中文摘要 傳統(tǒng)的行星式球磨機(jī)設(shè)計(jì)是按照“設(shè)計(jì)試制一實(shí)驗(yàn)一再設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行 的，即按照設(shè)計(jì)者不同的設(shè)計(jì)方案，繪制出工程圖紙，然后經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間基于經(jīng) 驗(yàn)的方案論證后，選擇出合適的方案，并試制出物理樣機(jī)，然后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行大量 的實(shí)驗(yàn)與分析，據(jù)此改進(jìn)最初設(shè)計(jì)，進(jìn)行新一輪試制和實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)修改后定 型，最后投入生產(chǎn)準(zhǔn)備。這種方法不僅花費(fèi)大量人力、物力，延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期，而 且有些實(shí)驗(yàn)因?yàn)榘殡S著危險(xiǎn)性而難于進(jìn)行，更為重要的是，設(shè)計(jì)者無(wú)法動(dòng)態(tài)掌握 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能關(guān)系的本質(zhì)規(guī)律，不能及早發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)缺陷。 本文以小型行星式快速球磨機(jī)為研究對(duì)象，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)行星式球磨 機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模、仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)磨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)化；并 針對(duì)行星式磨機(jī)工作載荷的不同，研究其內(nèi)部物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律，獲取影響其性能的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行優(yōu)化，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少試制、實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，縮短設(shè) 計(jì)周期，然后實(shí)現(xiàn)行星式球磨機(jī)設(shè)計(jì)的系列化。 首先，本文分析了球磨機(jī)設(shè)計(jì)和虛擬樣機(jī)技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，闡 述課題提出的目的和意義，明確本文研究的主要內(nèi)容。其次，從結(jié)構(gòu)上探討小型 行星式快速球磨機(jī)的工作原理及運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)磨機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立磨 機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)一步基于虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)磨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)化。同時(shí)， 推導(dǎo)出小型行星式快速球磨機(jī)中球磨體與磨筒壁脫離點(diǎn)既與磨機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)， 同時(shí)受磨機(jī)轉(zhuǎn)速影響的球磨體脫離的臨界方程，并建立磨機(jī)四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì) 物料研磨率和球磨體粉碎功率影響的表征模型，實(shí)現(xiàn)磨機(jī)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真，分 析鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)磨機(jī)研磨效率的影響，并最終得到磨機(jī)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu) 的優(yōu)化機(jī)型。 根據(jù)研磨對(duì)象為陶瓷粉末，物料粒度在2 0 目以下，莫氏硬度在7 度以下， 研究了單介質(zhì)時(shí)磨筒內(nèi)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，并分析磨簡(jiǎn)直徑、介質(zhì)體積和電機(jī)轉(zhuǎn) 速對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)特性的影響，同時(shí)基于介質(zhì)模型及理論結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)磨簡(jiǎn)直徑、 介質(zhì)大小和電機(jī)轉(zhuǎn)速的理想值進(jìn)行推導(dǎo)。 最后，對(duì)全文的實(shí)驗(yàn)和研究進(jìn)行總結(jié)，得出一些有益的結(jié)論，并提出進(jìn)一步 研究的設(shè)想。 關(guān)鍵詞：小型行星式快速球磨機(jī)，動(dòng)力學(xué)仿真，優(yōu)化設(shè)計(jì)，虛擬樣機(jī)技術(shù) a b s t r a c t c o n v e n t i o n a ld e s i g no fp l a n e t a r yg r i n d i n gm a c h i n ei si na c c o r d a n c ew i t ht h e p r o c e s so f “d e s i 鯽啊a 】- e x p 酣m e l l t - - r e d e s i g n ”，i tm e a n sa c c o r d i n gt o t h e d i f f e r e n td e s i g no p t i o n so fe v e r yd e s i g n e r , m a k ee n g i n e e r i n gd r a wa p p e a r , t h e nc h o s e t h e a p p r o p r i a t eo p t i o n a n dt r i a lap h y s i c a l p r o t o t y p ea f t e r al o n gp e r i o do f d e m o n s t r a t i o nb a s e do ne x p e r i e n c e a n dt h e nc a r r yo u tm a n ye x p e r i m e n t sa n d a n a l y s i s ，i no r d e rt oi m p r o v et h ei n i t i a ld e s i g n t h e nm a k ear o u n do ft r a i la n d e x p e r i m e n t s ，d e t e r m i n et h em o d e la n dp u ti ti n t op r o d u c t i o na f t e rm o d i f i c a t i o n t h i s m e t h o dn o to n l yc o s t sal o to fm a n p o w e r , m a t e r i a l ，a n de x t e n d st h ed e s i g nc y c l e ，a n d a l s os o m ee x p e r i m e n t sw i l lb ea s s o c i a t e dw i t hd i f f i c u l tb e c a u s eo fm a n yd a n g e r s f u r t h e r m o r e ，d e s i g n e r sa r eu n a b l et og e tt h en a t u r eo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e a sar e s u l t ，d e s i g n e r sc o u l dn o tf i n dt h ep o t e n t i a ld e f e c t s a ss o o na se a r l y i nt h i sp a p e r , t h es m a l lp l a n e t a r yg r i n d i n gm a c h i n ee x p r e s sa st h er e s e a r c ho b j e c t ， t h ek i n e m a t i c a la n a l y s i s ，d y n a m i cm o d e l i n g ，s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nh a v eb e e n s t u d i e db yv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y a n dr e a l i z et h ep a r a m e t r i co ft h e s t r u c t u r eo ft h i sg r i n d i n gm a c h i n e t h e ns t u d yt h em o v e m e n to fi n t e r n a lm a t e r i a l s ， a n dg e tt h ep a r a m e t e r so fs t r u c t u r ew h i c ha f f e c ti t sp e r f o r m a n c e a n dt h e no p t i m i z e ， w h i c hi si no r d e rt oi m p r o v et h eg r i n d i n gq u a l i t y , a tt h es a m et i m er e d u c et h en u m b e r o ft h et r a i la n de x p e r i m e n t s f i n a l ， s h o r t e nt h ed e s i g nc y c l e ，a n da c h i e v et h e s e r i a l i z a t i o no fd e s i g ni np l a n e t a r yg r i n d i n gm a c h i n e f i r s t ，i nt h i sp a p e r , r e v i e wt h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i t u a t i o no ft h ef i e l d s c o r r e l a t i v ew i t ht h eg r i n d i n gm a c h i n ea n dt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , i n d i c a t et h et a r g e ta n dv a l u e so ft h et h e s i s ，a n ds t a t et h ec h i e fr e s e a r c hc o n t e n to fi t t h e n ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o v e m e n th a v eb e e ns t u d i e d ， a n ds e tu pad y n a m i cm o d e lo ft h em i l l ，h a v eak i n e t i ca n a l y s i s ，a n dp a r a m e t e r i z et h e s t r u c t u r eo ft h i sg r i n d i n gm a c h i n e w h i c hf o l l o w s ，t h ec r i t i c a le q u a t i o no fc o l l i s i o nb e t w e e nt h eb a l la n dc o n t a i n e r w a l lo ft h eg r i n d i n gm a c h i n eh a sb e e nd e d u c e db a s e do nd e s i g np a r a m e t e r sa n dt h e s p e e do ft h es m a l lp l a n e t a r yf a s tg r i n d i n gm a c h i n e ，f r o mt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s t r u c t u r ea n dt h es p e e d ac h a r a c t e r i z a t i o nm o d e lo fa n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pa m o n g t h eg r i n d i n gp o w e ro fs m a s h ，g r i n d i n gr a t ea n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h eg r i n d i n g m a c h i n eh a sb e e ne s t a b l i s h e d b e s i d e s ，d y n a m i cs i m u l a t i o nf o rt h eg r i n d i n gm a c h i n e i i i si m p l e m e n t e d t h e ng e tm eo p t i m i z a t i o nm o d e l t h eg r i n d i n go b j e c t ，i nt h i sp a p e r , i st h ep o w d e ro fc e r a m i c s t h ev a l u eo ft h e m a t e r i a l ss i z ei su n d e r2 0 m o h sh a r d n e s si su n d e r7 a c c o r d i n gt o t h eg r i n d i n g o b je c t ，t h ek i n e m a t i c a lp r o p e r t i e so f t h ei n t e m a lm a t e r i a l s ，f o re x a m p l e ，t h ed i a m e t e r o ft h et u b e a n dt h ev o l u m eo ft h ei n t e r n a lm a t e r i a l ，a n dt h em o t o rs p e e d ，h a v eb e e n s t u d i e d a f t e rt h a t ，t h ei m p a c t i o no ft h e s ek i n e m a t i c a lp r o p e r t i e sh a sb e e na n a l y z e d t h e ng e tt h e i ri d e a lv a l u e f i n a l l y , i m p o r t a n tc o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e d ，a n dm o r e r e s e a r c ha s s u m p t i o n s b r o u g h tf o r w a r d k e yw o r d s ：s m a l lp l a n e t a r yf a s tg r i n d i n gm a c h i n e ，d y n a m i c ss i m u l a t i o n ，o p t i m a l d e s i g n ，v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y i i i 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人 已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的 學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已 在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 學(xué)b 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即學(xué)校有權(quán)保 留、送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿?分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 驂碰日期：幽 i i 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 課題的研究背景及意義 由于球磨機(jī)在物料粉碎中具備高效、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，使得球磨機(jī)自1 8 9 3 年以來(lái)， 已在金屬礦及非金屬礦選礦廠、冶金、建材、化工及電力部門等若干基礎(chǔ)行業(yè)的 物料粉碎中得到廣泛的應(yīng)用，而且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍將是物料粉碎的主要 設(shè)備。近1 0 年來(lái)，磨礦設(shè)備仍然廣泛應(yīng)用于普通臥式筒型球磨機(jī)，而且圍繞提高 磨礦效率、降低能耗方面國(guó)內(nèi)外的研究者作了大量工作i l 吲。 行星式球磨機(jī)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，是混合、研磨、新產(chǎn)品研制和生產(chǎn)高 新技術(shù)材料的必備裝置。行星式球磨機(jī)體積小、功能全、效率高、粒度細(xì)，廣 泛應(yīng)用于地質(zhì)、礦產(chǎn)、冶金、電子、建材、陶瓷、化工、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)。該 機(jī)械設(shè)備可用于納米材料的制備，如納米合金的制備、也可用于微納米粉體的表 面改性及粒子的復(fù)合處理i j 。 目前大型球磨機(jī)的研究比較多，而小型行星式球磨機(jī)的設(shè)計(jì)研究卻比較少。 傳統(tǒng)的行星式球磨機(jī)設(shè)計(jì)是按照“設(shè)計(jì)一試制一試驗(yàn)一再設(shè)計(jì)”的過程進(jìn)行的， 即按照設(shè)計(jì)者不同的方案設(shè)計(jì)，繪制出工程圖紙，然后經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間基于經(jīng)驗(yàn)的 方案論證后，選出較合適的方案，并試制出物理樣機(jī)；試制出樣機(jī)后，對(duì)樣機(jī)進(jìn) 行大量的試驗(yàn)與分析，據(jù)此改進(jìn)最初設(shè)計(jì)，進(jìn)行新一輪試制與試驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)修 改后定型，最后投入生產(chǎn)準(zhǔn)備。這種方法不僅花費(fèi)大量人力、經(jīng)費(fèi)，延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周 期，而且有些試驗(yàn)因?yàn)榘殡S著危險(xiǎn)性而難于進(jìn)行，更為重要的是，設(shè)計(jì)者無(wú)法動(dòng) 態(tài)掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能關(guān)系的本質(zhì)規(guī)律，不能及早發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)缺陷。 本論文以改善小型行星式球磨機(jī)的研磨效率和研磨粒度等磨機(jī)性能為目標(biāo)， 利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)行星式球磨機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模、仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)化；針對(duì)行星式球磨機(jī)工作載荷的不同，研究其內(nèi)部 物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律，獲取影響行星式球磨機(jī)性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行優(yōu)化，以提 高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少試制、試驗(yàn)的次數(shù)，縮短設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)行星式球磨機(jī)設(shè)計(jì)的 系列化，提高磨機(jī)性能，具有很強(qiáng)的理論和工程意義。 同時(shí)關(guān)于球磨機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與主要技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系尚不清晰，如 本課題中球磨機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸和球磨機(jī)的研磨效果、球磨機(jī)的生產(chǎn)能力、 球磨機(jī)的功率等之間的關(guān)系。本課題擬以小型行星式球磨機(jī)為研究對(duì)象，建立研 磨效果與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，并對(duì)小型行星式球磨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu) 化，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 武漢理下大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 國(guó)內(nèi)外磨礦技術(shù)及球磨機(jī)研究現(xiàn)狀 針對(duì)球磨機(jī)的理論研究，主要有球磨介質(zhì)研究和介質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律理論研究1 9 l 。 球磨機(jī)是靠介質(zhì)對(duì)物料的沖擊和研磨作用來(lái)完成對(duì)物料的破碎作用，在介質(zhì)對(duì)物 料的破碎力學(xué)過程中，介質(zhì)作為能量的媒介體將外界能量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)物料的破碎功 而對(duì)物料實(shí)施破碎作用?？梢?，介質(zhì)的尺寸大小決定著介質(zhì)攜帶能量的大小，也 就決定著對(duì)物料實(shí)施破碎力的大小，最終決定粉磨效率以及產(chǎn)品的質(zhì)量特性，影 響粉磨的電耗和介質(zhì)消耗。因此，介質(zhì)尺寸的大小是一個(gè)牽動(dòng)粉磨全盤的關(guān)鍵因 素，介質(zhì)尺寸選擇以及介質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)恰當(dāng)與否對(duì)粉磨過程的影響都很大i l 羽。 由于介質(zhì)尺寸對(duì)物料粉磨的影響至關(guān)重要，因此長(zhǎng)期以來(lái)粉碎工作者在如何 精確的確定介質(zhì)的尺寸方面做了大量研究。 同濟(jì)大學(xué)的戴少生1 1 3 1 在總結(jié)國(guó)內(nèi)外 試驗(yàn)和生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)得出結(jié)論：形狀、尺寸和級(jí)配合理的新型球磨體柱球( 段 球) ，對(duì)于提高粉磨效益、降低球耗是選擇適宜的研磨介質(zhì)。并對(duì)石英砂粉磨進(jìn) 行生產(chǎn)試驗(yàn)，得到了較好的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)國(guó)內(nèi)若干新型輕質(zhì)“砂加氣”混凝土制 品砌塊、板材廠的球磨機(jī)，粉磨堅(jiān)硬礦石的干法球磨機(jī)及水泥行業(yè)均有一定價(jià)值。 對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律理論的研究，磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)介質(zhì)群運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中， 介質(zhì)會(huì)與鄰接的其它介質(zhì)以及磨機(jī)內(nèi)壁之間發(fā)生碰撞，這些碰撞將決定介質(zhì)在磨 機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由于粉磨過程的復(fù)雜性，以及運(yùn)動(dòng)過程中與鄰接介質(zhì)相互作用 的復(fù)雜性，使得充分了解這些碰撞特性非常困難，也就導(dǎo)致介質(zhì)運(yùn)動(dòng)研究的困難。 隨著d e m ( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ) 在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于粉 磨過程中的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)建模。目前二維d e m 和三維d e m 在介質(zhì)運(yùn)動(dòng)研究中己經(jīng)被逐步 推廣應(yīng)用1 4 i 。 磨礦設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)主要有：磨機(jī)大型化；發(fā)展高效節(jié)能球磨機(jī)；發(fā)展細(xì)磨 和超細(xì)磨設(shè)備。關(guān)于磨機(jī)大型化研究，芬蘭r a u m a - r e p o l a 公司l l5 l 制造了世界上 最大球磨機(jī)( 0 6 5 x 9 6 5 m ，傳動(dòng)裝置是一個(gè)與筒體組成整體的9 6 5 m w - - - 相同步環(huán) 形電機(jī)，該機(jī)在挪威的錫得瓦蘭格公司( s y d v a r a n g e r ) 的希爾克內(nèi)斯( k i r k e n e s ) 鐵 礦廠投入使用生產(chǎn)能力達(dá)至1 1 0 0 0 t h ，磨礦總費(fèi)用降低了3 0 。磨機(jī)直徑的變化對(duì) 磨礦過程有明顯的影響，磨機(jī)直徑過大，會(huì)產(chǎn)生一些問題。如轉(zhuǎn)速降低，容易導(dǎo) 致鋼球沖擊作用小，磨剝作用大，球和礦的接觸少，球荷死區(qū)迅速增加，往往會(huì) 導(dǎo)致單位容積產(chǎn)量下降，磨礦產(chǎn)品的電耗高。因此，a l l i s c h a l m e r s 公司i l6 j 認(rèn)為球 磨機(jī)直徑不能超過5 m m 是有道理的。 在高效節(jié)能球磨機(jī)方面的研究，主要有中心傳動(dòng)球磨機(jī)，靜動(dòng)壓軸承球磨機(jī)， 圓錐形球磨機(jī)，超臨速球磨機(jī)，細(xì)磨和超細(xì)磨設(shè)備。中心傳動(dòng)球磨機(jī)的傳動(dòng)是通 過電機(jī)帶動(dòng)行星齒輪減速器直接驅(qū)動(dòng)筒體，電機(jī)、減速器傳動(dòng)系統(tǒng)和筒體位于同 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 一中心軸線上，簡(jiǎn)體由調(diào)心滾子軸承支承，磨機(jī)中空軸徑與主軸承間為滾動(dòng)摩擦， 阻力減小，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。靜動(dòng)壓軸承球磨機(jī)采用靜動(dòng)壓軸承，在啟動(dòng)時(shí)采用高壓 液壓系統(tǒng)潤(rùn)滑，用高壓油將球磨機(jī)筒體頂起，待啟動(dòng)后采用低壓液壓系統(tǒng)潤(rùn)滑， 保證了球磨機(jī)中空軸徑始終處于良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦阻力小，啟動(dòng)電流低，降 低了磨礦功耗。圓錐形球磨機(jī)的主軸承為調(diào)心滾子軸承，摩擦阻力小，降低了能 耗l m 埔i 。在磨礦生產(chǎn)過程中，磨機(jī)的生產(chǎn)能力隨磨機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加，提高 磨機(jī)轉(zhuǎn)速，可顯著地提高磨機(jī)生產(chǎn)能力，但是當(dāng)常規(guī)磨機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過某一 值時(shí)，其中的礦石和磨礦介質(zhì)將發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)，磨礦能力不但不隨轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步 增加而增加，反而出現(xiàn)幾乎不能磨礦的現(xiàn)象，這時(shí)磨機(jī)的轉(zhuǎn)速就是臨界轉(zhuǎn)速i l 引。 如果能突破這一臨界轉(zhuǎn)速，使磨機(jī)的生產(chǎn)能力在臨界轉(zhuǎn)速以上仍然隨磨機(jī)轉(zhuǎn)速的 增加而增加，這樣就能達(dá)到磨機(jī)小型化、生產(chǎn)能力大型化的發(fā)展目標(biāo)，對(duì)于礦物 加工、化工和建材等傳統(tǒng)行業(yè)的磨礦發(fā)展都將起到十分重要的作用。由昆明理工 大學(xué)文書明等f(wàn) 2 0 l 發(fā)明研制的超臨速球磨機(jī)克服了常規(guī)球磨機(jī)不能在臨界轉(zhuǎn)速以 上有效磨礦的不足。超臨速球磨機(jī)筒體內(nèi)采用礦石和介質(zhì)流導(dǎo)向機(jī)構(gòu)改變了常規(guī) 球磨機(jī)內(nèi)被重力和離心力控制的介質(zhì)和礦石流的運(yùn)動(dòng)軌跡，使礦石受到高速的和 最大限度的沖擊和磨剝，很好地解決了常規(guī)球磨機(jī)在臨界轉(zhuǎn)速以上不能有效磨礦 的問題，使球磨機(jī)在臨界轉(zhuǎn)速以上的情況下仍然能夠有效地進(jìn)行磨礦，磨礦效率 和速度得到提高。 對(duì)于細(xì)磨和超細(xì)磨設(shè)備，主要研究有關(guān)于高速?zèng)_擊粉碎機(jī)，行星式球磨機(jī)， 振動(dòng)磨和其他一些超細(xì)粉碎設(shè)備。高速?zèng)_擊粉碎機(jī)是指圍繞水平或垂直高速旋轉(zhuǎn) 的回轉(zhuǎn)體( 轉(zhuǎn)子、錘子、葉片) 給物料以強(qiáng)烈沖擊的一種沖擊式粉碎設(shè)備。日本細(xì) 川密特朗公司1 2 m 2 i 生產(chǎn)的c m 高速?zèng)_擊式超細(xì)粉磨機(jī)是一種先進(jìn)的設(shè)備，已廣 泛地應(yīng)用在非金屬超細(xì)粉碎，可將8 m m 以下物料一次粉碎成1 0 1 t m 占7 0 以上， 配上分級(jí)設(shè)備，一1 0 岬可以達(dá)n 9 5 。國(guó)內(nèi)咸陽(yáng)非金屬礦研究所、瓦房店化工 機(jī)械廠1 2 3 l 均生產(chǎn)該類設(shè)備。該設(shè)備可應(yīng)用于滑石、粘土、重晶石、碳酸鈣、云 母、石墨等非金屬的超細(xì)粉碎。常規(guī)行星式球磨機(jī)中的球磨罐是被立式裝在一水 平平面放置的大盤上作行星運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，磨球和磨料受公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)兩個(gè) 水平方向離心力的作用，相互碰撞，研磨產(chǎn)品，在這種研磨過程中，對(duì)于相對(duì)靜 止的底平面而言，磨球和磨料的重力不起作用。南京大學(xué)儀器廠1 2 6 1 最近推出 一種新型行星磨一臥式行星球磨機(jī)。該機(jī)的特點(diǎn)是四只球磨罐被臥式安裝在一豎 直平面放置的大盤上作行星運(yùn)動(dòng)。在這種運(yùn)動(dòng)過程中，球磨罐沒有固定的底面， 罐內(nèi)磨球和磨料在豎直平面內(nèi)受到公轉(zhuǎn)離心力、自轉(zhuǎn)離心力、重力三個(gè)力的共同 作用。機(jī)器旋轉(zhuǎn)時(shí)，罐內(nèi)各點(diǎn)所受力的大小與方向都在不斷變化，運(yùn)動(dòng)軌跡雜亂 無(wú)章，這就導(dǎo)致磨球與磨料在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中相互之間猛烈碰撞、擠壓，大大提高了 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 研磨效率和研磨效果。特別是球磨罐處于水平臥放方式，由于自轉(zhuǎn)，球磨罐沒有 固定的底面，避免了一部分材料的結(jié)底現(xiàn)象。龔姚騰等1 2 7 l 研制的微型雙筒行星 式球磨機(jī)，由于磨筒自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力及磨筒與筒壁間摩擦力等的作用， 使磨球與物料在筒內(nèi)產(chǎn)生互相沖擊、摩擦和上下翻滾等，這些作用即起到了磨碎 物料的作用。張克仁等1 2 8 i 研制的t c m j 1 型超細(xì)球磨機(jī)也是一種行星式球磨機(jī)， 它是以搓揉方式為主的平動(dòng)式超細(xì)粉碎方法。試驗(yàn)表明，該機(jī)具有效率高、節(jié)能 效果明顯和超細(xì)磨礦的良好性能。由陳世柱等1 2 9 i 研制的行星式高能球磨機(jī)由于 磨球?qū)Ψ垠w頻繁強(qiáng)烈地撞擊、碾壓及搓揉等作用，具有較大的慣性力，因而對(duì)粉 體能產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊，其撞擊力隨著轉(zhuǎn)速的提高成平方增加。其它超細(xì)粉碎設(shè)備 1 3 0 l 主要有l(wèi) u r g i o 離心磨機(jī)、高強(qiáng)度離心磨機(jī)、攪拌磨、氣流磨、膠體磨等。為了 經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)超細(xì)粉體，國(guó)內(nèi)外一些專家對(duì)球磨機(jī)、雷蒙磨等進(jìn)行了改進(jìn)，配上高 效干法微細(xì)分級(jí)機(jī)，生產(chǎn)出了合格超細(xì)產(chǎn)品。例如球磨介質(zhì)球，增大填充率，可 應(yīng)用于超細(xì)粉碎。雷蒙磨配上分級(jí)機(jī)能生產(chǎn)一1 0 岬的粉體產(chǎn)品1 3 。因此超細(xì)粉碎 設(shè)備是與工藝聯(lián)系在一起，工藝參數(shù)的調(diào)整至關(guān)重要。 此外，也有一些對(duì)于磨筒內(nèi)球磨體受力狀況的研究。特別是關(guān)于磨球沖擊應(yīng) 力方面的研究。磨球沖擊應(yīng)力有兩方面的重要性1 3 w 3 i ：一方面是從破碎角度而 言，磨球沖擊應(yīng)力的大小決定了粉碎效率；另一方面從降低磨球和襯板在使用中 的破碎率而言，磨球沖擊應(yīng)力的大小是磨球和襯板選材的一個(gè)重要依據(jù)。美國(guó)的 c l i m a xm o l y b d e n u m 公司的d j d u n n 和r g m a r t i n 設(shè)計(jì)了一套繁復(fù)的試驗(yàn)來(lái)測(cè)量 磨球沖擊應(yīng)力【3 4 i 。但是，當(dāng)沖擊速度較大時(shí)，由于沖擊作用時(shí)間短于加速度計(jì) 的應(yīng)答時(shí)間，加速度計(jì)記錄不下來(lái)。目前有人在嘗試用離散單元法來(lái)解決此類問 題，但還不成熟。其他還有孫新民等1 3 5 l 進(jìn)行了四軸球體球磨機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析， 鄭文1 3 7 1 對(duì)搖擺式圓盤球磨機(jī)研磨軌跡形態(tài)進(jìn)行了研究。 近年來(lái)高效節(jié)能、超細(xì)粉磨設(shè)備得到了快速發(fā)展，但各種設(shè)備均存在各自的局 限性，離成為一種通用的磨礦設(shè)備還有一段距離。且對(duì)于立式行星球磨機(jī)而言， 磨球脫離筒壁后，在磨筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律十分復(fù)雜，確切的運(yùn)行軌跡不易求得。 1 3 虛擬樣機(jī)技術(shù)及a d a m s 1 9 9 0 年1 0 月2 9 日，美國(guó)波音公司正式啟動(dòng)波音7 7 7 飛機(jī)研制計(jì)劃，采用了一 種全新的設(shè)計(jì)與制造方式，于1 9 9 4 年6 月1 2 日直接進(jìn)行了第1 架波音7 7 7 的首次試 飛。波音7 7 7 飛機(jī)的研制采用了全數(shù)字化的無(wú)紙?jiān)O(shè)計(jì)技術(shù)，整機(jī)外型、結(jié)構(gòu)件和 整機(jī)飛機(jī)系統(tǒng)1 0 0 采用三維數(shù)字化定義，1 0 0 應(yīng)用數(shù)字化預(yù)裝配，整個(gè)設(shè)計(jì)制 造過程無(wú)需模型和樣機(jī)，一次成功，首次實(shí)現(xiàn)整機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造和數(shù) 字化協(xié)調(diào)。其采用的開發(fā)過程現(xiàn)在稱之為虛擬產(chǎn)品開發(fā)，其采用的開發(fā)過程現(xiàn)在 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 稱之為虛擬樣機(jī)技術(shù)1 3 8 1 。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日臻成熟，在對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析中，虛擬樣機(jī)技術(shù)得到 發(fā)展。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)新生的工程技術(shù)。它采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬技術(shù)，在 計(jì)算機(jī)上通過c a d c a m c a e 等技術(shù)把產(chǎn)品的資料集成到一個(gè)可視化的環(huán)境中， 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的仿真、分析。虛擬樣機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)的初級(jí)階段一概念設(shè)計(jì)階段就可以 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行完整的分析，可以觀察并試驗(yàn)各組成部件的相互運(yùn)動(dòng)情況。適用 系統(tǒng)仿真軟件在各種虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，它可以在計(jì)算機(jī)上方便 地修改設(shè)計(jì)缺陷，仿真試驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)方案，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)不斷改進(jìn)，直至獲得最 優(yōu)設(shè)計(jì)方案以后，再做出物理樣機(jī)1 3 9 i 。 2 0 0 3 年7 月1 5 日，虛擬產(chǎn)品開發(fā)解決方案供應(yīng)商一美國(guó)m s c 公司1 4 0 l 公布了 m s c a d a m s2 0 0 3 版。m s c a d a m s 提供從建立模型、仿真分析到數(shù)據(jù)后處理 等功能強(qiáng)大流暢的設(shè)計(jì)流程，使工程師能夠在產(chǎn)品物理樣機(jī)制造出來(lái)之前即可以 對(duì)產(chǎn)品性能、品質(zhì)等進(jìn)行分析，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短 產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品性能。 在機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真以及a d a m s 理論基礎(chǔ)的研究上，馮景華1 4 1 1 等從機(jī)械系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真遵循的一般步驟出發(fā)，研究a d a m s 的分析計(jì)算方法，從而極大限度 地發(fā)揮了a d a m s 軟件的仿真功能，同時(shí)也為a d a m s 軟件的二次開發(fā)提供了一 定的理論基礎(chǔ)。馬玉坤1 4 2 l 等結(jié)合a d a m s 軟件對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真分析，把 a d a m s 軟件的基礎(chǔ)理論和求解算法應(yīng)用在汽車動(dòng)力學(xué)模型的分析上，在理論和 實(shí)踐上都具有非常重要的意義。凌雯等1 4 3 l 利用機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析軟件a d a m s 來(lái) 建立計(jì)算機(jī)仿真分析的參數(shù)化模型，仿真分析了懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性， 并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，探討了模型中存在的誤差和缺陷，為進(jìn)一步提高模 型的精確度指明了方向。 由于a d a m s 在三維建模中的不足，研究者把目光轉(zhuǎn)向了專業(yè)三維造型 c a d 軟件與a d a m s 建模之間的關(guān)系。杜中華等i 闡述了a d 蝴s 和p r o e 聯(lián)合 建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)仿真模型的步驟和注意事項(xiàng)，提出了p r o e 三維造型_ p r o e 機(jī)構(gòu)裝配- - - , m p r o 形成剛體和一些簡(jiǎn)單約束_ a d a m s 中添加復(fù)雜約束和力 一a d a m s 中進(jìn)行仿真、觀察結(jié)果的建模仿真步驟。 目前針對(duì)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)在行星式球磨機(jī)設(shè)計(jì)變量和主要技術(shù)參數(shù)上進(jìn) 行優(yōu)化的研究還比較少。本文主要針對(duì)立式小型行星式球磨機(jī)工作原理和磨筒內(nèi) 球磨體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型利用p r o e 和a d a m s 聯(lián)合建立起小型行星式球磨機(jī)的仿真 模型，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得出球磨機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與主要技術(shù)參數(shù)的關(guān)系，并實(shí) 現(xiàn)優(yōu)化。 武漢理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 行星式球磨機(jī)粉碎原理 行星式球磨機(jī)是借助一種特殊的裝置，使球磨簡(jiǎn)體既產(chǎn)生公轉(zhuǎn)又產(chǎn)生自轉(zhuǎn)來(lái) 帶動(dòng)磨腔內(nèi)的球研磨介質(zhì)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊、研磨作用，使介質(zhì)之間的物料被粉 碎和超細(xì)化。間歇式行星球磨機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通球磨機(jī)相比有很大差別，前者比后 者復(fù)雜得多。普通球磨機(jī)通常是一個(gè)磨筒，而行星球磨機(jī)則有多個(gè)磨筒，一般為 個(gè)個(gè)磨筒均勻?qū)ΨQ地分布在公轉(zhuǎn)盤上。普通球磨機(jī)的研磨筒體水平安裝在固定的 軸座內(nèi)，而行星球磨機(jī)磨筒既可以水平安裝也可以垂直安裝在公共轉(zhuǎn)盤上。二者 的主要區(qū)別在于磨筒的運(yùn)動(dòng)方式不同。普通球磨機(jī)的簡(jiǎn)體僅繞固定的中心軸旋 轉(zhuǎn)，而行星磨筒為復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，一方面，電機(jī)帶動(dòng)公共轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在其 上的磨筒隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)為“公轉(zhuǎn)”牽連運(yùn)動(dòng)另一方面，由于齒輪或三角帶傳動(dòng)的 作用，磨筒還繞自身的中心軸“自轉(zhuǎn)”相對(duì)運(yùn)動(dòng)。磨筒的這種既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)的 平面運(yùn)動(dòng)，稱之為行星運(yùn)動(dòng)。磨筒的行星運(yùn)動(dòng)是行星球磨機(jī)區(qū)別于普通球磨機(jī)的 基本標(biāo)志。它可看作是一種普通球磨機(jī)與離心式球磨機(jī)的結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一種 新機(jī)犁1 4 1 1 5 1 1 3 6 1 1 4 5 1 。 由于磨筒自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的速度變化引起的離心力及磨筒與球磨機(jī)摩擦力等的 作用，使磨球與物料在筒內(nèi)產(chǎn)生互相沖擊、摩擦及上下翻滾等，起到了磨碎物 料的作用。 在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)等合力的作用下可使研磨介質(zhì)磨球的離心加速度達(dá)到1 0 0 m s 甚至更高；同時(shí)，磨筒轉(zhuǎn)速越高，磨球與磨體之間的最大正壓力為磨球所受到重 力的5 倍 6 倍，這使得行星磨的研磨效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通球磨機(jī)1 3 們。 1 5 課題的來(lái)源、目的及主要內(nèi)容 本課題來(lái)源于湖北省重大專項(xiàng)項(xiàng)目“高性能陶瓷窯爐裝備關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及示 范”鄂科技發(fā)計(jì)( 2 0 0 7 ) 1 0 1 號(hào)。本課題研究的小型行星式快速球磨機(jī)是實(shí)驗(yàn)室、 小批量生產(chǎn)用高效超細(xì)研磨、混合設(shè)備，能采用濕法或干法的形式對(duì)物料進(jìn)行超 細(xì)研磨或混合。 本文以小型行星式球磨機(jī)為研究對(duì)象，以a d a m s 參數(shù)化建模、仿真和優(yōu) 化為基礎(chǔ)，建立行星式球磨機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化， 建立研磨效果與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)小型行星式球磨 機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 研究的主要內(nèi)容有： ( 1 ) 小型行星式球磨機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究。 ( 2 ) 磨筒內(nèi)球磨體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究。 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 3 ) 從球磨機(jī)的研磨粒度和研磨效率出發(fā)建立起球磨機(jī)性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù) 的關(guān)系。 ( 4 ) 采用虛擬樣機(jī)技術(shù)優(yōu)化行星式球磨機(jī)的結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)性能 的優(yōu)化，并與優(yōu)化前的樣機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析。 擬解決的關(guān)鍵問題： ( 1 ) 磨筒內(nèi)球磨體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的建立。 ( 2 ) 以研磨粒度和研磨效率為目標(biāo)，建立球磨機(jī)性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系， 優(yōu)化行星式球磨機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 本論文主要根據(jù)球磨機(jī)的工作條件分析磨筒內(nèi)球磨體的運(yùn)動(dòng)過程，建立球磨 體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，在三維造型軟件p r o e 中進(jìn)行磨機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)c a d 模型到a d a m s 軟件的導(dǎo)入過程，把幾何模型轉(zhuǎn)換成物理模型。然后 在a d a m s 中實(shí)現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)化，對(duì)磨機(jī)機(jī)構(gòu)以及磨筒內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。本論文采用的技術(shù)路 線如圖1 1 所示。 1 6 本章小結(jié) 圖1 1 技術(shù)路線總體規(guī)劃圖 本章闡述國(guó)內(nèi)外磨礦技術(shù)及球磨機(jī)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)及行星式 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 球磨機(jī)的粉碎原理進(jìn)行分析，同時(shí)說(shuō)明課題的來(lái)源、研究背景、研究?jī)?nèi)容及意義。 接下來(lái)將從小型行星式快速球磨機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理出發(fā)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué) 分析，并對(duì)磨機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與研磨效率的關(guān)系、以及磨筒內(nèi)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研 究，優(yōu)化磨機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章小型行星式球磨機(jī)工作原理及動(dòng)力學(xué)研究 球磨機(jī)不僅在建材工業(yè)中大量應(yīng)用，而且在冶金、電力、選礦、化工等工業(yè) 中也被廣泛采用。它具有如下特點(diǎn)1 3 6 j ：( 1 ) 物料適應(yīng)性強(qiáng)。如硬的、軟的、脆的、 韌性的都能粉磨。由于可制成各種大小規(guī)格的球磨機(jī)，因而能適應(yīng)各種生產(chǎn)能力 的要求，小至實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)，每小時(shí)產(chǎn)量?jī)H幾百克，大至每小時(shí)產(chǎn)量二三百噸。 能連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)能力高，可滿足現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需要。( 2 ) 粉碎比大。 可達(dá)3 0 0 以上，易于調(diào)整與控制物料細(xì)度，產(chǎn)品粒度均勻，混合作用好。( 3 ) 可 適應(yīng)不同的情況進(jìn)行操作，既可干法作業(yè)也可濕法作業(yè)，還可把干燥和粉磨一起 同時(shí)進(jìn)行。( 4 ) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，操作可靠，維護(hù)管理容易，易損件便于檢查和 更換，能長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。 研磨是粉末制備工藝中耗時(shí)最長(zhǎng)、生產(chǎn)率最低的一個(gè)工序。在研磨時(shí)，有四 種力作用于顆粒材料上，即沖擊、磨耗、剪切以及壓縮。沖擊是一個(gè)顆粒體被另 一個(gè)顆粒體瞬時(shí)撞擊，這時(shí)，兩個(gè)顆粒體可能都在運(yùn)動(dòng)，或者一個(gè)顆粒體是靜止 的。磨耗是由于兩物體間的摩擦作用產(chǎn)生磨損碎屑或顆粒。當(dāng)材料脆弱和耐磨性 極低時(shí)，要優(yōu)先注意這種研磨力。剪切是將顆粒切割或劈開，通常它是與其它形 式的力結(jié)合在一起的。剪切使用切斷法將顆粒斷裂成單個(gè)顆粒，而同時(shí)產(chǎn)生的細(xì) 屑極少。壓縮是緩慢施加壓力于顆粒體上，壓碎或擠壓顆粒材料1 4 1 1 5 1 1 3 6 1 1 4 5 1 。 影響球磨機(jī)生產(chǎn)能力的因素很多，歸納起來(lái)主要如下i 靳i ： 1 球磨機(jī)轉(zhuǎn)速在不同的筒體轉(zhuǎn)速下，球磨體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可簡(jiǎn)化為三種基本 形式。一是轉(zhuǎn)速很低時(shí)，主要以研磨的方式對(duì)物料進(jìn)行細(xì)磨。由于球磨體的動(dòng)能 不大，碰擊力小，研磨效率極低二是轉(zhuǎn)速很高時(shí)，球磨體受慣性力的作用隨簡(jiǎn)體 一起回轉(zhuǎn)，對(duì)物料不產(chǎn)生碰擊作用，主要靠摩擦，球磨效率極差三是轉(zhuǎn)速適宜時(shí)， 球磨體隨筒體轉(zhuǎn)動(dòng)到一定位置后脫離筒壁，物料收到撞擊、摩擦作用而粉碎，其 粉碎效率最高。 2 球磨體的裝載量。加入的球磨體多，則在單位時(shí)間內(nèi)物料被研磨的次數(shù) 就愈多，球磨效率就高，但也不能過多，否則占去球磨機(jī)的有效空間，反而降低 了球磨效率。 3 粉磨物料的種類、物理化學(xué)性質(zhì)( 如粒度、薪性、硬度、溫度、水分和顆 粒形狀等) 、粉磨粒度要求。 4 磨機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、規(guī)模、艙位劃分、內(nèi)襯和隔倉(cāng)板使用情況，簡(jiǎn)體轉(zhuǎn)速。 5 球磨體的種類、形狀尺寸和級(jí)配、裝填程度。 6 加料的均勻性和磨內(nèi)的裝填程度。 7 粉磨方法和操作條件。如干法或濕法開路或閉路濕法磨中的料、水、球 9 武漢理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 比例干法磨內(nèi)通風(fēng)情況閉路粉磨時(shí)的循環(huán)負(fù)荷率選粉機(jī)使用情況和選粉效率等。 8 是否加入助磨劑。 目前尚無(wú)完整的生產(chǎn)能力理論計(jì)算公式，通常都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)，采用半經(jīng)驗(yàn)理 論法或經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算。本文主要從小型行星式球磨機(jī)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)分析出發(fā)，研 究其對(duì)磨機(jī)研磨效率和研磨粒度的影響，建立起磨機(jī)結(jié)構(gòu)與研磨效果的表征模 型。 2 1 常規(guī)球磨機(jī)工作原理及運(yùn)動(dòng)分析 球磨機(jī)的粉磨作用，主要靠球磨體對(duì)物料的沖擊和研磨。球磨體在磨筒內(nèi)的 運(yùn)動(dòng)包含了幾種不同的形式，有的貼附在筒壁上隨之向上運(yùn)動(dòng)，有的向下滑動(dòng)滾 動(dòng)，還有的以拋物線規(guī)律作拋射運(yùn)動(dòng)。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)球磨體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并使 問題簡(jiǎn)化，在研究上述問題時(shí)，作了如下假設(shè)i 刪： 1 當(dāng)球磨機(jī)在正常轉(zhuǎn)速操作時(shí)，球磨體在磨簡(jiǎn)內(nèi)，按所在位置一層層地進(jìn) 行循環(huán)運(yùn)動(dòng)； 2 球磨體在磨筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡只有兩種：一種是一層層地以簡(jiǎn)體橫斷面幾 何中心為圓，按同心圓弧的軌跡隨著筒體回轉(zhuǎn)作上升運(yùn)動(dòng)；另一種是一 層層地按拋物線軌跡降落下來(lái)； 3 球磨體與筒壁間及球磨體層與層間的滑動(dòng)極小，具體計(jì)算時(shí)略去不計(jì)； 4 筒體內(nèi)物料對(duì)于球磨體運(yùn)動(dòng)影響略去不計(jì)。 2 1 1 常規(guī)球磨機(jī)工作原理 球磨機(jī)簡(jiǎn)體的回轉(zhuǎn)速度和球磨體的填充系數(shù)對(duì)于粉磨作用的影響很大。當(dāng)簡(jiǎn) 體轉(zhuǎn)速不同和筒體內(nèi)球磨體填充系數(shù)不同時(shí)，球磨體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可歸納為三種情 況： 1 瀉落式運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 當(dāng)簡(jiǎn)體轉(zhuǎn)速過低且球磨體太少時(shí)，球磨體只有滾動(dòng)和滑動(dòng)，基本上沒有沖擊 作用，因此粉磨效率不佳，如圖2 1 ( a ) 所示。 2 拋落式運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 當(dāng)筒體轉(zhuǎn)速適宜時(shí)，由于離心力作用的影響，球磨體貼附在筒體內(nèi)壁上，與 筒體作圓弧上升運(yùn)動(dòng)，并被帶到適宜的高度，然后像拋射體一樣降落。球磨體呈 瀑布狀態(tài)，以最大沖擊力將物料擊碎，同時(shí)在簡(jiǎn)體回轉(zhuǎn)的過程中，球磨體的滾動(dòng) 和滑動(dòng)也對(duì)物料起到研磨作用，2 1 ( b ) 所示。 3 離心式運(yùn)動(dòng) 1 0 武漢理l ：人學(xué)碩士學(xué)位論文 當(dāng)筒體轉(zhuǎn)速過高時(shí)，由于離心力作用的影響，球磨體貼附在簡(jiǎn)體內(nèi)壁上與簡(jiǎn) 體一起回轉(zhuǎn)而不降落，此時(shí)球磨體不發(fā)揮沖擊和研磨作用，不能粉磨物料t2 - 1 ( c ) 所示。 n n 、二、 口 差蘭鄉(xiāng) ( a ) 圖2 - 1 磨機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)粉磨工作的影響 2 1 2 磨機(jī)簡(jiǎn)體內(nèi)球磨體的運(yùn)動(dòng)分析 3 在球磨體重量一定時(shí)，球磨體對(duì)物料的沖擊力取決于回轉(zhuǎn)筒體把球磨體帶起 的高度。筒體回轉(zhuǎn)時(shí)，球磨體受到離心力和重力g 的作用，如圖2 - 2 所示。 如果g c o s az 氣時(shí)，球磨體就將脫離磨機(jī)筒體。 n 喁、- 、d ， r t 。 一 gr ， o 圖2 2 磨機(jī)筒體內(nèi)球磨體所受作用力 在球磨體按圓弧軌跡隨筒體回轉(zhuǎn)向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)a 點(diǎn)時(shí)，丌始被拋出， 離開圓弧的軌跡而形成拋物線下落。此a 點(diǎn)叫做球磨體的脫離點(diǎn)，而通過a 點(diǎn) 的回轉(zhuǎn)半徑r 與鉛垂線之l 的夾角n 叫做脫離角。 2 gc o s 口旦l( 2 1 1 gr 式一 ，：g 球腑作產(chǎn)。l 二的重山。n ：v 一一球腑體運(yùn)動(dòng)的線速度，m ：r 一 一球雕肌簡(jiǎn)體凈q 一半徑，m ：r 球餅體的脫離f f j ，j 塹；g 一亞j 加逑j 望， 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 g = 9 8 1 m s 2 。 將上式簡(jiǎn)化得： c 。s 口喜g ( 2 - 2 ) 。矗 因?yàn)榈V= 一號(hào)芋( 甩球磨機(jī)簡(jiǎn)體轉(zhuǎn)速，r a i n ) ，將圓周速度帶入式( 2 - 2 ) ， 得 c o s 口塑生 g x 9 0 0 但由于竺1 ，所以 g c o s 口墮9 0 0 ( 2 3 ) 口1 2 3 ) 、， 式( 2 3 ) 為球磨機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的基本方程式。從此方程式中可以看出：球磨體脫離 角口與筒體轉(zhuǎn)速甩和簡(jiǎn)體凈空半徑尺有關(guān)，而與球磨體的重量無(wú)關(guān)。 增大磨機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以使球磨體上升到最高點(diǎn)彳，在這個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)，球磨體將 與磨筒一起回轉(zhuǎn)而不能落下?lián)羲槲锪稀?2 2 小型行星式快速球磨機(jī)工作原理及動(dòng)力學(xué)分析 本文研究的小型行星式快速球磨機(jī)是實(shí)驗(yàn)室、小批量生產(chǎn)用高效超細(xì)研磨、 混合設(shè)備。該機(jī)可廣泛在電子材料、磁性材料、陶瓷釉漿、非金屬礦及新型材料 等行業(yè)使用。該機(jī)的工作原理是將需加工的物料放入磨筒內(nèi)加蓋，放置在托盤上， 進(jìn)行物料研磨。工作時(shí)由帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)和鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的影響形成磨筒的自轉(zhuǎn)和公 轉(zhuǎn)，帶動(dòng)托盤和磨筒高速轉(zhuǎn)動(dòng)加擺動(dòng)，在這種運(yùn)動(dòng)下，磨筒內(nèi)的球磨體不僅在慣 性力的作用下對(duì)物料形成很大的高頻率沖擊以及碰撞力，同時(shí)又在筒底作復(fù)雜運(yùn) 動(dòng)時(shí)對(duì)粉碎物料進(jìn)行強(qiáng)烈碾壓和搓擦，對(duì)物料進(jìn)行快速研磨。該機(jī)能采用濕法或 干法的形式對(duì)物料進(jìn)行超細(xì)研磨或混合。 2 2 1 小型行星式快速球磨機(jī)結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)速 圖2 3 所示是小型行星式快速球磨機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中與調(diào)速電機(jī)1 相連 的小皮帶輪2 通過皮帶3 與大皮帶輪4 構(gòu)成皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。與大皮帶輪4 相連并 同軸運(yùn)轉(zhuǎn)的托盤5 上布置有球磨筒6 ，磨筒的中心轉(zhuǎn)軸與托盤5 的回轉(zhuǎn)中心有一 個(gè)偏心距o b ，并且磨筒的中心轉(zhuǎn)軸上連接有鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)( 如圖2 4 ) 。當(dāng)調(diào)速電 機(jī)啟動(dòng)后，托盤5 便會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，同時(shí)球磨筒6 便開始做行星運(yùn)動(dòng)。這種小型行 星式快速球磨機(jī)呈立式，即各旋轉(zhuǎn)體的軸心線都與地面相垂直。 如圖2 4 所示為小型行星式快速球磨機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。虛線圓所示球磨筒既有隨 1 2 武漢理t 人學(xué)碩十學(xué)位論文 托盤繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，也有由于c d 桿和b c 桿的作用而引起的擺動(dòng)。 圖2 3 小型行星式快速球磨機(jī) 示意圖 圖2 4 小型行星式快速球磨機(jī) 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 c j 圖2 5c 點(diǎn)速度分析 c 如圖2 5 所示，假設(shè)d c 二i i ，c b = ，d e = ，o b = r ，圓盤角速度為， 分析c 點(diǎn)的速度方程。 在a o b d 中，根據(jù)余弦定理有：d b 2 = d 0 2 + o b 2 2 d o o b c o s t o t 即：d b 2 = ( 1 3 + 尺) 2 + 尺2 2 ( ，3 + 尺) r c o s t a t 所以：d b = ( ，3 + j r ) 2 + r 2 2 。( ，3 + j r ) r c o s o ) t 在a i ) b c 中，根扼余弦定理有：d b 2 = c d 2