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1、大型振动磨机设计1 前言1.1 国内外研究现状振动磨是一种利用振动对物料进行粉碎和细磨的机械。早在1910年德国FASTING公司就提出了振动磨的概念并制造了一种多室圆筒同心磨机。但第一台真正意义上的振动磨是由德国SIEBTE-CHNIK公司于1949年制造的。它是一种间歇式振动的磨机，容积只有0.6升。虽然它的体积很小，但为后来振动磨的发展和研究奠定了坚实的基础。20世纪50年代振动磨由间歇式向连续式发展。结构也由单筒发展到多筒。其结构主要有单筒、双筒、三筒乃至六筒等。容积也突破了1000L。 到1962年，德国KHD公司制造的以偏心块作为激振器的振动磨大批量生产并被市场广泛接受。此后这种由
2、电机驱动偏心块飞速旋转带动筒体振动的激振方式被各国接受和效仿。振动磨得发展由此进入一个新的时期。在这之后德国研制了Palla型双筒振动磨。其型号主要有20U、50U、65U等。其中65U型号容积达到了2820升，出料粒度以325目计算每台产量达到了4t/h。美国于20世纪中叶研制了一种CHLMERS单筒振动磨。其筒径为1030mm，容积为880升，采用双电机驱动。前苏联研制了许多大容积的振动磨，有2700升、4000升、6000升等。但实际应用中并没有突破2000升。日本通过引进德国、美国的技术，在此基础上生产了CH型、CKC型振动磨。由于其良好的加工性能和系统的稳定等，因而市场占有率很高。我
3、国上世纪60年代初期研制了第一台振动磨，采用三筒结构，但容积和功率都较小。70年代以后，我国振动磨的发展极为迅速。浙江温州矿山机械厂生产的MZ-200,MZ-840振动磨广泛应用于硅酸盐、药物、粉末冶金等工业部门。它不仅能用于粉磨物料而且还能对易氧化物料采用惰性气体保护。洛阳矿山机械工程设计研究院研制的2ZM系列振动磨具有高效率、低能耗、结构紧凑、操作简单、维护方便等优点。它采用双筒结构。当偏心块旋转时，物料在筒内翻转、互相撞击，从而达到粉碎的目的。北京合鼎动力技术有限责任公司生产的主要有2MZG-500.2MZG-300等型号的大振幅振动磨，容积在3000升以内，主要是利用冲击粉碎物料。可靠
4、性高.寿命长。国内振动磨主要朝两方面发展：一是容积越来越大：另一个是振动加速度越来越高，通过提高振动强度来获得高效率的粉磨。1.2 选题的目的及意义随着工业的发展，对粉磨的效率.能量的损耗，产品的粒度都有了较高的要求，而传统的常规振动磨难以达到很高的水平。圆振动的常规振动磨技术虽然取得了长足的进步，但其容积难以突破4000升，单筒直径从未突破900mm。而单纯地靠增大容积并不能解决问题。磨机大型化以后也会出现效率急剧下降，磨机强度不够，可靠性差，轴承易损坏，噪声较大等问题。因此急需研制一种大型高效的振动磨。其主要解决大筒径振动磨低能区的问题，抗震体的强度问题，轴承在高频高速旋转下的发热和寿命问
5、题以及如何提高产量。细磨和超细磨行业的发展日新月异，研究一种新型的振动磨具有很大的实用价值和现实意义。传统的球磨机虽然有效容积大、产量高，但它的效率很低，大量的能量消耗在研磨介质之间的冲击中。同时由于料球和物料、料球和料球之间的摩擦，研磨后的物料温度很高，无形中浪费了大量的能量。随着细磨和超细磨工业的发展，振动磨在能量利用的效率、产品的质量和连续性生产方面有着独特的优势。因此振动磨的前景无限广阔。1.3 振动磨的原理及结构1.3.1 大型偏心振动磨的原理单筒偏心振动磨通过电机驱动偏心块旋转带动筒体作近直线或椭圆运动，从而对物料进行粉磨。大型单筒偏心振动磨的主要特点是激振不通过质量中心，而是离质
6、量中心有一定的距离。这种布置使磨机在90270度的范围内有了更大的振幅。大幅度减少了低能区，使其突破了常规振动磨筒体直径从未达到650mm的界限。由于激振器回转运动对磨机和磨料介质有很强的回转扭矩作用因而磨筒内的粉磨形式主要以压碎，剪切为主，冲击作用为辅。振动磨通过配重使得空磨的质量中心仍处于磨筒的轴线上。1.3.2 大型偏心振动磨的结构 大型偏心振动磨由三相异步电机，挠性联轴器，传动轴，轴承，偏心块，弹簧，筒体，环形连接架，底座，配重等组成。磨机筒体上有进料口，出料口。筒体上焊接有环形连接架，支撑板，连接板。通过这些部件把振动磨的传动系统和筒体连接起来形成一个整体。磨机筒体内部安有耐磨衬板。
7、衬板的材料有合金钢，特种陶瓷，高分子材料如聚氨酯等。根据材料的不同，衬板安装的方式不一样。耐磨钢可以采用镶嵌式或者用螺栓固定在筒体上。而采用聚氨酯则可以涂在筒体内。磨机筒体两侧分别是激振器和配重。两者通过环形连接架连接在一起。磨机筒体通过隔振弹簧安装在底座上，弹簧可以用金属弹簧，橡胶弹簧，复合弹簧等。底座上有地脚螺栓。通过地脚螺栓把底座和设备基础固定在一起。电机与激振器通过挠性联轴器相连。磨机筒体及磨料腔体都采用圆形结构。在筒体的外部安有筋板，提高了刚度而装有内衬能提高强度。衬板按周期定时更换，保证了筒体不被磨损。单筒结构的布置与多筒布置相比减少了筒与筒之间的连接，从根本上解决了薄弱环节，没有
8、特别容易断裂和损坏的部位。激振器通过螺栓安装在连接板上，连接板采用挠性原理有效地消除了振动应力，减少了损坏，提高了可靠性，使磨机使用寿命大大增加。综上所述，单筒偏心振动磨的整体性好，除激振器处用螺栓连接，其余均为焊接结构，没有薄弱环节，强度，刚度都很高。可靠性可与球磨机相媲美。2 结构设计与材料选择2.1 结构设计该振动磨采用单筒结构。各部件通过焊接和螺栓固定连接成一个整体，采用双电机驱动。通过焊接肋板和支撑板提高其强度和刚度，采用金属弹簧隔振，用偏心块作激振源，通过调节两个偏心块的角度改变激振力的大小。总体而言单筒偏心振动磨的结构设计合理，可靠性高，整体性好。如图2.1所示图 2.1其中1激
9、振器；2连接螺栓；3环形连接架；4入料口；5磨机筒体； 6配重；7支撑板；8出料口；9弹簧；10底座；2.2 材料选择振动磨由于其振动的特性对材料的性能要求很高，要能承受大载荷，高转速和交变应力。其强度和刚度都要计算和校核。2.2.1 筒体材料的选择振动磨的筒体一般用结构钢。结构钢是指符合特定强度和可成形性等级的钢。结构钢包括碳素结构钢，合金结构钢，耐热结构钢等。碳素结构钢是碳素钢的一种。其性能主要取决于碳的含量。含碳量增加，钢的强度，硬度提高，塑性，韧性降低。它按质量可分为甲类钢，乙类钢，特类钢。其中甲类钢又叫A类钢，主要是保证其力学性能，如Q235A。乙类钢又叫B类钢，主要是保证其化学成分
10、，如Q235B。特类钢又叫C类钢，既保证力学性能又保证化学成分，如SS400，Q235C等。碳素结构钢一般情况下都不经过热处理，而在供应状态下直接使用。通常Q195，Q215钢碳的含量低，焊接性能好，塑性，韧性好，有一定强度。用于承受载荷不大的金属结构件，铆钉，垫圈，地脚螺栓及冲压件等。Q235强度较高，焊接性能好，塑性，韧性好常用于金属结构件，钢板，钢筋，螺栓和重要的焊接结构钢。Q255和Q275钢碳的质量分数稍高，强度高，塑性，韧性好。常用于制造承受中等载荷的零件如连杆，联轴节，销，键等.在单筒振动磨中，筒体与环形连接架是进行焊接而构成整个机体，主要保证的力学性能。要求焊接性能好，因此选用
11、Q235A，其力学性能为屈服强度=235MPa，抗拉强度.=275410MPa2.2.2 衬板材料的选择衬板的作用是防止磨料介质和物料对筒体的磨损，衬板需定时更换。更换的周期根据经验和产量计算得出。它的主要材料有耐磨钢，高分子材料，特种陶瓷等。 高强硬的耐磨钢广泛应用于工程机械构件和矿山设备。钢板具有强度高，韧性好，可焊接，耐磨等性能。聚氨酯弹性体是一种高分子材料。具有优良的耐磨性能，韧性好，抗冲击性强。其强度和弹性都较高。在相同的硬度条件下比其它材料的承受载荷能力高。它的耐磨性是天然橡胶的2-4倍，是钢衬板的8-10倍。同时具有重量轻，耐疲劳性高以及抗振动性好等优点。在单筒偏心振动磨中，衬板
12、与磨料介质，物料不断摩擦产生大量的热量。同时磨介和物料对衬板有较大的冲击。因此衬板的材料选择聚氨酯。它质量轻，耐磨性好，对物料没有污染，适应性广且易于安装。2.2.3 传动轴材料的选择轴承受的主要是弯矩和扭矩。其主要失效形式为疲劳断裂和弯曲变形。轴应具有足够的强度，韧性，耐磨性。轴常用的材料是碳素钢和合金钢等。碳素钢价格低廉、对应力集中的敏感性低、加工工艺性好，故应用最广。一般用途的轴，多用含碳量为0.250.5的优质碳素钢尤其是45号钢。而合金钢具有比碳素更好的机械性能和淬火性能，但价格较贵。轴的选用原则是 （1）以刚度要求为主的，轻载以及不太重要的轴，为了降低成本可选用碳钢如Q235A等。
13、主要用于一般简易机械主轴。（2）对于载荷较大主要承受弯曲或扭转载荷而无很大冲击的重要轴可选用40Cr,40Cr,45钢等其热处理工艺为调质，表面淬火。（3）对于要求高耐磨性，高强度且热处理变形很小的轴可选用38CrMoAlA等其热处理工艺为调质，渗氮。（4）对于要求强度及韧性均较高的轴可选用20Cr,其热处理工艺为渗碳，淬火，回火。在单筒偏心振动磨中，轴承受交变扭转弯曲载荷。轴的主要性能是高的疲劳极限，优良的综合力学性能。因此轴的材料选用40Cr。其热处理工艺为调质，表面淬火。力学性能为硬度241286HBS，抗拉强度极限=685MPa,屈服强度极限=490MPa,弯曲疲劳极限=335MPa,
14、剪切疲劳极限=185MPa,许用弯曲应力=70MPa.2.2.4 轴承的选择振动粉碎机械的轴承在工作环境很恶劣的情况下运转,易受到粉尘,高温等影响。与一般的机械传动所用轴承相比，它要求比较高的负荷量和较高的极限转速以及高的振动加速度。它承受的主要是由激振器所产生的离心力以及磨机的自重作用产生的冲击振动动载荷复合而成的交变应力。由于磨机的高频振动，这种交变应力的频率很高，特别容易损坏轴承。因此一般符合要求的只有双列球面滚子轴承和单列短圆柱滚子轴承。双列球面滚子轴承负载荷大但转速低，安装不方便。单列短圆柱滚子轴承承载能力底，特别是轴向更底。滚动轴承的破坏形式有三种:疲劳损坏、塑性变形和磨损。前两种
15、破坏形式与轴承的负荷有关。所以应使轴承具有较大的径向和轴向负荷。轴承密封在轴承座内，当轴高速转动时，由于摩擦会产生大量的热量从而引起轴承的膨胀。因此轴承在安装时要有一定的径向游隙，防止轴承抱死影响整机的可靠性。轴承一般用油脂、溅油或者循环油润滑。在单筒偏心振动磨中，轴承承受载荷大，转速高，因此采用单列圆柱滚子轴承。又轴向负荷大，采用轴承成对使用的方式增大承受能力。为了有一定的轴向承载能力两轴承之间装有套筒，轴承内外圈都有挡边。轴承采用脂润滑。2.2.5 弹簧材料的选择弹簧的主要作用是通过弹性变形吸收和释放能量，从而传递运动、位移或者力。减少机械振动和载荷冲击，因此弹簧产生形变的方式主要是承受拉
16、压、扭转、弯曲和冲击。为了保证弹簧工作的可靠性，其材料除了满足较高的强度、刚度和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、在机器中的重要程度、工作温度以及所受载荷的大小、性质、循环特性等使用条件。还应考虑到加工的难易程度、热处理的放式和经济性等因素，以便使选择的结果与实际的要求相符合。弹簧的失效形式主要是过量的弹性变形、疲劳断裂和韧性断裂。用于振动磨的弹簧主要有金属螺旋弹簧、橡胶弹簧、空气弹簧及复合弹簧等。金属螺旋弹簧的弹性好、弹性系数稳定、加工制造简单、价格便宜，但在振动磨的启动和停车过程中，磨机通过共振区时容易失去控制。橡胶弹簧弹性一般，弹性系数也不稳定而且易老化，因此不适合单独使用，
