小型振动磨机机械结构设计

小型振动磨机机械结构设计

目录

第1章绪论...............................................................1

1.1课题的研究背景及意义..............................................1

1.2振动磨机的国内外发展现状..........................................2

1.2.1国外振动磨机研究发展概况......................................2

1.2.2国内振动磨机发展概况.........................................3

1.3研究内容..........................................................4

第2章振动磨机的理论综述.............................................5

2.1振动磨机的工作原理................................................6

2.2振动磨机的种类....................................................7

2.3影响振动磨机效率的因素............................................8

2.3.1振动强度.....................................................8

2.3.2研磨介质....................................................11

2.3.3运动轨迹.....................................................12

2.3.4磨介填充率..................................................12

2.3.5被磨物料填充系数............................................14

2.3.6研磨时间....................................................14

2.3.7其他因素....................................................15

2.4提高粉磨效率和降低能耗的途径.....................................17

2.4.1提高振幅'提高振动强度..........................................17

2.4.2避免“泛能区”..................................................18

2.4.3合理选择参振质量系数........................................18

3.1传动带及带轮设计.................................................3

3.1.1.V带结构造型................................................7

3.1.2.大带轮结构设计..............................................8

3.1.3.小带轮结构设计.........................................9

3.1.4.带传动装配.................................................10

3.2.轴承的选择......................................................10

3.3.联轴器的选择....................................................11

第4章振动磨机功能部件造型设计.........................................13

4.1振动弹簧的设计与计算..............................................13

4.1.1隔振弹簧有关参数的设计.......................................13

2

4.1.2隔振弹簧的材料选择..........................................15

4.1.3弹簧的尺寸参数的确定........................................15

4.1.4弹簧的结构参数..............................................16

4.1.5弹簧刚度、变形量及特性校核..................................17

4.2筛筒体结构设计...................................................21

结论....................................................................24

参考文献..............................................................25

致谢.....................................................错误!未定义书签。

3

第1章绪论

1.1课题的研究背景及意义

伴随着科学的进步以及人类社会的发展，粉体原料被赋予了越来越高的要求，这是

因为产业的进步和传统行业升级所造成的，它们需要拥有更加细微的颗粒，指定的形状,

较高的纯度，对环境较低的污染以及严格的颗粒分布。比如化妆品原料，高级陶瓷和耐

火材料原料，高档和特种油漆涂料的颜料及填料，高档纸张的颜料和填料以及高聚物基

复合材料的填料等等。人们对于这些原料的要求很多，比如平均粒径的大小，粒径分布

的情况等等。有的要求颗粒表面光滑，分布规范。有的要求颗粒形状指定，比如圆形，

柱形，纺锥形等等；有的要求原料杂质含量低，纯度高，比如碳酸钙，高岭土等等，都

被赋予了纯度的要求，不能被有色金属氧化物杂质所污染，有色金属包括了铁、铜、锦、

钿等等。

自从上个世纪70年代左右，全反射x射线荧光分析法被人们发明了出来，这是一

种多元素仪器分析法，使用范围很广，包括农业，冶金，石油，化工，环境保护，建材

等等不同的领域，在科学研究中使用普遍，且具有关键的地位。人们通常采用的方法是

直接压片法，从而得到化学粉末样品。压片法的使用非常广泛，可是因为偏析和力度不

均匀效应的影响，分析过程中并不准确，会有一定的误差，降低元素的精密度以及科学

程度。一般来讲，粉末的颗粒越小，压片试样的表面均匀度就越高。在这个时候全反射

x射线荧光分析法就会体现出较好的效果，如果颗粒很大，那么分析的效果就非常差。

所以，伴随着这种高要求，粉体的制备技术就被赋予了越来越高的要求。21世纪以来,

细粉的制备已经有了多种多样的方式，不过真正用于实际的生产和生活中主要的方式包

含着两类，第一类是机械粉碎法，第二类是化学合成法。后者的成本很高，产量低，而

且操作困难；前者成本低，产量高，且操作容易，所以除了很少量的超细粉碎不得不使

用后者方法，绝大多数的金属粉碎采用的方式都是机械粉碎法。我国已经研发出来了很

多机械粉碎设备，包括以下几种，比如高速机械冲击式磨机，振动磨粉机，气流磨粉机

以及搅拌磨粉机等等。

下面来介绍振动磨粉机，简称为振动磨，这种设备是一种较为理想的设备，发展的

势头很猛，在相关行业内广为应用，从原理上来看它的主要制造原理是高频振动弱化物

料，相对于传统的机械制造设备来看有着天然的优势，不仅生产效率较高，能量耗费较

小，而且也能够具备较高的产量。和其他的设备相比，它的能耗很低，操作较为容易，

制造成本低廉，而且磨粉机在精细加工粉体的时候能够有效提升粉体的表面活性，这就

会引发机械力化学活化效应，所以这种细节还可以用来改良物体表面的活性。世界的多

个国家都已经广泛使用这种磨粉设备，比如日本，英国，德国和美国等发达国家的工业

领域。在中国，振动磨粉机也有着十分广泛的市场。

下面来介绍卧式振动磨机，这种磨粉机能够处理超细粉碎，在生产领域内同样具有

广泛的应用范围。随着高科技的不断发展以及新材料产业的发展，纳米技术开始崛起，

可是在生产和生活之中，制造纳米材料时的方法通常是化学方法，随着工业领域和其他

领域对纳米材料的不断需求，近些年来高薪产业不断发展，发展潜力巨大。所以仅仅使

用化学方法来制备纳米材料已经远远达不到人们的要求了，所以一些科学人员所开发出

了一种科研设想，提出能够使用超细粉碎功能的振动磨机，辅以分散剂和助磨剂，经过

长时间的工作和运行，能够有效获得纳米颗粒。为了满足市场的要求，针对其做出改善

是非常有必要的。所以，本次课题选取了卧式振动磨机作为研究对象⑵。

1.2振动磨机的国内外发展现状

1.2.1国外振动磨机研究发展概况

在振动磨机研制方面，较早发展起来的国家是德国。在1940年前后，即便Hochst

这家针对振动磨机进行了较为科学、较为系统的研发，可是直到1950年前后，西德

Klockner-Humboldt-Deutz这家企业所研发出来的PALLA系列振动磨机才得以成型，成

为了广受欢迎的畅销产品。自从上个世纪七十年代前后，德国的国家研究部就将超细粉

体制备技术(Sonderforxchungbereich)作为了与其他研究不同的领域对待，而且联合

「ClaustabiBraunschweig工业大学、KHDAlpine公司，逐渐变为了一个统一的攻关

群体。根据相关信息显示，当前的Lurge企业生产的振动模机有着较高的工艺水平，以

及较全的品种。磨桶的容积在60升到2500升之间，所以能够满足很多加工场合的不同

需求。可是，这种设备一般在制造的过程中都会选择德国作为主要产国，可是德国对于

材料的要求工艺难度较大，选用了橡胶复合簧作为机器的部件，这使得成本大大提升，

就在一定程度上失去了发展中国家这个广大市场。

日本在上个世纪60年代的时候，从德国引入了一些先进的制作装备，制作公司为

2

川崎重工，化工机械，大工产物等等，之后进行了独立的试剂研究。当前，日本不仅能

够生产间歇式的振动磨机，也能够生产卧式涡流振动磨机以及连续振动磨机，生产效率

较高，技术性能优越，理论研究丰富，在世界上的制造水平都是很高的，所以有了很强

的市场竞争力，产品销往了中国以及东南亚的各个国家。

美国的Allis-chalmers公司也采用了德国的先进经验和技术，生产出了多款振动

磨机，磨管能够达到六管，产量很高，不再使用老式的传统设备了，而是选择了中心驱

动双边激振，这种类型的振动磨机有着较好的稳定性，运用范围十分广泛，而且工艺制

作精良，很多国家都已经引入了这项先进的经验和技术，推动了世界振动磨机的发展。

在上个世纪90年代，这种类型的振动磨机是生产超细粉体的主要装备。

前苏联曙光生产联合体在上个世纪80年代前后引进了德国先进的振动磨机技术装。

经过一系列的设计以及研发，制作出了双电机同步驱动式振动磨机。这种振动磨机的支

撑是空气弹簧，这就使得机器运作的过程中噪声大大减少了，也改善了机器的性能，使

得其向大型化不断发展，取得了先进的突破性进展。目前，这个企业能够生产单管和双

管这两种振动磨机类型。欧洲和亚洲的各个国家的建材以及矿山产业都广泛使用了这种

先进的振动磨机。根据数据分析，这家工厂在研磨粉底的时候能够达到每小时15吨的

产量，有效容积高达3000升，不过因为经济原因等外部因素，到现在也没有制作出来

样机。

综上所述，我们能够总结出世界上仅仅只有少量的国家掌握了大型振动模机技术的

关键技术，这对我国造成了一定的影响和限制制约。所以我们要自主研发，开发出属于

中国自己的大型振动磨机，这不仅有利于我国的经济发展，也有利于树立我国的大国地

位，展现我国的科研实力和技术水准。

1.2.2国内振动磨机发展概况

我国的研磨设备包括球磨机，喷射磨，雷蒙德磨，搅拌磨，辑磨和柱磨等，当前在

我国的水泥和陶瓷等行业的主导磨机主要是球磨机。由于我国的研磨设备类型多样，并

且具有较多的优势，在实际的应用中比较广泛，但是同时也存在着一些无法避免的缺点。

例如有的工艺由于受到了机器本身的加工限制，对于一些硬度较高的矿渣粉煤灰等，这

些非金属材料无法加工，再加上求魔其普遍噪音较大，对生态环境的污染比较严重，因

此根本无法满足当下生产高质量，高水平的材料。随着当前的新型建筑材料对粉体的细

度有了更多的需求，对球磨机也提出了更高的要求。一些大型多用途的超细振动研磨机,

3

无论是在结构上还是原理上，都和传统的磨机有着明显的差异。其主要采用的是机械振

动的原理，因此不需要耗费较大的能量就可以开展工作，而且能够降低在超细粉加工过

程中所需要耗费的功耗。这项技术成果对传统的研磨技术进行了变革，不仅改变了传统

的噪音大，污染比较严重的缺陷，同时还对一些硬度较高的材质，有了更多的加工方式,

能够在耗费较低功耗的基础上满足基本的生产需求⑷。

由于受到了各种历史因素的影响，我国振动磨叽试制工作最早开始于上世纪60年

代末，当时的振动磨机存在着很多技术问题，例如整体的刚度和连接强度，焊接的强度,

耐磨材料等技术都存在着较大的缺陷，并且缺乏配套的基础设施做支撑。在早期我国的

研究发展速度是十分缓慢的，直到80年代中期，随着河南新乡一些东方矿山设备厂，

烟台卓越机械传动有限公司，武汉大学西安建筑科技大学等单位开始生产振动磨机，才

开始了有了大量的发展。不过这些单位所研制出来的振动磨机存在的问题也比较严重，

在加工量上不能够满足生产需求，而且进行大规模生产时，没有相应的配套措施，在粉

末的过程中，还会受到一些杂质的影响。特别是超细粉体的加工面临着很多技术难题，

如何去污提纯，这些都需要及时改进，相比于国外的发达国家，我国的发展速度是比较

缓慢的。很多产品都由于原材料与国外的制造工艺存在着较大的差距，导致我国的超细

粉体的加工质量仍然处在初级阶段，没有进步。我国的水泥、建材、陶瓷等领域一直无

法走入市场的领先地位，在市场上一直处于薄弱的环节。通过推广新一代的节能振动粉

磨设备，不仅能够使我国在超细粉加工行业上能够有更多的效率提升，而且还能够加速

我国产业的基础设备的转型升级，让我国的一些发展领域能够在市场上更具有竞争力汽

虽然与国外相比我国在振动磨的生产技术上还存在着较大的差距，无论是在理论研

究还是实证分析上，都存在着很大的不足，当前，日本和西德的震动没技术，是世界上

最先进的水平，我国在震动强度上还无法达到这样的要求。因此必须加强震动强度的提

升，提高我国的生产效率以及粉末效率，这样才能够与发达国家的振动磨技术相提并论

[6]

o

1.3研究内容

原始数据：通过查阅国内外有关振动磨叽的相关资料，制定出合适的设计方案，在

设计方案中，通过对容积、产品力度和功率等三个方面的设计进行科学的方案确定，最

终构建出振动磨机的主要结构。在设计过程中，主要考虑到振幅和振动频率，在两者无

法达到平衡状态下时，就会导致振动强度减弱，无法达到预期的震动效果。

4

在化学方法上制备纳米设备己经不能够满足当下工业化的需求，在本课题的研究中

主要是以卧式振动磨机为主要的研究对象，作为一种超细粉碎设备，如果再加上一些额

外的功能结构，例如助磨剂，便可以在一定时间内研磨到能够达到纳米粒度的颗粒。虽

然这样的科研事项已经在其他高校有了较多的研究，但是效果并不太理想，本文主要是

通过改进卧式振动磨机的结构，从而能够提升我国振动磨机的振动强度，以方便达到预

期的效果。

1、在总体设计上要结构紧凑，尽可能地拥有较小的整机体积；

2、采用空气弹簧，避免出现较大噪音；

3、在电机轴和激阵轴之间，采用柔性连接的方式，能够提高轴承的使用寿命；

4、零件和零件的设计不能考虑结构和工艺，以避免可加工性或保证加工质量。

第2章振动磨机的理论综述

利用振动原理来对固体物料进行研磨的设备称为振动磨机。这种设备是在线性弹性

体和非线性弹性体互相耦合形成的一种振动系统。能依据工作要求对物体进行细磨、振

动磨等，振动磨是在圆筒形的磨体上添加激振器提高振动磨机的震动效率山。一般来说,

振动磨的磨介装填系数是非常高的，占总容积的65%以上，特定的磨机甚至能够达到

85%。一般来说，磨介通常为钢球、氧化铝球或者是其他材料所制成的球体组成，而且

直径一般为10〜50mm。由于磨机所采用的磨介充填系数相对较高，因此这类磨机的震

动效率也相对较高，磨碎效率也是振动磨机中最高的。振幅一般为3〜20mm、振动频

率在1000~1500次/min,工作时需要结合实际要求选择合适的频率，选择依据一般为

被磨物料的物性及产品粒度⑺。

振动磨机的工作原理是在激振力的作用下对物体进行剧烈的振动，使物体在不断震

动的效果下产生高速旋转运动，而且在振动过程中通过磨介不断和被磨物体接触，达到

对物体磨细的目的网。

通过近些年的实际使用结果，发现振动机设备的投资相对较少，而且在加工起来也

非常容易，能够对石头等这类固体物料进行非常有效的研磨，这种工艺近年来在超细磨

物料的研磨过程中使用也越来越多，同时也能有效节省投资口。正因此，使用振动磨机

对固体物质进行研磨是一种非常明智的选择⑼。

5

2.1振动磨机的工作原理

通过结构组成形式可以将振动磨机的结构分割为以下几个，磨机磨筒、激振装置、

联轴器、驱动电机以及支撑弹簧等。不同的振动磨机虽然结构上有较为简单差异，但实

际的工作原理是一样的，都是由偏心体所产成的冲击力来实现对物料的粉碎，也可以认

为是被磨物体在磨介的不断碰撞下在磨筒内部产生高速旋转，最终被磨介所打碎，成为

粉末，下图2.1即为卧式振动磨机的结构原理图。

滚动轴承

图2.1卧式振动磨机的结构原理图

振动磨机在工作时磨筒内部的物料会受到各种物体的作用力，最常见的就是磨介和

磨筒，磨介通过不断和被磨物体接触碰撞使其具有一定的挤压力，被磨物体与磨筒接触

也会产生一定的剪切力，除此之外，物料之间也会彼此碰撞。驱动电机的存在能够带动

激振器中的偏心重块在磨筒内部快速旋转，这一过程会产生一定的激振力，而且这个力

还是呈周期性存在。物体在磨机内部的高频振动也使机体获得了一定的向心力。通过对

激振器的结构进行分析发现，激振器是由4组主副偏心块组成，工作时通过对偏心块的

角度进行改变能够对激振力的大小进行改变，实现改变振幅的目的。但是需要注意的是,

在改变角度过程中必须保证前后角度的方向是一致的。这也是保证物体在磨筒内部轨迹

不变的前提，通常情况下，磨筒轨迹越接近于圆，那么物体的研磨效果就越好。磨机在

振动时磨筒内部的物体会有三种运动方式：

1.非常快速且大力的抛射运动，这种运动方式能够短时间内粉碎那些比较大块的物

料;

6

2.自转运动，这种转动方式给了物料一种向心力，使物料在磨筒内实现研磨；

3.公转运动，这种运动速度相对较慢，目的是给物料一个均匀的研磨效果。

磨机在做简单的振动时，磨筒内部的被磨物体能够快速的进行旋转，然后与磨筒进

行不断碰撞，在这样的情况下物料能够被快速研磨，然后随着出料口被输送到机器外部,

成为一种粉末产品。

磨机的振动频率是非常快的，最大振动频率能够达到1500次/分，但是频率高所带

来的缺点在于告诉的冲击次数导致每一个研磨体的冲击力降低，因而就降低了研磨效

率，正因此，在实际研磨过程中需要结合被磨物体的大小以及物理性质选择合适的频率

进行研磨，高频率一般适用于那些较小物体的研磨过程，高频率带来的高转速能够将细

小物体与磨筒进行快速的碰撞，进而提升研磨效率口口。在振动过程中，磨机内部的

磨介也是会随着磨筒的旋转而运动，正因此，能够与磨介进行有效接触的物体的研磨效

率更高，而且脆性物料的抗压强度是非常低的，正因此，这类物体很容易被破坏，经调

查发现，这类物体研磨之后的钢球填充率可高达85%,这大大提高了研磨效率，基于此,

采用振动磨机进行固体物料的细磨是目前市场上最常见的方式而。

2.2振动磨机的种类

按照振动方式可以将振动磨分为两种方式，惯性式和偏旋式；按磨筒放置位置可以

将振动磨分为卧式和立式；按照磨筒的数量又可以将其分为单筒式和多筒式；次课题选

择的振动磨机为卧式振动磨，下面就对这种磨机进行简单的介绍。

卧式振动磨机是一种在传统磨机的基础上所研制出的一种新型磨机，按照磨筒数量

的不同分为单筒式、双筒式和三筒式三种结构型式，双筒式磨机的工作原理为通过圆筒

进行高速的振动，将磨筒内部的磨介和被磨物体进行快速接触碰撞，使被磨物体粉碎，

磨筒内部的物料在研磨过程中的加速度能够达到10g-15g,由于这种磨机的结构非常紧

密、占地面积也相对较小，同时还具有容量大、重量轻等优点，这种磨机目前已经成为

市场上应用最广泛的磨机之一。这种磨机在矿山、化工、建材行业也能发挥出自己的优

点七

通过对双筒卧式振动磨机进行分析发现，这种双筒结构能够有效带动激振器的轴进

行快速转动，进而带动偏心块的转动。由于偏心块的运动和圆是类似的，正因此需要在

磨筒内加入一些磨介来提高振动磨机的振动效率。这种磨机的优点在于能够从两个筒进

行物料的添加，这种加料方式能够保证振动磨机的振动效率。工作时物料能进行有规律、

7

周期性的翻转，双圆筒依靠联接板固定成一体，连接板上还含有激振器等设备，这些设

备都能够保证物体的振动效率。而且这些设备还能依据实际工作需要进行调换，这类设

备的组成材料是非常耐磨的。这也是保证机器稳定运行的必要条件。通过对激振器的结

构进行分析发现，激振器是由4组主副偏心块组成，工作时通过对偏心块的角度进行改

变能够对激振力的大小进行改变，实现改变振幅的目的。钢球的研磨效率与钢棒比起来

较低，因此要想达到同样的粉末度所需要花费的时间和能耗也更多，但使用钢球的优点

在于能够对物体进行细磨⑵。

2.3影响振动磨机效率的因素

由于在工作参数上涉及的内容比较多样，振动模机的振动效率也会呈现出不同程度

的影响，其中主要有六个比较明显的因素，分别为振动强度（包括频率，振幅），研磨

介质，研磨缸的移动轨迹，研磨介质的填充速度，被研磨材料的填充因子和研磨时间。

正确的选择这些工作参数能够提高振动磨机的使用效率，进而推动产品质量和产量的提

升，降低生产成本

2.3.1振动强度

1.振动频率

振动频率是一秒钟内振动磨机的圆周振动数。由于电动机的轴通过万向驱动联轴

器直接连接至偏心激振器的轴，因此它与电动机的转数相同，这是影响振动强度的因素

之一。由工业上实际转速产生的离心加速度是重力加速度的5至8倍。振动磨机通常

不通过传动机构直接与联轴器连接，因此振动磨机的振动频率等于电动机的转速。振动

频率越大，研磨介质对材料的挤压，剪切，冲击研磨和其他作用力越大，研磨能力越强,

产品粒度越细。如果振动频率过高时，会增大整个机器的动力消耗，因此加剧机械磨损,

所以需要在操作的过程中确定合适的频率，才能够让陈栋记忆的工作更加有效率，在下

图2.2所示为振动频率对振动磨机工作的影响曲线:⑷。

8

比表面积

图2.2为振动频率对振动磨机工作的影响曲线

2.振幅

振幅，即轨迹的平均半径。它由振动器的旋转运动产生的激振力的大小，振动磨机

主体和振动器的重量，研磨鼓和研磨介质的重量以及要研磨的材料决定。振幅随着研磨

缸体，研磨介质和研磨材料的重量增加而减小。振动磨通过偏心块的旋转产生激振力，

其振幅与激振力密切相关，并且可以调节偏心块的振幅和偏心率。当振幅较小时，研磨

介质对研磨缸壁的正向压力较低，并且研磨介质反向旋转的频率越高，切向冲击力和摩

擦力以及正向压缩冲击力就越高，不利于研磨材料。当振幅大时，研磨介质的移动方向

与研磨机的振动方向相同，并且进一步与研磨机的振动结合，从而增加了耦合系数，这

对于研磨材料是有利的。如下图2.3所示为振动频率对振动磨机工作的影响曲线。

9

图2.3为振动频率对振动磨机工作的影响曲线

上图中的对比中可以发现振动频率比振幅粉磨的动力影响因素要大，加速度并不能

够直接的表明振动过程。如下图2.4表示在加速度大体相同的情况下，振动频率和振幅

会呈现出不同的试验结果，而且在一个范围内，频率和强度都有所差别，尤其比那些频

率小而振幅又大的粉磨过程有着较高的强度，由此可见，政府的存在不仅能够提高个别

研磨介质的冲击力度，同时也会增加振动次数保证个别研磨介质在冲量上能够满足要

求。只有保证了研磨介质对被磨物料的作用次数的控制，最终才能够达到细磨的效果。

图2.4振幅和振动频率对振动磨机工作的影响曲线

10

由此可见，振动磨机的工作频率越高的情况下，就会产生更大的振幅，相对来说，

带来的生产能力也会有大幅度的提升，但是存在的缺点在于会消耗大量动能。振动磨机

的工作频率越高，振幅越大，生产能力也越高，但是动能消耗也越大，振动磨机机构的

应力也显著增加，并且某些机械零件（例如轴承和螺钉）的寿命大大缩短。因此，选

择振动研磨机的一般原则是为超细磨削选择小振幅和高频率。即幅度W3,频率约为

24.3o岩土材料的晶粒尺寸较粗，应使用高振幅和低频，典型振幅W7。频率应在16.3

左右。振幅r和最大进给尺寸d之间的关系大致为r=（1-2）d,如果进给尺寸较大，

则需要使用更大的振幅:⑸。

2.3.2研磨介质

研磨介质根据原材料的性质以及产品的粒度来进行选择，振动磨机内部的填充介

质，通常采用的是钢球、钢段或者钢棒的形式。要根据原料性质及要求的产品粒度来选

择材质和形状，振动磨机内的填充介质通常采用钢球、钢段或钢棒,例如，在耐火工业

材料中，鸨-钻合金球或氧化铝刚玉被用作研磨介质。就磨削效率而言，钢筋略高于钢

截面，钢截面远低于钢球，后者约为1/4。由此可见，其原因比较显著。有利地研磨了

冲击力和主要材料，但是由于横向旋转，钢部件受到限制，并且介质之间的研磨效果大

大降低，从而降低了研磨效率。因此，如果工业振动磨对铁的质量没有严格的要求，

则应使用钢球作为研磨介质，这种介质配置可以提高研磨效率。

必须根据物料的性能，进料的粒度和产品的粒度准确选择介质的规格和比例，这是

振动磨技术的重要组成部分。罗斯H.E在研究材料的球形直径d与粒径b的比与研磨

效率之间的关系时指出，当d/b=400时，效率是d/b=100的两倍。也就是说，

如果材料的粒径为b<0.025mm,则需要选择d=10mm的钢球，如果材料的粒径为b二

0.08mm,则需要选择具有d=32毫米。当研磨精细或坚硬的材料时，应使用较大的值,

并且平均球直径<25mm-35mm。研磨超细粉末材料时使用小的值。平均球直径（10mm-20mm。

钢球的比例通常分为3至4个阶段。不同规格钢球的密度越高，越有利于振动研磨。

粉磨介质的比重也会影响到介质的冲击力的大小，如果比重越大，那么所呈现出来

的粉磨效率就会更高。目前在国内上采用的最高的材质为铝钻合金球为最佳，其次采用

的是钢球，最次的是氧化铝刚玉球。在相同的时间内，通过对比表面积来计算不同程度

的粉磨效率，其中最高的是鸨钻合金球，比氧化铝刚玉球高出了2到3.8倍，而钢球又

是刚玉球的，1.7到2.5倍，因此可见，如果在对物料的材质不做要求的情况下，一般

11

情况下都会采用钢球座粉磨介质。

为了能够提高粉磨的质量和效率，在选择材质上，通常选择那些直径较大的介质，

介质直接对产品粒度有着直接的影响，尤其是在随着介质密度增加的情况下，也能够提

升粉磨的工作效率，因此，在本文中所涉及的振动磨机就是按照万粉的要求，希望能够

达到纳米级别，通过借助钢球作为研磨介质，最终能够实现这一目标。

2.3.3运动轨迹

振动磨工作时最直观的体现就是参振体的运动轨迹，通过该轨迹可以对磨筒的运动

情况以及振动幅度的大小进行分析。为了得到参振体最佳的运动轨迹，很多专家和学者

都进行了研究试验，根据研究的结果得知，如果磨筒的圆轨迹出现了偏离，就会在一定

程度上降低磨矿的效果；而且该效果会随着偏离程度的减小而增强。通过上述的分析可

知，撞击频率、撞击力和粉碎速率之间可以用固定的函数进行表达；而且该表达式还受

到了磨介粒子破坏程度的影响。圆形运动轨迹表达越明显，概率数值就越高。相关的试

验数据表明粉碎效果最好的表现是X、Y方向具有相等的振动偏移量，见2.5图为磨矿

效果在参振体振动形式中的表现。

0.5

00.10.20.10cm

X方向振动Y方向振动

振幅=0.2cm振2cm

图2.5振动形式对磨矿效果的影响

2.3.4磨介填充率

在计算磨介的填充率时，一般使用研磨介质的体积除以磨筒的总体积表示。其中磨

介质间的缝隙也包括在研磨介质的体积中。通过实际的测试结果发现，物料研磨产量的

高低和填充效率之间呈现出了正相关；主要原因是随着填充率的提升，物料受到研磨介

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质的作用面积就越大，产量必然增加。不过也不是填充率越大就越好；一旦超过了某个

数值反而会出现下降的现象；结合统计的数据可知，当填充率在1的附近时会产生非常

微小的研磨。在30%以下的填充率中，其产生的粉碎效果不会受到填充率的影响；在

90%以上时，研磨效果会急剧下降。在30%到90%间的填充率时，填充率和粉碎率的

正向关联表现明显；根据上述的分析，得出了80%到90%的最佳填充率。考虑到其他

因素的影响，目前行业标准使用65%到85%的填充率；在具体的选择时通常按照以下原

则进行：使用较大的数值进行细磨；而粗磨时则选择较小的填充率。见2.5图，研磨作

用得以充分发挥的填充率为80%到85%,在此范围内具有最高的工作效率和产量。结合

磨损消耗对钢球的影响，为了保证填充率的稳定需要根据实际生产状况定期使用钢球进

行补充叫

图2.6磨介填充率与粉碎率的关系

单位时间内单位重量的物料所产生的新生比表面通常用粉碎率来表示。根据试验的

结果可知，物料总的新生比表面在振动磨内表现出了一定规律；其结果大小和X、Y的

坐标值有关，同两者的乘积表现为正相关；其中X为物料填充率；Y为粉碎率；所以新

生比表面会随着填充率的增加而提升。

磨介的运行状态在振动磨中具有复杂的运动轨迹，该轨迹可以从两个方面进行分

析；其一为回转运动；回转的中心为系统的振动中心；该运动不仅有磨介和磨筒壁接触

形成的碰撞和挤压；还有磨介之间的相互作用；其二为旋转运动，其中心为自己的轴线;

13

具体表现为摩擦剪切力。物料在上述作用力下才产生了最佳的研磨效果。通过相关的数

据表明，参振体的振幅以及磨介的旋转运动会影响磨介的填充率；如果振幅是既定的，

那么磨机的吸收功率会随着填充率的增加而增大。

2.3.5被磨物料填充系数

研磨介质中被研磨物料所填充的比例大小可以用被磨物料的填充系数表示。该数值

不仅和产品的生产效率有关；还会影响产品的粒度；此外还和研磨介质的磨损程度有关

联。在较小的被磨物料填充系数下；物料和研磨介质的接触面积会减少；在该状态下，

研磨介质之间的摩擦和碰撞会增加，从而产生空磨现象，使得能量消耗形成了浪费，不

利于研磨效果提升。反之，在过大的填充系数下，会发生枕垫现象，钢球被物料包裹，

使得研磨无法正常进行，容易发生堵塞，降低研磨的效率。

在具体的应用中，一般按照90张到100%的大小选择填充系数，在该区间内，研磨的

性能可以充分发挥，从而达到最高的产量。因此，在对振动磨生产效率的提升中应合理

设置振动磨的给料速度。

2.3.6研磨时间

产品的粒度和研磨时间有紧密的关联，而且表现出了正相关的作用。产品的粒度会

随着研磨时间的增加而变小，即越来越细。根据相关的实验得知，物料比表面积增加会

降低振动磨筒内物料比表面积的增长率，即：如果想要得到较高的粉磨细度，需要较长

的时间增加单位比表面积。所以，在一定的环境中，粉磨时间在粗磨阶段相比细磨阶段

多消耗的时间短；一般按照2到3倍的粗磨时间设置细磨时间；时间越长细磨程度越高。

产品的细度受到了研磨时间的直接影响。见2.7图中的相关曲线；通过观察可知，产品

的细度数值随着研磨时间增加而升高；差异越来越明显。

14

加速度m/s?

筛余为0.5522.536.252.5

100

90

8o

7o

卜6o

廖

z

朱

玄5o

M、

04o

0

2

I3o

2o

1O

5007501000125。1500

图2.7研磨时间对粉磨细度的影响

（进出方式的选择）经过综合对比，本次的磨粉方式确定为单进单出，采用上下磨

筒连续对物料粉磨的模式，该方式使得研磨时间得到了增加，为细磨奠定了基础。结合

实验统计的数据显示，此过程的进出料时间最大为lh；最低为0.5/，

2.3.7其他因素

考虑到粒子外表比较粗糙，所以对其表面积的计算并没有什么作用，而通常计算的

是单位质量或体积粒子的表面积总和，包括单位为平方米每克的单位为平方米每立

方厘米的前者意为每克物质的表面积总和，包括它外部的面积和外部存在的彼此相

连的穿洞额外增加的表面积；S，即实际体积为I立方能*的物质的表面积总和。该参数为粉状物质

的整体特点的体现形式之一，其特点包括一个粒子的特点与粒子形成的结合体的特点。

它与物质的总体粒度、具体状态与粒子的分布水平均有关。相同的物质在相同的环境中,

比表面积与它的总体粒度水平成正相关。

Rose与Sullivan两位科学家借助因次模型得到了研细的速度函数表达式：

15

式中：S.为物料的体积比表面，cn?/cm3；

t为粉磨时间，s；

《为系数；

勿为振动频率，Hz；

A为振幅，mm；

P为磨介密度，g/cm3；

DB为磨介直径，mm；

应为磨介填充率，%;

，为物料的易磨性系数，/仆0.058W：,W1是Bond功指数；

d为物料粒度，mm；

0“为物料填充率，%o

根据研究结论，如果。囱大于3g,则工2/Z/Q的值约等于1,由此可推测S,"

为正相关,具体见下式：

不难发现，比表面积正比于研细时长。由生产经验可知，当研细时长控制在一定范

围内时，满足上式的关系，而具体图像见图2.8。如果在此范围以外，则正比例规律不

再明显，直到完全消失。

5

s

J

0

0

0

〔

/

B

R

五

16

图2.8比表面与粉磨磨时间的关系

物质的粒度还受研细工具的结构、投入物质的粒度等影响，如果投入物质的粒度极

限值为1cm,则所得产品的粒度一般在0.01mm以上。所以，现实中必须坚持具体问题具

体分析，根据实际情况选择合适的研细工具。

2.4提高粉磨效率和降低能耗的途径

研细效率作为研细工具工作能力的一个基本参数，对工具相关尺寸的整体规划是决

定研细效率的一个重要因素，也是工程师的设计原则。振动磨作为一种研细工具的优势

是耗能比较小，而利用其作用原理进一步节省工具运行需要的能量对整个设计过程同样

至关重要。

2.4.1提高振幅、提高振动强度

无论是缩短激振周期还是提高振幅，均可让研细工具工作时的功率与效率得到改

进，关键是选择其中最合适的方式，让物质受到尽可能大的冲击力。考虑到被研细的物

质随研磨功率的改变，阻尼水平也不尽相同，所以研细工具的能量不一定能够全部施加

在被研物质上。Gottschalk与Bemhardr的实验得出结论，在相同的能量下，缩短周期

收获的研磨功率与效率相对于增加振幅要弱一些。这两位科学家还发现，在振幅增大为

原来的4倍时，如果保持生产效率稳定，则被研可以更快速高效地通过研细这一环节，

减少堵塞情况。同时，物质的粒度得到改善，只要能保持物质原有的细度，就能将生产

水平上升一个档次。该结论的科学原理为物质被研细的工作依赖的基本过程为其彼此的

正面冲击，而切割与刮擦过程作为辅助。所以，增加物质冲击的相对速度对于研磨有效

程度的提升至关重要。

在历史上，曾经用土木工程中使用的材料进行增加研细效率的探究，将振幅由0.5cm

增加两倍后，在物质粒度稳定的前提下，研细工具的工作速度提升了15±5倍，具体情

况如下表。

表2.1振动磨振幅不同时生产能力的对比

17

振幅mm产品粒度Um介质填充率％生产能力kg/h

5308071

1520801100

5148020

151480380

2.4.2避免“泛能区”

对于研细效率受被研区域的影响，在工具的轴线上效率最低，往外围逐渐提高，因

为被研物质的线、角速度随均与运动半径成正相关。所以，工具轴线的去心邻域上有一

个研细速度特别慢的空间，它被称为“泛能区”。在工具形体的设计中尽可能减少该区

域的体积是增加研细速度的关键之一。

2.4.3合理选择参振质量系数

在工具中旋转的过程中，物质几乎不会贴附在工具的表面上，因为物质持续向轴线

旋转且由于巨大的动能基本不落到工具的底面上，所以，实际的定量分析不可能将物质

的重量完全包括在内。1992年，J.Jeng与E.Gock在德国的分析得出结论，只能把一部

分重量包含在计算范围中，它占总重量的比例被称为参振质量系数n,一般其值在0.775

±0.055之间。而根据中国冶金工业的行业标准，灰粉的n值为0.8。

2.4.4减轻参振体质量

一旦让研细工具的参振重量、总重量与研细工具允许容纳的重量极限值保持稳定，

那么，研细需要的能量就不变了，所以提供能量的电动机的功率也不变。对于能源的节

省，参振重量的降低是重中之重。要尽量实现该目标，研发人员就必须在不牺牲结构的

静态与运动强度的情况下，尽量降低参振重量，此为节能方法的首选（⑻。

18

第3章振动磨机传动部件结构设计

在当前的论文中，该设备的传动部分主要为v带传动的方式w刻。

带传动实际上就是通过套于带轮之上的挠性环形带带来一定的摩擦力，从而进行运

动与动力的有效传递。其主要的优点是有较低的噪声、良好的吸振缓冲性能，较高的平

稳性以及简单的结构形式等，此外还可实现多轴以及大轴距情况之下的动力传递，同时

易于维护、无需进行润滑以及有比较低的成本，因此已经被大量地应用于机械传动领域

[21]

o

其基本原理如下：它需要在2个或以上的轮上张紧，从而起到中间挠性件的作用，

而且通过其相互接触所形成的摩擦力来进行动力或是运动形式的有效传递。

带传动类型：

1）平带它有矩形的截面，其工作面是内表面。生产制造过程的难度较低，有简

单的结构形式，主要被应用于有比较大的传动中心距的相关场合之中。

图3」平带图

2）V带：它具有梯形的截面.，工作表面为侧面:它具有非常广泛的应用，而且在

张紧力大小相等的情况之下，该类传动具有大于平带传动的摩擦力。

图3.2V带图

3）多楔带：主要是将若干的V带设置于平带基体之上，从而实现传动。它能够

进行较大功率的有效传递。它同时拥有前面二者的优点，有比较大的摩擦力以及良

好的柔韧性，因此在结构形式紧凑，而且所需传递的功率比较大的情况较为适用。

图3.3多楔带图

4）圆形带：它有着圆形的截面。通常是被应用在所需传递的功率比较小的场合。

5）啮合式带传动：其传动比较为固定，而且没有滑动；由于采用的带具有良好的

柔韧性，因此可选用比较小的带轮；可传递比较大的功率。对于高精度且平稳的传动场

合较为适用。

图3.4啮合式带

2

图3.5圆形带

3.1传动带及带轮设计

由带传动相关分析可以发现，对于V带传动而言，其失效形式包括下述几个阳：

⑴疲劳断裂：在运转过程中，在带的各个横截面之上所存在的应力会发生循环变化。

如果应力循环达一定的程度之后，将会局部区域之中产生疲劳裂纹，进而发生脱层现象,

接着产生局部性的疏松，严重时还会发生断裂，由此导致出现疲劳损坏，最终无法进行

有效的传动。

⑵打滑：如果外载大由于最高有效拉力，则带轮和带将会在工作表面上产生相对

滑动的现象，从而形成该类失效。

所以，应当保证不发生打滑，使带有较长的使用寿命以及较高的疲劳强度。

如果要求单根V带在不发生打滑的条件之下还具有良好的疲劳工作寿命，则其额定

功率p具体如下

,1,1

FV^A-qV^—W

LJ———

100010001000

=--------------------------w——(M

1000

而［。］则是由疲劳寿命所得的许用拉应力的值。

充分地考虑电机型号、特点以及具体的工况条件，则可得用=1.1,那么

阳=却年1.lX3kW=3.3kWo

2.选择带的型号

结合带轮转速nl以及功率兄等因素来确定V带的具体型号，根据文献资料【1】

3

中所列的图5.17来确定为A型带。

3.确定带轮的基准直径d〃和d„2

根据该文献资料中所列的表5.4,则获得A型带自身有ddmin=75毫米,则小带轮所对

应的基准直径如下：

^di=100mm；

因此，大带轮基准直径：

-d<ii=2.OX100mm=200mmo

结合表5.4所列的数据，则可将大带轮所对应基准直径确定下来：

dd2=200mm。

有着值为0的传动比误差，由此可知它是可用的。

4.验算带的速度

根据带速：

7Tddi%7TX100X960

V=60X1000=60x1000=5024m/S

式中心为电动机转速；

心为小带轮基准直径。

即v=5.024m/s<kjZSm/s,符合要求。

5.确定中心距a和V带基准长度Ld

根据0.7(公+心)至匹至2(%+醯)初步确定中心距：

0.7(100+180)=196mmWa/2(100+2000)=560mm

工作过程应当有良好的平稳性，确定^300毫米。

初算带的基准长度〃

22

.n(dd2-ddl)n(180-100)

Ld«2a0+-(dd2+ddl)+、6=2x300+y(100+180)+.…J=1045.16mm

式中乙为带的标准基准长度；

L/为带的初算基准长度;

的为初选中心距。

4

根据文献的表5.2可获得以和%等参数的值，由此可知，对于带的基准长度，则

有&值为10000毫米。

计算实际中心距a,由:

Ld1000-1045.16

a%a0H-------——=(300+---------------------)mm=277.42mm

6.计算小轮包角a.

小带轮包角:

Ydd2-ddi0180-1000

%*180-X57.3=18。B--药rx57.3o=163.5

a

7.确定V带根数Z,

根据

Pd

Z=

(P0+AP0)KaKL

确定带的根数。

此处，危对应于相应的包角修正指数，180。会影响到传动的能力，根据表5.9

中所列数据，则可知尼值为0.96；而及对应于带长的修正系数，根据文献资料【1】

中所列的表5.2,则可获得用值为0.96；而H则代表了其额定功率的值。

根据文献中所列表5.4可获得对于单根的V带而言，其传递功率Q值为0.96千瓦;

由式:

AP0=Kbn1(l-^-)

计算功率增量△片。

其中：及为弯曲影响系数，由参考文献【1】表5.5查得：

=0.7725x1()3；

4为传动比系数，由参考文献【1】表5.6查得A；=1.1202；

4为小带轮转速，r/mino

故得：

5

=0.7725X10-3X960X(1-^=

0.08KW

所以:

3.3

7—“-----------------=---3-.-7-1-------

(R+%)/%.—(096+0.08)x0.96x0.89

因此，可确定z值为4。

8.确定初拉力Fo

对于单根V带，则其初拉力具体为:

式中：Pd为设计功率；

/为V带速度；

z为带的根数；

而为包角修正系数；

m为普通V带每米长度质量，由参考文献【1】表5.1查得犷0.lkg/m。

所以：

P(2.5-K\,3.9/2.5-0.96\,

E)=500—d—--a-+mv2=500x-——x―——+0.1X5.0242=134.3N

°vz\Ka/4x5.02I0.96/

9.计算作用在轴上的压力片

用为紧边以及松边所各自对应拉力的向量之和，若拉力差无需考虑，则可根据带两

边所受初拉力的合力来计算：

FQ=2zFcos=2z&sin号