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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 韩世达 李辰 张佳佳 李德才

崔红超, 韩世达, 李辰, 张佳佳, 李德才. 基于磁性液体一阶浮力原理的自动浮选分离结构设计[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(4): 947-956. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210723
引用本文: 崔红超, 韩世达, 李辰, 张佳佳, 李德才. 基于磁性液体一阶浮力原理的自动浮选分离结构设计[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(4): 947-956. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210723
CUI Hongchao, HAN Shida, LI Chen, ZHANG Jiajia, LI Decai. Design of Automatic Flotation Separation Structure Based on First-Order Buoyancy of Magnetic Liquids[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(4): 947-956. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210723
Citation: CUI Hongchao, HAN Shida, LI Chen, ZHANG Jiajia, LI Decai. Design of Automatic Flotation Separation Structure Based on First-Order Buoyancy of Magnetic Liquids[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(4): 947-956. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210723

基于磁性液体一阶浮力原理的自动浮选分离结构设计

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210723
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)
详细信息
    作者简介:

    崔红超(1983—),女,副教授,研究方向为磁性液体复合材料,E-mail:hccui@bjtu.edu.cn

  • 中图分类号: O361.3

Design of Automatic Flotation Separation Structure Based on First-Order Buoyancy of Magnetic Liquids

  • 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100 mm,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ANSYS Maxwell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60~70 mm处,为浮选分离装置设计提供了理论依据;使用高30 mm、半径80 mm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,得出了本设计可浮选的非导磁体的密度范围为1.65 × 103~6.66 × 103 kg/m3.

     

  • 图 1  一阶浮力计算模型

    Figure 1.  First order buoyancy calculation model

    图 2  剪叉杆受力

    Figure 2.  Scissor lever force

    图 3  剪叉杆网格划分

    Figure 3.  Mesh generation of scissor bar

    图 4  剪叉杆应力云图

    Figure 4.  Nephogram of scissor bar stress

    图 5  磁源升降平台装配图

    Figure 5.  Assembly drawing of scissor lifting platform

    图 6  超声波时序图

    Figure 6.  Ultrasonic sequence diagram

    图 7  直角坐标机器人

    Figure 7.  Cartesian robot

    图 8  末端执行器设计图

    Figure 8.  End effector design drawing

    图 9  总装图

    Figure 9.  Assembly drawing

    图 10  非导磁体在磁性液体中悬浮示意

    Figure 10.  Schematic of non-permeable magnet suspended in magnetic liquid

    图 11  简化模型

    Figure 11.  Simplified model

    图 12  磁感应强度云图和磁感线分布

    Figure 12.  Magnetic induction intensity cloud map and magnetic line distribution map

    图 13  二维仿真中一阶浮力与深度的关系

    Figure 13.  Relationship between first-order buoyancy and depth in 2D

    图 14  3D仿真结果云图

    Figure 14.  Nephogram of 3D simulation results

    图 15  3D仿真中一阶浮力与深度的关系

    Figure 15.  Relationship between first-order buoyancy and depth in 3D simulation

    表  1  梯形丝杠尺寸参数

    Table  1.   Trapezoidal screw size parameters mm

    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331614.512170.5
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    表  2  测距模块电器参数

    Table  2.   Electrical parameters of the ranging module

    参数名数值
    工作电流/mA15
    工作电压DC5V
    最近射程/cm2
    最远射程/m4
    测量角度/(°)15
    输入触发信号10 μs 的TTL脉冲
    输出回响信号输出TTL电平信号,与测距成正比
    规格尺寸45 mm×20 mm ×15 mm
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    表  3  滚珠丝杠设计要求

    Table  3.   Ball screw design requirements

    设计指标规格
    被移动负载的质量/kg3
    丝杠行程520
    负载最大移动速度/(m·s−10.1
    加速时间/s1
    重复定位精度/mm0.1
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    表  4  尺寸参数

    Table  4.   Dimension parameters mm

    非导磁体半径非导磁体高度永磁体
    半径
    永磁体
    高度
    容器
    半径
    容器
    高度
    7.510502050100
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    表  5  其他仿真参数

    Table  5.   Other simulation parameters

    永磁体
    半径/mm
    永磁体
    高度/mm
    永磁体矫
    顽力/(A·m−1
    磁性液体
    磁导率
    悬浮
    位置/mm
    8030−8900001.3770
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    表  6  Hp与一阶浮力及视密度的关系

    Table  6.   Relationship between Hp, first-order buoyancy and apparent density

    距离/mm一阶浮力/N视密度/(×103 kg·m−3
    20.0896696.66
    50.0513394.45
    80.0313683.29
    110.0230862.81
    140.0153512.37
    170.0103542.08
    200.0029411.65
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-22
  • 修回日期:  2022-05-23
  • 网络出版日期:  2022-12-06
  • 刊出日期:  2022-06-08

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