【正文】 論 ...................................................................... 26 致 謝 ...................................................................... 27 參 考 文 獻 ................................................................ 28 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁 第一章 緒論 前言 研究背景 隨著社會的不斷進步和發(fā)展，納米技術(shù)逐漸成熟并被應(yīng)用到各個領(lǐng)域。尤其是進入 21 世紀以后，隨著 3D 技術(shù)的不斷成熟完善，工業(yè)產(chǎn)品成本大大降低，從而更加促進了 3D 技術(shù)和納米技術(shù)的進步。因此，超細材料（ Ultrafine material）及納米材料（ Nanomaterial）在生物、化工、機械、材料等領(lǐng)域都有著更加廣闊的發(fā)展空間 [13]。而球磨技術(shù)作為生成超細材料和納米材料的主要技術(shù)之一 [46]，逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者和機構(gòu)爭相研究的熱點。 球磨 機 [7]（ BallGrindingMill）是一種傳統(tǒng)物料研磨裝置，至今已有一百多年的發(fā)展歷史。 19 世紀初期出現(xiàn)了用途廣泛的球磨機， 1870年在球磨機的基礎(chǔ)上發(fā)展出排料粒度均勻的棒磨機 [8]， 1908 年又創(chuàng)制出不用研磨介質(zhì)的自磨機 [9]。 20 世紀 30～ 50 年代，美國和德國相繼研制出輥碗磨煤機、輥盤磨煤機等立軸式中速磨煤機 [10]。球磨機作為將固體物料細化制粉的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、水泥、陶瓷、建筑、電力、醫(yī)藥以及國防工業(yè)等部門，對各種礦石和其他可磨性物料進行干式或濕式粉磨。尤其是冶金工業(yè)中的選礦部 門，磨礦作業(yè)更是具有十分重要的地位。近年來我國的房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，城市化建設(shè)進程的加快也帶動了相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展，其中一個突出的體現(xiàn)就是水泥制造業(yè)?？偛课挥谟摹?InternationalCementReview》（國際水泥評論）剛剛發(fā)布其最新的《 GlobalCementReport》（全球水泥報告），該報告覆蓋了 160 多個國家。報告指出，全球水泥消費量 2020 年為 億 t， 2020 年為 億 t， 2020 年更是增至 億 t， 2020 年全球水泥消費量預(yù)計將達到 億 t。中國目前在全球水 泥數(shù)據(jù)統(tǒng)計中獨占鰲頭， 2020 年的消費量為 億 t，幾乎是 2020 年水平的兩倍，水泥消費的旺盛增長趨勢促進了國內(nèi)對球磨機的需求量的增加。由于球磨機的處理能力和球磨后的粒度對后續(xù)作業(yè)的效率和整體生產(chǎn)流程的技術(shù)經(jīng)濟指標影響顯著，有關(guān)球磨機的研究在國內(nèi)外一直受到廣泛的關(guān)注和高度重視。近幾年來，由于能源費用的增長和礦石品位的下降，降低建設(shè)投資和生產(chǎn)費用是世界各國礦山工業(yè)面臨的一個嚴峻問題，采用高效大型設(shè)備是現(xiàn)代選礦廠建設(shè)的主要傾向，球磨機的大型化已成為技術(shù)發(fā)展的方向。 研究意義 隨著現(xiàn)代工業(yè)對超 細物料需求量的日益增加，對品質(zhì)要求的不斷提高 ,新的超細粉磨設(shè)備及新型粉磨工藝不斷出現(xiàn)。行星式球磨機在能耗、鋼耗和效率等方面比常規(guī)圓筒形球磨機更第 2 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 有優(yōu)勢。 90 年代以來 ,機械合金化法已成為制備新型復(fù)合材料的熱門課題?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn) ,MA通過行星式高能球磨機的高能研磨作用 ,可以引起材料原子尺度的結(jié)合與化學(xué)反應(yīng) ,可以實現(xiàn)非晶質(zhì)化 ,可以將金屬間化合物組元粉體固態(tài)下生成金屬間化合物 ,可以使某些液態(tài)下并不互溶的體系實現(xiàn)較寬成分范圍的固溶 。另一方面 ,由于高能球磨機的強烈撞擊與研磨作用 ,還可以制備出各種單質(zhì)元素的納米級粉體材料和金屬 陶瓷納米材料等。行星式高能球磨機之所以能成功地實現(xiàn)上述新型材料的制備 ,主要取決于行星式高能球磨機的工作能力。本文通過對行星式高能球磨機工作原理的研究和分析 ,設(shè)計了一款臥式行星式陶瓷粉末球磨機，對現(xiàn)代工業(yè)粉末研磨行業(yè)中具有重要的實際意義。 球磨機的應(yīng)用現(xiàn)狀 自 20世紀開始，國內(nèi)外對球磨機的研究工作從未停止。其中，依據(jù)球磨機的特征結(jié)構(gòu)和球磨罐運動形式的不同，常用的高能球磨機主要分為三大類：振動式 [11]、行星式 [1214]、攪拌式 [1516]。對于任意一種高能量球磨機 [1719]，微粒的細化程度主要 取決于磨球和物料所獲得的碰撞能量。碰撞能量越高，物料顆粒粒子在磨球的撞擊下產(chǎn)生破碎的幾率就越大，從而使物料顆粒細化的細化程度就越高。 隨著應(yīng)用市場的不斷變化，行星式高能球磨機 [2022]逐漸被市場接受并且越來越受到社會的認可。因此，行星式高能球磨機在市場中所占份額最大，產(chǎn)品類型也最多。根據(jù)設(shè)備的布局方式的不同，我們可以把行星式高能球磨機分為立式和臥式兩種方式。無論是立式球磨機還是臥式球磨機，均采用轉(zhuǎn)盤離心的方式使球磨罐繞著旋轉(zhuǎn)中心既做公轉(zhuǎn)運動又做自轉(zhuǎn)運動，從而使球磨罐中的磨球與物料碰撞形成粉末。對行星式球 磨機的研究，我國起步較晚但是發(fā)展迅速。 1996 年，南京大學(xué)儀器廠生產(chǎn)的帶有變頻器的行星式球磨機 [2325]在當時已經(jīng)代表了我國球磨機設(shè)計的先進水平。由于采用了同步齒形帶的傳動方式，傳動精度得到大大的提升。圖為北京金工生產(chǎn)的立式行星式球磨機，采用皮帶傳動機構(gòu)和變頻控制器控制，可根據(jù)用戶需求自行調(diào)整運行轉(zhuǎn)速。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 圖 北京金工立式行星式球磨機 小型球磨機的發(fā)展趨勢 全球經(jīng)濟自 20 世紀 60 年代以來，由于我國工業(yè)發(fā)展迅速，以前所未有的發(fā)展速度迅速發(fā)展，但對環(huán)保概念的忽視，造成了全球環(huán)境嚴重污染，帶來了嚴重的環(huán)境污染問題。工業(yè)廢棄物的大量產(chǎn)生是造成環(huán)境污染的重要原因之一。正因如此，我國制定了一系列的環(huán)境保護措施以期望降低環(huán)境污染。與此同時，社會各行各業(yè)也積極想方設(shè)法為環(huán)保積極努力。但傳統(tǒng)的環(huán)境治理方法是末端治理。對于加工制造業(yè)來說，充分利用原材料、節(jié)約能源、減少有害廢物和有害氣體的排放、安全操作的改進， 是減輕環(huán)境污染問題的關(guān)鍵因素。而綠色制造也是在這樣的背景下提出來的。它被看作是解決問題的根本方法和途徑，也是現(xiàn)代企業(yè)獲得競爭優(yōu)勢的主要來源。自提出環(huán)保概念開始，我國積極準備各種措施，為做好環(huán)境保護工業(yè)積極努力。工業(yè)方面，這就要求我們的產(chǎn)品逐漸向節(jié)能環(huán)保型“綠色產(chǎn)品” [2627]轉(zhuǎn)變。由于小型機械設(shè)備逐漸成為市場的主角。同樣，小型球磨機也具有更加廣泛的市場空間和發(fā)展?jié)摿Α? 除此之外，智能化設(shè)計也成為設(shè)計工程師設(shè)計理念之一。近幾年來，互聯(lián)網(wǎng)以及移動互聯(lián)網(wǎng)正不斷的改變傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑?！盎ヂ?lián)網(wǎng) +”的概念也逐漸 深入人心。智能家居、智能汽車等名詞也不再是新鮮詞語。由此可見，智能化時代已經(jīng)到來，而我們要做的就是緊跟智能化時代的步伐。智能產(chǎn)品不僅能解決勞動力市場中勞動力緊張的問題，在提高生產(chǎn)效率的同時，又能保證生產(chǎn)產(chǎn)品的高質(zhì)量性。因此，智能化產(chǎn)品成為人們肯定的產(chǎn)品，也是各生產(chǎn)企業(yè)追逐的目標。毫不例外，小型球磨機 [2829]作為小型產(chǎn)品的代表，也會逐漸成為智能化時代中不可缺少的設(shè)備之一。 研究內(nèi)容 本次設(shè)計的主要技術(shù)指標為： 1) 傳動方式：齒輪傳動 2) 工作方式：兩個或四個球磨罐同時工作 3) 球磨罐和磨球材質(zhì)：陶瓷 4) 球磨罐容積： 2L 5）轉(zhuǎn)速比 (公轉(zhuǎn)：自轉(zhuǎn) )： 1:2 6）轉(zhuǎn)速 (自轉(zhuǎn) )： 0~580 轉(zhuǎn) /分 7）控制方式：變頻無極調(diào)速、程序控制，手動、自動定時正反轉(zhuǎn)，定時關(guān)機 第 4 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8）最大連續(xù)工作時間 (滿負荷 )： 48小時 9）轉(zhuǎn)速允許誤差：177。 5% 基于目前我國球磨機的市場需求和發(fā)展現(xiàn)狀，本文擬研究的主要內(nèi)容有： （ 1） 查閱球磨機的相關(guān)資料，了解高能球磨機的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，了解行星式球磨機的發(fā)展優(yōu)勢，確定了本課題的研究意義； （ 2） 了解高能球 磨機內(nèi)部傳動機構(gòu)的機械原理，設(shè) 計臥式行星球磨機的傳動機構(gòu)，為后期做運動仿真提供了理論依據(jù)； （ 3） 根據(jù)實際需要確定電動機的選型，完成太陽輪、行星輪、齒輪、軸架等部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計； （ 4） 利用三維設(shè)計軟件 solidworks 完成球磨機相關(guān)附件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如：球磨罐、球磨罐夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計； （ 5） 利用三維運動仿真軟件對已完成的球磨機進行運動學(xué)仿真分析，為實際需要提供理論基礎(chǔ)。 本章小結(jié) 本章主要闡述了高能球磨機的研究背景和研究意義，系統(tǒng)地介紹了高能球磨機的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對高能球磨機的研究熱點和趨勢進行了概述。根據(jù)實際 市場需求，并確立了本文的主要研究內(nèi)容。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 第二章 小型球磨機的總體設(shè)計 小型球磨機的工作原理 圖 行星式球磨機機構(gòu)原理圖 小型行星式球磨機的工 作原理是：在一轉(zhuǎn)盤上裝有 4 個球磨罐，當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，球磨罐在繞轉(zhuǎn)盤軸公轉(zhuǎn)的同時又繞自身軸做行星式的方向自轉(zhuǎn)運動，罐中磨球和材料在高速運動中相互碰撞、擠壓、摩擦，達到粉碎、研磨與混合勻化樣品的目的，其效率比傳統(tǒng)的滾筒式球磨機要高出很多倍。目前，常見的球磨機的主要傳動機構(gòu)采用帶傳動的傳動方式，行星轉(zhuǎn)動機構(gòu)采用行星齒輪機構(gòu)或者帶傳動機構(gòu)。 臥式行星球磨機是將四只球磨罐水平安裝在一垂直平面的大盤上作行星運動。在這種運動過程中球磨罐沒有固定的底面，罐內(nèi)磨球和磨料在垂直平面內(nèi)受到公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)兩個離心力和重力的共同作用，相互 之間猛力碰撞、擠壓，將磨料快速粉碎、磨細。 球磨機的用途和分類 球磨機是物料被破碎之后，再進行粉碎的關(guān)鍵設(shè)備。它廣泛應(yīng)用于水泥，硅酸鹽制品，新型建筑材料、耐火材料；化肥、黑有色金屬選礦以及玻璃陶瓷燈生產(chǎn)行業(yè)，對各種礦石和其他可磨性物料進行干式或濕式粉磨。 目前常見的球磨機按沖擊分類可分為輕型和重型兩種。 按照長度可分為短磨機、中長磨機和長磨機三種。長徑比在 2 以下時為短磨機，一般用于粗磨或一級磨，也可將 23 臺球磨機串聯(lián)起來使用；長徑比在 3 左右時為中長磨機；長徑比在 4以上時為長磨機，用于水泥廠得較多。 按研磨介質(zhì)形狀分類可分為球磨機、棒磨機、棒球磨機和礫石磨。磨機內(nèi)裝入的研磨介第 6 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 質(zhì)主要是鋼球或鋼段的磨機稱為球磨機，這種磨機使用最為普遍；磨機內(nèi)裝入直徑為 50110mm的鋼棒作為研磨介質(zhì)的磨機稱為棒磨機；而棒球磨機通常具有 24 個倉，在第一倉內(nèi)裝入圓柱形鋼棒作為研磨介質(zhì)，以后各倉則裝入鋼球或鋼段；磨機內(nèi)裝入的研磨介質(zhì)為礫石、卵石、刺球等介質(zhì)的磨機稱為礫石磨，多用于白色或彩色水泥以及陶瓷生產(chǎn)。 按傳動方式分類可分為中心傳動磨機和邊緣傳動磨機兩種。電動機通過減速機帶動磨機卸料端空心軸而驅(qū)動磨機回轉(zhuǎn)的磨機為中心傳 動磨機，減速機的出軸與磨機的中心線在一條直線上；電動機通過減速機帶動固定在卸料端筒體上的大齒輪而驅(qū)動磨機筒體回轉(zhuǎn)的磨機稱為邊緣傳動磨機。 按照工藝操作過程又可分為干式磨機、濕式磨機 、間歇磨機和連續(xù)磨機。連續(xù)磨機與間歇磨機相比，前者產(chǎn)量高、單位重量產(chǎn)品的電耗少、機械化程度高和所需操作人員少。但基建投資費用大，操作維護比較復(fù)雜。現(xiàn)在間歇式磨機極少使用，常用作化學(xué)實驗室使用。 2． 3 小型球磨機的總體設(shè)計方案 目前，大多數(shù)的小型球磨機都采用