振动破碎磨碎机械 设计·分析·试验·仿真·实例 侯书军 振动破碎磨碎过程模型分析与试验 双腔颚式 双腔辊式 圆锥式振动

本书作者侯书军教授师从陈予恕院士习得了非线性振动的精髓。本书是侯书军教授及其科研团队近20年来努力所取得的科研成果的总结，全书理论与应用并重，以振动破碎、磨碎设备的设计、分析、仿真与试验为主线，内容翔实，涉及机械动力学、散体动力学、流体动力学、多尺度耦合动力学、刚柔耦合动力学等科学问题，对于从事相关工作的研究人员和工程技术人员都具有很高的参考价值。

本书共分10章，第1章讲述振动破碎磨碎过程的模型分析与试验，第2～4章分别介绍了双腔颚式、双腔辊式、圆锥式振动破碎机，第5～7章分别介绍了单筒双激、双筒单激、单筒单激双刚体振动磨，第8章介绍了偏心轴式高速摆振磨，第9章介绍了异轴卧式超细分级磨，第10章介绍了振动破碎磨碎系统设计与仿真。各章内容分别从工作原理、动力学分析、DEM仿真、性能试验等不同方面进行了阐述。
本书理论与应用并重，以振动破碎、磨碎设备的设计、分析、仿真与试验为主线，内容翔实，涉及机械动力学、散体动力学、流体动力学、多尺度耦合动力学、刚柔耦合动力学等科学问题，对于从事相关工作的研究人员和工程技术人员都具有很高的参考价值。

侯书军，男，教授，博士生导师，1963 年7月出生于石家庄市鹿泉县，卒于2021年12月。1980年9月入读河北工学院机械一系，1984年6月本科毕业获学士学位，1987年6月研究生毕业获硕士学位，后留校任教，并于同年加入中国共产党。1990年10月在中华人民共和国机械电子工业部矿山机械研究所（石家庄）任工程师、研究室副主任，从事矿山设备研发，也开始了与振动机械的渊源。1994 年4月至2007年6月在河北科技大学任教，历任讲师、副教授、教授，1999年7月担任硕士生导师，从事振动利用、岩石破碎等方面的研究。为了解决实际工程中的理论问题，1996年3月就读于天津大学力学系攻读博士学位，师从著名非线性振动专家陈予恕院士，于1999年7月获得博士学位。2002年1月至2003年1月受国家留学基金委的委派，在英国斯旺西大学和利兹大学颗粒科学与技术研究所做访问研究。留学期间具体负责两个不同但相关的研究课题“振动作用下超细颗粒床的行为与颗粒相互作用力”和“振动磨宏微观动力学行为的DEM分析”。2003 年11月主持成立河北科技大学振动工程研究所，带领科研团队开展了振动破碎磨碎机械的系统研究。2007年7月调入河北工业大学任教，同年11月主持成立河北工业大学振动工程研究所，2012年开始担任秦皇岛港股份有限公司独立董事。2013年5月被评为博士生导师。
侯书军教授一生致力于机械工程领域的教学与科研，长期从事振动利用工程领域的研究工作，带领科研团队进行了颗粒与粉体技术与装备、机械系统复杂动力学与控制的研究，还把振动利用工程领域扩展到了特种破岩破障机器人装备和振动康复技术与装备领域，并针对其中的共性关键问题——含间隙机构动力学与噪声控制和岩石破碎过程的数字化试验与机理等展开了系统研究，成为我国该领域有特色的主要研究集体之一。 他还兼任中国振动工程学会理事，中国振动工程学会振动利用专业委员会副理事长，河北省振动工程学会副理事长，中国自动化学会机器人专业委员会委员，中国中西医结合学会骨科分会外固定专业委员会委员，国家核心期刊《振动工程学报》编委，《振动、测试与诊断》（EI全录）杂志常务编委等学术职务。在河北科技大学和河北工业大学指导硕士研究生37名，博士生2名，获授权（中国）国防发明专利5个，（中国）发明及实用新型专利19项，发表论文90余篇，完成数十项863、973、自然基金等项目，获河北省科技进步三等奖1项。《振动破碎磨碎机械设计·分析·试验·仿真·实例》一书是他领导的科研团队二十多年来在振动破碎磨碎机械研究领域取得的科研成果的总结。

第1章破碎磨碎过程本构模型分析与试验001
1.1破碎磨碎过程分析001
1.2静压破碎过程试验002
1.2.1试验方案设计002
1.2.2试验数据分析003
1.3接触力本构模型分析008
1.3.1接触力分段多项式模型008
1.3.2接触力分段线性模型009
1.3.3接触力模型基于恢复系数的比较010
1.4单球冲击破碎过程试验013
1.4.1试验模型设计013
1.4.2数据处理及参数估计014
1.4.3试验结果分析015
1.4.4冲击过程微观仿真比较017
1.5两球冲击破碎过程试验021
1.5.1试验装置设计021
1.5.2试验数据整理与分析022
1.5.3仿真和试验数据对比025
1.6冲击破碎过程微观图像试验030
1.6.1试验系统与试验过程030
1.6.2微观试验结果分析031

第2章双腔颚式振动破碎机035
2.1双腔颚式振动破碎机工作原理035
2.1.1双腔四动颚式振动破碎机035
2.1.2双腔简摆颚式振动破碎机035
2.2双腔四动颚式振动破碎机动力学仿真分析036
2.2.1双腔四动颚式振动破碎机动力学建模036
2.2.2双腔四动颚式振动破碎机动力学响应及振动轨迹分析038
2.2.3双腔四动颚式振动破碎机双边非对称现象研究044
2.3双腔简摆颚式振动破碎机动力学仿真分析048
2.3.1双腔简摆颚式振动破碎机动力学建模048
2.3.2双腔简摆颚式振动破碎机振动轨迹分析049
2.4双腔四动颚式振动破碎机典型实例与性能试验049
2.4.1双腔四动颚式振动破碎机结构设计与试验样机049
2.4.2双腔四动颚式振动破碎机试验过程049
2.4.3双腔四动颚式振动破碎机试验结果及分析050
2.5双腔简摆颚式振动破碎机典型实例与性能试验052
2.5.1双腔简摆颚式振动破碎机结构设计052
2.5.2双腔简摆颚式振动破碎机试验过程052
2.5.3双腔简摆颚式振动破碎机试验结果及分析053

第3章双腔辊式振动破碎机054
3.1双腔辊式振动破碎机工作原理054
3.2双腔辊式振动破碎机动力学仿真分析054
3.2.1双腔辊式振动破碎机动力学建模054
3.2.2双腔辊式振动破碎机动力学响应及振动轨迹分析056
3.3双腔辊式振动破碎机刚散耦合仿真分析与优化060
3.3.1双腔辊式振动破碎机刚散耦合建模060
3.3.2双腔辊式振动破碎机刚散耦合仿真分析062
3.3.3双腔辊式振动破碎机腔型设计优化067
3.4双腔辊式振动破碎机典型实例与性能试验068
3.4.1双腔辊式振动破碎机试验样机068
3.4.2双腔辊式振动破碎机试验过程068
3.4.3双腔辊式振动破碎机试验结果分析069
3.4.4双腔辊式振动破碎机振动测试试验070
3.5双腔辊式振动破碎机可视化试验研究071
3.5.1双腔辊式振动破碎机可视化试验装置071
3.5.2双腔辊式振动破碎机可视化试验过程072
3.5.3双腔辊式振动破碎机可视化试验结果与分析072

第4章圆锥式振动破碎机077
4.1圆锥式振动破碎机工作原理077
4.2圆锥式振动破碎机12自由度动力学仿真分析078
4.2.1圆锥式振动破碎机12自由度力学建模078
4.2.2圆锥式振动破碎机12自由度动力学响应079
4.3动锥和定锥六自由度动力学仿真分析081
4.3.1圆锥式振动破碎机六自由度动力学建模081
4.3.2系统动力学参数的试验辨识082
4.3.3无物料六自由度动力学响应084
4.3.4有物料六自由度动力学响应088
4.4单动锥六自由度动力学仿真分析090
4.4.1单动锥六自由度动力学建模090
4.4.2单动锥六自由度动力学响应091
4.5圆锥式振动破碎机刚散耦合仿真分析095
4.5.1圆锥式振动破碎机刚散耦合建模095
4.5.2物料不可破碎时刚散耦合仿真分析100
4.5.3物料可破碎时刚散耦合仿真分析104
4.6圆锥式振动破碎机典型实例和性能试验107
4.6.1圆锥式振动破碎机结构设计与试验样机107
4.6.2圆锥式振动破碎机试验及试验结果分析107
4.6.3圆锥式振动破碎机改进试验及试验结果分析110

第5章双激双刚体振动磨116
5.1双刚体振动磨设计思路116
5.2双激双刚体振动磨工作原理117
5.3双激双刚体振动磨动力学仿真分析118
5.3.1双激双刚体振动磨六自由度动力学建模118
5.3.2双激双刚体振动磨振动轨迹分析122
5.4双激双刚体振动磨刚散结合系数分析126
5.4.1双激双刚体振动磨两自由度动力学模型126
5.4.2双激双刚体振动磨的线性刚散结合系数126
5.5双激双刚体振动磨典型实例与性能试验129
5.5.1双激双刚体振动磨试验样机129
5.5.2双激双刚体振动磨空载与加载试验130
5.5.3双激双刚体振动磨磨碎参数影响试验132

第6章单激双刚体振动磨137
6.1单激双刚体振动磨工作原理137
6.2单激双刚体振动磨动力学仿真分析137
6.2.1单激双刚体振动磨动力学建模137
6.2.2单激双刚体振动磨振动信号分析139
6.2.3单激双刚体振动磨振动轨迹分析141
6.3单激双刚体振动磨中心刚体偏移问题改进设计144
6.3.1中心刚体偏移问题分析144
6.3.2中心刚体偏移问题改进方案145
6.3.3双刚体振动磨的磨碎试验对比146
6.4振动磨制备中药微粉试验研究150
6.4.1试验样机及原料150
6.4.2试验流程及中药微粉特性分析151
6.4.3工艺参数对中药磨碎效果影响试验152

第7章偏心双刚体振动磨154
7.1偏心双刚体振动磨工作原理154
7.2偏心双刚体振动磨动力学仿真分析154
7.2.1偏心双刚体振动磨的刚体动力学建模154
7.2.2偏心双刚体振动磨的振动轨迹分析156
7.3偏心双刚体振动磨ADAMS建模与仿真160
7.3.1偏心双刚体振动磨ADAMS建模160
7.3.2偏心双刚体振动磨ADAMS仿真结果分析161
7.3.3偏心双刚体振动磨的轴承振动分析163
7.4偏心双刚体振动磨ANSYS模态分析164
7.4.1偏心双刚体振动磨ANSYS建模164
7.4.2偏心双刚体振动磨模态分析165
7.5偏心双刚体振动磨DEM刚散耦合分析167
7.5.1偏心双刚体振动磨DEM建模167
7.5.2离散元模型参数正确性验证169
7.5.3偏心双刚体振动磨中磨介运动仿真分析171
7.5.4偏心双刚体振动磨的参数及结构仿真分析175
7.5.5偏心双刚体振动磨中物料输送仿真分析180
7.6偏心双刚体振动磨试验研究186
7.6.1偏心双刚体振动磨的磨介运动试验研究186
7.6.2偏心双刚体振动磨的粉磨试验研究188

第8章偏心轴式高速摆振磨190
8.1偏心轴式高速摆振磨工作原理190
8.2偏心轴式高速摆振磨运动学建模与仿真191
8.2.1偏心轴式高速摆振磨运动学建模191
8.2.2偏心轴式高速摆振磨运动轨迹仿真分析192
8.3偏心轴式高速摆振磨动力学建模与仿真193
8.3.1偏心轴式高速摆振磨动力学建模193
8.3.2偏心轴式高速摆振磨振动轨迹仿真分析195
8.4偏心轴式高速摆振磨刚散耦合建模与仿真201
8.4.1偏心轴式高速摆振磨刚散耦合建模201
8.4.2偏心轴式高速摆振磨刚散耦合仿真分析206

第9章异轴卧式超细分级磨213
9.1异轴卧式超细分级磨工作原理213
9.2异轴卧式超细分级磨气固耦合建模214
9.2.1网格划分及独立性检验214
9.2.2两相耦合仿真参数设定216
9.3异轴卧式超细分级磨工艺参数仿真218
9.3.1进口风速和分级轮转速正交仿真试验218
9.3.2磨盘转速正交仿真试验224
9.4异轴卧式超细分级磨结构参数仿真226
9.4.1分级轮结构参数正交仿真试验227
9.4.2磨盘结构参数正交仿真试验232
9.4.3磨盘结构优化236

第10章破碎磨碎系统设计238
10.1破碎磨碎系统设计238
10.1.1总体设计238
10.1.2设备简介239
10.2超细气流分级机的结构设计241
10.2.1超细气流分级机转子结构241
10.2.2转子系统的动力学设计241
10.3超细气流分级机的数值仿真245
10.3.1超细气流分级机仿真区域划分及模型245
10.3.2操作参数对转子叶片间流场的影响规律245
10.3.3转子结构对内部流场的影响规律247
10.4旋风除尘器的数值仿真252
10.4.1旋风除尘器工作原理252
10.4.2旋风除尘器空气流场建模252
10.4.3旋风除尘器空气流场数值仿真结果253

参考文献255

序一
众所周知，在大多数领域，振动都是表现出其有害的一面，如飞机起飞和着陆滑行以及在空中遇到强对流天气时机翼的振动、地震时建筑物的晃动、桥梁的风致振动等。但另一方面，人们也在广泛地利用振动解决工程实际中的问题，如振动筛分、振动抛光、振动给料、振动破碎、振动夯实等。“振动利用工程”已逐渐发展成为振动学与机械学相结合的一门新学科。
1990年10月，侯书军进入中华人民共和国机械电子工业部矿山机械研究所（石家庄），开始从事振动机械的设计与研发工作。怀着探究复杂机械系统非线性振动机理的追求，1996年9月他33岁时考入天津大学力学系攻读博士学位。在学期间，作为他的导师，我们经常就一些工程和学术问题进行讨论。他工作的勤奋、对事业的执着，尤其是学术上善于思辨的态度均给我留下了深刻的印象。
侯书军教授长期致力于振动利用工程领域复杂动力学问题的研究，从系统设计、理论分析、仿真分析到试验模拟，从振动破磨设备到地震救援装备、反恐装备以及振动康复器械的研发，都在业内得到了广泛的认可。
本书是侯书军及其团队多年科研工作成果的总结，理论与应用并重，以振动破碎、磨碎设备的设计、分析、仿真与试验为主线，内容翔实，涉及机械动力学、散体动力学、流体动力学、多尺度耦合动力学、刚柔耦合动力学等科学问题，对于从事相关工作的研究人员和工程技术人员都具有很高的参考价值。
谨以此序向侯书军致以亲切的缅怀。

中国工程院院士
2022年早春于天津大学




序二
振动利用是振动工程领域的一个重要分支，它是振动理论与应用相结合的产物。早在2002年中国振动工程学会就成立了“振动利用工程专业委员会”。目前振动利用工程已发展成一门集振动学与机械学为一体的新学科。它所涉及的技术与工农业生产及人类的生活联系得十分紧密，能为社会创造重大的效益，能为人类的生活提供极大的便利。各种各样的振动机械和振动仪器已成功用来完成许多不同的工艺过程。
随着我国经济建设和科学研究事业的进一步发展，新用途的振动利用技术将会不断出现，它们在各个领域中的使用也将日益增多，并将发挥越来越重要的作用。为了使这类技术得到更有效的使用并促进其进一步的发展，对已有的工作进行较系统的介绍无疑是十分必要的。毫无疑问，《振动破碎磨碎机械 设计·分析·试验·仿真·实例》一书正满足了这样一个需求。
我与侯书军教授相识于上世纪90年代，后熟知于共同的学术兴趣和在“振动利用工程专业委员会”的工作。
侯书军教授自1990年进入中华人民共和国机械电子工业部矿山机械研究所（石家庄）以后，一直在振动利用工程领域潜心研究。研究对象从最初的矿山设备到近期的振动康复装置，研究内容从装置研发、机理探索到主被动振动控制与软件仿真，研究成果得到了业界的一致认可。
本书是侯书军教授及其科研团队多年工作积累的集中体现，强调从设计中发现新问题，并用振动理论加以解决。侯书军教授的工作不仅拓宽了振动理论的应用范围，也在一定程度上促进了振动利用工程学科的发展。本书给出的大量工程设计案例相信对从事相关研发的读者大有裨益。
谨向侯书军教授致以深深的敬意和亲切的缅怀。

中国科学院院士
2022年3月8日