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1、设计供实验室使用的球磨机,杨光辉 北京科技大学机械工程学院 (010)62332357 2012年08月13日,2,课程设计日程安排,1-2天：设计计算（事先准备好计算器、手册，教材等技术资料）； 3-5天：绘制总装配图A1(1:3)； 6天：绘制小齿轮轴系部件草图（受力分析）A3(1:2)； 7天：绘制小齿轮轴零件图A3(1:1) ； 8天：写设计说明书； 9-10天：答辩.,3,北科大实验室使用的球磨机,4,北科大实验室使用的球磨机,5,球磨机ball grinding mill,球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。球磨机是工业生产中广泛使用的高细磨机械之一。球磨机广泛应用于水泥
2、，硅酸盐制品，新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑与有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业，对各种矿石和其它可磨性物料进行干式或湿式粉磨。球磨机适用于粉磨各种矿石及其它物料，被广泛用于选矿，建材及化工等行业。,6,应用场合,7,球磨机工作基本原理,当球磨机回转时，研磨体由于惯性离心力的作用贴附在磨机筒内壁的衬板面上，与筒体一起回转，并被带到一定的高度。在这样的高度在重力的作用下，以一定的速度，像抛射体一样落下，将筒体内的物料击碎。另外，在球磨机回转过程中，研磨体还产生滑动和滚动，因而研磨体、衬板与物料之间发生研磨作用使物料磨细。,8,一、设计任务书 已知条件、使用要求、设计内容（包括：设计题目、简图、
3、设计任务（见课本目录 ）（机械设计制图下册 P344-345） 周边及粉碎效率90%； 制造方式为单件生产； 球磨机研磨物料20kg； 每天工作8小时； 要求工作平稳， （允许有轻微冲击）。,9,10,11,带 传 动,交流电机,齿轮 传 动,12,二、传动装置的总体设计及初步计算,1.球磨机的基本参数（见课本P345） 1）研磨介质的合理载量G0 G1=0.14G0 式中： G1：研磨物料（kg），已知条件可知G1=20kg； G0：研磨介质（钢球）的合理装载量（kg）。 得到 G0=G1/0.14=,13,2）计算罐体体积V G0=V 式中： V：罐体容积（m3） ：研磨介质（钢球）的比重
4、，取4800kg/m3 ：研磨介质的填充系数，对于干式球磨机取0.3。 得到 V=G0/()=,14,3）计算罐体内径D 式中： D：球磨机内径（m）； L：球磨罐长度，L取1.2D（m） 。 得到,15,4）计算球磨机有利工作转速nw 得到 nw= 球磨机筒体的回转速度对于粉磨物料的作用影响很大。当转速达到一定值时，最外层研磨体与筒体一起回转，而不离开筒壁，这时的转速叫做磨机的临界转速。 为了使磨机进行正常的粉磨工作，球磨机的转速必须小于临界转速，这一转速也叫工作转速。最有利的工作转速应该保证球沿抛物线下落时的高度最大，从而使球在垂直方向获得最大的动能来粉碎物料。工作转速可通过转速公式计算求
5、得。,16,磨机转速对粉磨工作的影响,当筒体转速过低时（图a），筒体不能将研磨体带到一定的高度，冲击物料的作用很小。反之，若筒体的转速过大（图c），转速超过“临界转速”时，研磨体在其惯性离心力的作用下贴附在筒体上，与筒体一起作圆周运动，也根本起不到对物料的冲击作用。只要当筒体的转速适宜时（以“临界转速”的60%70%），研磨体抛出后，才能获得最大的降落高度，对物料产生较大的冲击效果，如图b所示。,17,2.总体方案确定（见手册P19） 从球磨机的基本参数计算可知，nw= ？rpm, 电动机的同步转速一般有3000rpm、1500rpm、1000rpm、750rpm几种，从结构尺寸、价格等考虑选
6、nd=1000rpm, 则总传动比i=nd/nw，可采用2级传动。 所以初步拟定四种传动方案见手册P20（参见教材P346，从工作条件、传动性能、传动比、空间结构尺寸、重量、效率、功率及成本等方面讨论，确定一种最佳方案）,18,传动方案,19,3.选择电动机（见手册P5、教材P346） 球磨机所需功率： 式中： V：球磨机的有效容积，V= D:球磨机的内径，D= G：球磨机的装载量，G=G1+G0= K：电动机的储备系数，K取1.1； ：粉碎效率，已知=90%。,20,电动机实际功率：Pd=Pw/a； a=带齿轮轴承（见手册P44） 所以,Pd=Pw/a 由手册P151-152： 同步转速：交
7、流电机的同步转速是指旋转磁场的转速，若电机转子转速低于同步转速，则该电机叫异步电动机。 电动机选用：,21,22,表1 电动机主要性能,表2 电动机外形尺寸(mm),电动机的外形尺寸： 手册P152,23,4.确定传动装置总传动比，分配各级传动比,由所选电动机的转速和工作机转速，可得总传动比： i= nd/nw 式中 nd：电动机的满载转速，r/min； nw：工作机的转速（nw =？），r/min。,（见手册P6-7）,24,4.确定传动装置总传动比，分配各级传动比,多级传动中，总传动比为各级传动比的乘积： 式中： i1、i2、i3、in为各级传动机构传动比。 考虑到安装和罐体的尺寸，大齿轮
8、需做成齿圈和罐体相连，因此i齿可取大一些，i齿=5 开式圆柱齿轮传动比推荐范围为8（见手册P44）。对于一般齿轮传动, 当传动比i8可采用单级传动； 当i8时, 宜采用多级传动, 以免传动装置的外廓尺寸过大。 直齿圆柱齿轮的传动比一般取i3, 最大可达5； 斜齿圆柱齿轮的传动比可大些, 取i5, 最大可达8。 在已知总传动比要求时，如何合理选择和分配各级传动比，见教材第二十一章简易机械设计P429-431。,25,设计计算传动件时，需要知道各轴的功率、转速、转矩，因此应将工作机上的功率、转速、转矩推算到各轴上。 如果一传动装置从电动机到工作机有两根轴，依次为 I、II轴，则：,26,5.传动装
9、置的运动和动力参数,1）各轴转速 式中 nd：电动机的满载转速，r/min；nI、nII分别为 I、II轴的转速，r/min；I 轴为高速轴、II轴为低速轴。,27,2）各轴功率 式中: Pd电动机的输出功率，kW；PI、PII 依次I、II、轴输入功率，kW。,（效率：见手册P44）,28,3） 各轴转矩 式中:Td 电动机的输出转矩，Nm；,29,各轴的动力参数,30,三、带传动设计,1. 带传动设计要点 设计带传动时应注意检查带轮尺寸与传动装置外廓尺寸的相互关系，例如小带轮外圆半径是否大于电动机的中心高，大带轮外圆半径是否过大造成带轮与机器底座相干涉等。要注意带轮孔径尺寸与电动机轴或减速
10、输入器轴尺寸是否相适应。 带轮直径确定后，应验算带传动的实际传动比，并以此修正各轴的运动、动力参数。带轮的结构形式主要由带轮的直径决定，见手册P8-9，教材第11章。,31,带传动设计时所需确定的内容主要为（通常选用V带传动）： 确定计算功率Pc； 选择V带型号； 选取大带轮和小带轮的基准直径d1和d2； 验算带速v； 确定中心距a和带长Ld； 验算包角1； 计算带的根数z； 计算在轴上的作用力FQ。（本次设计不需计算FQ ）,32,带传动的设计计算,计算功率Pc=KAP（注：P取计算所得） 由已知条件和使用要求，载荷平稳、一班制：教材P262-表11-3，KA =1.1 则 Pc=KAP=
11、确定V带型号（根据Pc、n1由教材P267-图11-5选取，注意：选Z会出问题：根数太多，在Z、A共同区域,可选A型） 确定带轮直径（注意按标准系列推荐使用范围选取） 由图11-5及表11-10，取d1=112，则d2= i带d1=？ ,取d2=315； i带实=315/112=2.81 验算带速,（525m/s）,33,V带型号的确定,根据小带轮的转速n1和计算功率PC来确定V带的型号。图中还给出了小带轮的基准直径d1的推荐使用范围。,34,确定带轮中心距a和带长Ld （初取a0=500：0.7（d1+d2）a02（d1+d2）及场地条件 计算Ld0=2a0+3.14（d1+d2）/2+（d
12、2-d1）2/（4a0） 查出Ld=？ 算出aa0+(Ld-L0)/2=？ 带的调整范围：由a+0.030Ld 验算包角1（1120） 计算带的根数 z=Pc/(P1+P1)KKL)=？,-0.015Ld,带的根数?,35,计算作用在轴上的力 FQ=2F0Zsin(1/2) FQ的求解很关键，为轴系的受力分析作准备。 确定带轮结构尺寸（见手册P9-图2-1）教材P271） 张紧装置（见手册-图7-25：滑块张紧装置易于拆卸）,36,V带轮的结构,37,38,张紧装置（见手册-图7-25：滑块张紧装置易于拆卸）,39,调整中心距,40,开式齿轮传动的设计计算,开式齿轮传动设计准则： 按弯曲疲劳强
13、度进行设计，再将计算确定的模数增大的办法，来考虑磨损对轮齿强度削弱的影响。 1、选材料 开式齿轮传动，要求齿面有较高的耐磨性，由表12-11选择齿轮材料如下（小齿轮材料要优于大齿轮）： 小齿轮：45 调质 HB217286 HBS=250 大齿轮：铸铁310-570 正火 HB163-207 HBS=185,41,按表12-12查取最小安全系数：,代入数值：,许用弯曲应力：,2、确定许用应力,42,3、确定齿数 取小齿轮的齿数为z1 =20（对于开式齿轮传动，由于轮齿主要为磨损失效，为使轮齿不致过小，故小齿轮不宜选用过多的齿数，一般可取z1 =1720），则大齿轮的齿数为： 取整 z2 =12
14、7（相互啮合齿轮对磨损均匀，传动平稳，一般z1和z2互为质数） 则开式齿轮的实际传动比为：,43,4、按轮齿弯曲强度设计模数,式中：载荷系数,取：KA= （表12-8） KV = K= （图12-26） 代入数值： K=,44,应力影响系数 由于两个齿轮的齿数和材料不同，为使两齿轮的弯曲强度都能满足，需将YFS1/F1和YFS2/F2中的较大值代入式中。 由表12-10，z1=20, YFS1 =4.36 z2=127, YFS2 =3.98,计算小齿轮的转矩T1,传递的功率P=？kW 小齿轮的转速n1=？rpm,45,确定齿宽系数,由表12-9：取 d =？,46,计算模数,考虑磨损对轮齿强
15、度削弱的影响，模数增大10%15%，则： m =1.7(1+15%)=1.955（mm） 取标准模数：m =2.0mm ？（表12-1） 考虑到齿轮的结构和安装方便，大齿轮的分度圆直径需取至630650mm。 取d2=630mm m=d2/z2=630/127=4.96 取标准模数：m =5.0mm,47,5、确定齿轮的主要参数及几何尺寸,小齿轮的分度圆直径,大齿轮的分度圆直径,大齿轮齿宽,小齿轮齿宽,两齿轮中心距,48,传动比发生改变传动装置的运动和动力参数,1）各轴转速 式中 nd：电动机的满载转速，r/min；nI、nII分别为 I、II轴的转速，r/min；I 轴为高速轴、II轴为低速轴。,49,2）各轴功率 式中: Pd电动机的输出功率，kW；PI、PII 依次I、II、轴输入功率，kW。,（效率：见手册P44）,50,3） 各轴转矩 式中:Td 电动机的输出转矩，Nm；,51,四、球磨机罐体及轴系设计,第 三 讲,52,球磨机罐体,53,1. 罐体的结构设计 铸造：罐体尺寸较大，一般可用ZG35铸造； 焊接：钢板卷曲后焊接。罐体壁厚1015mm，两端焊接。（单件生产）,54,罐体
