基于磁性液体一阶浮力原理的自动浮选分离结构设计.pdf
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1、文章编号:0258-2724(2023)04-0947-10DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.20210723磁力应用装备与智能控制基于磁性液体一阶浮力原理的自动浮选分离结构设计崔红超1,韩世达1,李辰2,张佳佳1,李德才1,3(1.北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京 100044;2.华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉430074;3.清华大学摩擦学国家重点实验室,北京100084)摘要:为了研究在选矿分离过程中实现对非导磁物质进行精密分选的问题,基于磁性液体一阶浮力原理,探讨永磁体作为磁源时,通过改变永磁体与磁性液体的距离从而改变浸没在磁性液体中的非磁性
2、物体的受力情况;设计了自动浮选分离结构模型,其中用于磁源升降的电动剪叉式升降平台的升降行程为 100mm,通过磁源升降给磁性液体提供不同的磁场强度;设计了用于分离非磁性物料的直角坐标机器人和末端执行器,实现对悬浮在不同高度的非磁性物体的打捞分离;利用 ANSYSMaxwell 软件对设计的模型进行二维和三维仿真,近似计算出非磁性物体所受到的一阶浮力,为升降平台的承重能力设计提供了依据.仿真计算结果表明:指定非导磁圆柱体在磁性液体中悬浮的高度为距离容器底部 6070mm 处,为浮选分离装置设计提供了理论依据;使用高 30mm、半径80mm 的圆柱形永磁体提供磁场,将非导磁体所受一阶浮力换算为密度
3、,得出了本设计可浮选的非导磁体的密度范围为 1.651036.66103kg/m3.关键词:磁性液体;一阶浮力;磁选分离;结构设计中图分类号:O361.3文献标志码:ADesign of Automatic Flotation Separation Structure Based onFirst-Order Buoyancy of Magnetic LiquidsCUI Hongchao1,HAN Shida1,LI Chen2,ZHANG Jiajia1,LI Decai1,3(1.SchoolofMechanical,ElectronicandControlEngineering,Beij
4、ingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;2.SchoolofMechanicalScienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;3.StateKeyLaboratoryofTribology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Todeterminethemineralseparationprocessforthenon-magneticmaterialprecisionsort
5、ingproblembasedonthefirst-orderbuoyancyofamagneticfluid,thisstudyexaminesthestressofnon-magneticobjectsimmersedinamagneticfluidbychangingthedistancebetweenthepermanentmagnetandthemagneticfluidwhenthepermanentmagnetisusedasamagneticsource.Astructuralmodelofautomaticflotationseparationisthendesigned.I
6、nthedesignplan,theliftingstrokeoftheelectricscissorliftplatformusedfortheliftingofthemagneticsourcewas100mm;differentmagneticfieldstrengthscanbeprovidedtothemagneticliquidbyliftingthe magnetic source.Accordingly,a Cartesian robot and an end effector are designed to separate the non-magnetic material
7、s to salvage and separate non-magnetic objects suspended at different heights.Then,theANSYSMaxwellsoftwareisusedtoconducttwo-dimensionalandthree-dimensionalsimulationsofthedesignsituation.Theapproximatelycalculatedfirst-orderbuoyancyofthenon-magneticobjectsprovidesacertainbasisforthedesignofthelifti
8、ngplatformsload-bearingcapacity.Theresultsshowthatthesuspensionheightofthe收稿日期:2021-09-22修回日期:2022-05-23网络首发日期:2022-06-08基金项目:中央高校基本科研业务费(2022JBMC032);北京市自然科学基金(2222072);载运工具先进制造与测控技术教育部重点实验室(北京交通大学)开放课题(M21GY1300050)第一作者:崔红超(1983),女,副教授,研究方向为磁性液体复合材料,E-mail:引文格式:崔红超,韩世达,李辰,等.基于磁性液体一阶浮力原理的自动浮选分离结构设计
9、J.西南交通大学学报,2023,58(4):947-956CUIHongchao,HANShida,LIChen,etal.Designofautomaticflotationseparationstructurebasedonfirst-orderbuoyancyofmagneticliquidsJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2023,58(4):947-956第58卷第4期西南交通大学学报Vol.58No.42023年8月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYAug.2023specifiednon-magn
10、eticcylinderinthemagneticliquidis6070mmfromthebottomofthecontaineraccordingtothesimulationdatacalculation,whichprovidesatheoreticalbasisforthedesignofaflotationseparationdevice.Acylindricalpermanentmagnetwithaheightof30mmandaradiusof80mmisusedtoprovidethemagneticfield.Convertingthefirst-orderbuoyanc
11、yofthenon-permeablemagnetintodensity,thedensityrangeofthenon-permeablemagnetthatcanbefloatedusingthisdesignisapproximately1.651036.66103kg/m3.Key words:magneticliquid;firstorderbuoyancy;magneticseparation;structuraldesign磁性液体是人工合成的无毒无污染的新型功能材料,由直径为纳米量级的磁性颗粒、基载液和表面活性剂 3 部分组成,兼具固体材料的磁性和液体材料的流动性,可对外加磁场
12、迅速作出反应,呈现出许多特殊的磁能和力学特性1,广泛应用于密封、减震、矿选分离、传感等多个工业领域2-4.磁性液体的悬浮特性(一阶浮力和二阶浮力)是其最主要的静力学特性之一5-10.磁性液体的一阶浮力原理指的是磁性液体在外加非匀强磁场的作用下,可以将密度比自身大的非导磁体悬浮起来,因此磁性液体的一阶浮力原理在矿物分选领域有着很大的应用潜力.现有的磁选方法或装置多以磁性液体为分选介质,利用其在磁场下产生的“加重”作用,按矿物的磁性和密度的差异使不同矿物实现分离,多用于矿物之间磁性差异大或密度、导电性差异较大的情况11-15,但由于浸没于磁性液体中的永磁体矿物会对磁性液体本身的磁化产生影响,并且用
13、永磁体与外部磁源之间也会有相互作用力的产生,这种复杂的相互作用环境下设备的稳定性不能得到很好的保障.针对以上问题,进行了基于磁性液体一阶浮力原理的自动浮选分离结构的设计研究,特别适用于非导磁物质的分选,设计所用装置包括直角坐标机器人、末端执行器、机架、磁源升降平台、载物平台.设计通过磁源升降平台移动到合适位置提供磁场,基于一阶浮力原理将载物平台上非导磁物质悬浮起之后,通过直角坐标机器人将末端执行器移动到相应位置进行非磁性物质的抓捕,从而实现分离操作.由于在一阶浮力原理的应用中悬浮在磁性液体中的是非导磁体而不是永磁体,这样就避免了多个导磁体之间的相互影响,可大幅度提高设备稳定性和分选范围,浮选的
14、非导磁体的密度范围,经模拟仿真计算在 1.651036.66103kg/m3.1 磁性液体一阶浮力理论分析由于磁场的作用,浸没于磁性液体中的非导磁体受到的浮力是大于阿基米德浮力的,两者之间的差值便是磁性液体一阶浮力.类比于阿基米德浮力原理,磁性液体的一阶浮力大小等于被非导磁体排开的磁性液体在磁性液体中所受到的磁力.通过推导16得到一阶浮力为Fm=zS(0wH0MdH120M2n)ndS,(1)0式中:为磁导率;M 为磁性液体的磁化强度;H 为外部磁场强度;Mn为磁性液体的法向磁化强度;n 为法向量;S 为非导磁体表面积.由于磁性液体内部的磁化强度远小于外部磁场强度,因此悬浮在磁性液体中的非导磁
15、体所受的一阶浮力17为Fm=0wH0MdHndS.(2)因此,由式(2)可以看出,一阶浮力主要与磁性液体的饱和磁化强度、施加的磁场强度以及被悬浮物的表面积有关.所以磁性液体及其一阶浮力原理在矿物分选领域有着很大的应用潜力.针对提出的基于磁性液体一阶浮力原理的自动浮选分离结构设计,建立如图 1 所示一阶浮力计算模型,设置为一圆柱形非导磁物质完全浸没于装有磁性液体的容器内,S1、S2、S3分别为非导磁体的上表面、侧表面和下表面的面积.容器非磁性液体S1S2S3磁性液体永磁体图1一阶浮力计算模型Fig.1Firstorderbuoyancycalculationmodel此时,非导磁体外表面面积为S
16、=S1+S2+S3.(3)根据式(2),一阶浮力可写为Fm=0wH0MdHndS=zSpmndS,(4)pm=0wH0MdH式中:pm为磁化压力,.948西南交通大学学报第58卷圆柱形非导磁物质在磁性液体中所受的一阶浮力可写为Fm=zSpmndS=(wS1pmndS+wS2pmndS+wS3pmndS).(5)当圆柱形非导磁体轴线与容器轴线重合时,由磁场的对称性,磁化压力在容器侧面 S2的积分为 0,故式(5)可化简为Fm=(wS1pmndS+wS3pmndS).(6)式(6)可改写为Fm=120(wS1H2ndS+wS3H2ndS),(7)=MH式中:为磁化率,.因此本设计中一阶浮力的计算只
17、需求得圆柱形非导磁体上、下两个表面的磁场强度 H,并计算H2在上、下两个表面的积分,便可得出非导磁体所受的一阶浮力.2 机电系统设计 2.1 升降平台设计磁源升降平台用于安放永磁体磁源并改变其与磁性液体之间的距离,从而改变非磁性物体受到的一阶浮力的大小.2.1.1机械结构设计本设计中升降平台的作用是为磁源提供适当的位移以保证磁性液体的表观密度发生改变,从而提供足够的一阶浮力使不同密度的物体发生分离,由于所使用的磁性液体与磁源距离大于 100mm 后磁响应不明显,且考虑到磁源与磁性液体距离变动需求较小以及装置的紧凑性,故选用升降距离为 100mm的剪叉式升降机构.升降平台承载的主要是永磁体的重量
18、和其受到的磁力,从综合性能评价,选用密度为 7.4g/cm3的圆柱形钕铁硼永磁体,设计其直径为 100mm,高度为 20mm,故质量为m=r2h=1.17 kg,(8)式中:为永磁体的密度;r永磁体的半径;h 为永磁体的高度.考虑到升降平台会受到磁浮力的反作用力,故设定升降台载重 Gz为 40N.为了保证磁源移动时,使磁性液体的表观密度发生充分改变,从而提供磁源所在位置处充足的一阶浮力,故定位精度设计为1mm,以电驱动的方式,设定最大升降距离为100mm,且升降速度不宜过快,设定平台最大升降速度为 10mm/s.1)剪叉杆长度的确定剪叉杆的长度取决于升降高度,并且剪叉杆与水平面的起始角度不可太
19、小,否则电机初始负载过大,同时末位置与水平面夹角也不可太大,否则机构不稳定,预设剪叉杆的起始角度为 20,平台位置最高处剪叉杆角度为 60.已知最大升降距离为 100mm,故设剪叉杆长度为Lj,可列方程Ljsin60Ljsin20=100mm,求得 Lj=190mm,考虑到杆与其他部分的连接长度,取 Lj为 250mm.2)剪叉杆受力分析及有限元校核剪叉杆的受力情况如图 2 所示,图中:Q 为剪叉杆所受载荷;Gj为剪叉杆的重力;Ft为推力;Nz为剪叉杆所受支持力.Gj/2QOFtNz=Gj/2Lj图2剪叉杆受力Fig.2Scissorleverforce对点 O 列力矩平衡,如式(9).Gj2
20、Lj2cos+Gj2Lj2cos =FtLj2sin.(9)Ft=Gjcot Fjmax=Gj由式(9)求得推力,20,60,由于 Ft在该范围内是减函数,故剪叉杆最大推力cot20=109.89N.当剪叉杆受力最大时在 SOLIDWORKS 中进行有限元校核,剪叉杆长度设置为 250mm,材料选用6061 铝合金,设置剪叉杆与水平面成 20时,在一端铰接孔施加 20N 的力,另一铰接孔设置固定夹具,划分网格后其状态如图 3 所示.对该模型进行有限元分析,计算所得应力云图及最大应力如图 4 所示.1.312107N/m2由图 2 可知,其最大应力为,小于 6061 铝合金的屈服强度,工作安全系
21、数为 9.451,大于最小安全系数 4.204,故认为该剪叉杆强度足够.第4期崔红超,等:基于磁性液体一阶浮力原理的自动浮选分离结构设计949图3剪叉杆网格划分Fig.3Meshgenerationofscissorbar应力/(Nm2)1.3211071.2031071.0931079.8401068.7471067.6541066.5621065.4691064.3761063.2831062.1911061.0981065.136103屈服力:5.515107最大应力:1.312107图4剪叉杆应力云图Fig.4Nephogramofscissorbarstress3)丝杠螺母传动设计剪
22、叉式升降平台能够停留在工作区间内任意高度的条件有两点:电机能够提供足够大的扭矩足以支撑平台的载重及自重;丝杠要具有一定的自锁性,可以使平台在任意位置保持静止.通过剪叉杆受力分析可知,丝杠提供最大推力的位置在剪叉杆与水平面成 20时,丝杠最大推力与升降台载重的关系为Fsmax=2Gzcot 20=219.78 N.7.513.0 N/mm2Pp=8.0 N/mm2丝杠在升降过程中的速度约为 10mm/s,采用整体式螺母,查机械设计手册知应力系数的取值范围为 1.22.5,本文取 1.4.当丝杠螺母副低速运转时,螺纹副的许用压强 Pp取值范围为,此处取.d2根据丝杠耐磨性计算螺纹中径为d2 0.8
23、FsmaxPp.(10)d2 3.6 mm将数值代入式(10)计算得.由机械设计手册18得丝杠的尺寸参数如表 1 所示.表 1 梯形丝杠尺寸参数Tab.1Trapezoidalscrewsizeparametersmm螺纹种类螺距p导程s公称直径d外螺纹中径d2外螺纹小径d3内螺纹大径D4牙顶间隙ac梯形单头螺纹331614.512170.54)丝杠螺母传动校核a)丝杠螺母自锁性校核由机械设计手册知螺纹升角为=arctansd2,(11)=3.77代入数值计算得.当量摩擦角为d1=arctanfmcos2,(12)fmfm=0.09式中:为螺纹牙型角,=30;为摩擦系数,取.d1=5.33 d
24、1将上述、fm代入式(12)计算得.,故认为所设计的丝杠螺母机构的自锁性能满足使用要求.b)丝杠螺母机构的强度校核根据机械设计手册,螺纹副摩擦力矩为Mt=12d2Fsmaxtan(+d1),(13)Mt=255.22 Nmm代入数值计算得.丝杠的当量应力为ca=3(Mt0.2d33)2+(4Fsmaxd23)2.(14)ca=2.33 N/mm2s=355 N/mm2p=s5s3p71 N/mm2ca p代入数值计算得.丝杠选择45 钢材料,其屈服应力值,丝杠需用拉应力,则的最小值为.故,则丝杠螺母的强度符合使用要求.因此所设计的升降平台丝杠螺母机构满足设计要求.与升降平台搭配使用的超声波测距
25、装置可保证实现升降平台的定位精度.通过提高超声波转换器的固有频率和提高计时电路的计时频率,从而提高定位精度,减少测试误差,同时,丝杠的精度决定了以丝杠为主传动机械的精度.目前国内最常见的T3、P3 级别的丝杆,最高精度可达微米级别.平台工作时,通过控制磁源升降平台中电机的转动,使得联轴器将力传递给丝杠,丝杠转动带动滑块平动,继而带动剪叉机构的折叠与展开,最终将电机的转动转化为永磁体的上升与下降,配合超声波测距装置,以950西南交通大学学报第58卷实现所需的定位精度,给磁性液体提供合适的磁场,使其中的非导磁性物质悬浮.最终建立的模型如图 5所示.图5磁源升降平台装配图Fig.5Assemblyd
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