针对直接还原铁回转筒式冷却机设计问题,运用离散元法采用EDEM软件,建立筒式冷却机模型,校核数据后使用仿真分析筒体内颗粒物料的中心角、床层厚度、轴向运动等特性,以研究筒式冷却机内物料与筒体的接触区域、在筒体内的停留时间、留料量,等特征。研究分析结果表明：靠近加料端,物料堆积较厚,速度较慢;随着筒体转速的增加,筒体内物料与筒体的接触面积有所增加但不显著,筒体内物料停留时间下降15%左右,筒体内物料质量减少14.5%左右。

针对现有三通翻板分料器摆动翻板磨损快、使用寿命短等问题,依据物料的安息角原理设计了阶梯型摆动翻板,并采用离散单元法对普通直板摆动翻板和阶梯型摆动翻板的工作过程进行了对比模拟。结果表明,阶梯型摆动翻板能够在物料流冲击区稳定积料,形成一定厚度的料垫,大大减少物料流对摆动翻板的冲击与磨损。同普通摆动翻板相比,阶梯型摆动翻板受到来自料流的冲击力均值减少至普通翻板的17.5%左右,靠近壁面物料颗粒的滑动速度均值减少至15.2%左右。经试验验证,设计的阶梯型摆动翻板具有很好的抗冲击性和耐磨性,是一种延长三通翻板分料器寿命的有效方法。

介绍了离散单元法的发展概况及其基本模型和计算方法。在设计优化、运行仿真、性能改善和微观机理的四个方面综述了离散元法在机械工程的应用现状。指出了离散元法在机械工程领域处理颗粒流及非线性问题具有独特优势，并提出了该领域应用离散元法亟待解决的问题。