畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-雙圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

摘要雙圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)具有單圓盤(pán)氣流粉碎機(jī)中高速氣流對(duì)粒子的沖擊和摩擦作用，而且能使超高速運(yùn)動(dòng)、能量巨大的粒子產(chǎn)生碰撞，廣泛應(yīng)用于各種非金屬礦等原料的超微粉碎，與傳統(tǒng)的氣流粉碎相比生產(chǎn)效率更高。本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)雙圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，通過(guò)對(duì)圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行分析，在此分析基礎(chǔ)上提出了總體結(jié)構(gòu)方案；接著，對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算選擇；然后，對(duì)各主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核；最后，通過(guò)AutoCAD制圖軟件繪制了雙圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)裝配圖及主要零部件圖。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，鞏固了大學(xué)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了普通機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對(duì)今后的工作于生活具有極大意義。關(guān)鍵詞：雙圓盤(pán)；氣流粉碎；噴嘴；設(shè)計(jì)AbstractHighliftdevicecalledweightliftingdevice,atopheavymachinery,liftingmachineisawithrelativelysmallforcecantheweightlifting,descendingorshiftofsimpletools,canalsobeusedtocorrectthedeformationoftheequipmentinstallationandthedeviationofthecomponentsuchas.Electricliftingdeviceisaliftingdeviceforliftingheavyobjectsbyscrewdrive.Themotoriscomposedofamotor,abeltdrive,aturbinevortexroddrive,ascrew,anut,aliftingrod,etc..Thisdesignfirst,basedonthestructureandtheprincipleofelectricliftingdeviceofhighanalysis,thisanalysisbasedonputforwardtheoverallstructureschemeofandthen,thedesignandverificationofmaintechnicalparametersofthemainpartsisdiscussed;then,throughthethree-dimensionaldesignsoftwarePro/Edesigntheelectricliftingdeviceandmotionsimulationiscarriedout.Finally,drawtheelectricliftingdeviceassemblyandmajorpartsofthemap.Throughthedesign,theconsolidationoftheUniversityoftheprofessionalknowledge,suchas:mechanicalprinciples,mechanicaldesign,mechanicsofmaterials,toleranceandinterchangeabilitytheories,mechanicaldrawing;masterthedesignmethodofgeneralmachineryproductsandbeabletoskillfullyuseAutoCADdrawingsoftware,forthefutureworkinlifeisofgreatsignificance.Keywords:Liftingequipment;Turbine;Spiral;Design;Simulation目錄摘要 IAbstract II1.緒論 11.1選題背景 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.2.1氣流粉碎工藝參數(shù)的研究 11.2.2氣流粉碎理論的研究 22.總體方案設(shè)計(jì) 42.1主要技術(shù)參數(shù) 42.1.1設(shè)計(jì)參數(shù)選定 42.1.2總體方案選定 42.2設(shè)計(jì)思路 52.3設(shè)計(jì)方案流程圖 52.4本章小結(jié) 53.主要部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算 63.1粉碎系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 63.1.1加速規(guī)律研究 63.1.2粉碎規(guī)律的研究 103.1.3噴嘴的設(shè)計(jì)和計(jì)算 133.1.4粉碎腔的設(shè)計(jì)和計(jì)算 143.2加料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 153.3分級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 173.3.1分級(jí)理論 173.3.2分級(jí)設(shè)備 173.3.3分級(jí)器設(shè)計(jì) 185.參考文獻(xiàn) 216.致謝 221.緒論1.1選題背景許多材料加工成超微狀態(tài)，會(huì)得到許多非微粒產(chǎn)品無(wú)法得到的特殊功能；如提高其在化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)速率，改善其著色率、遮蓋力、色度，增強(qiáng)其分散、流變性、補(bǔ)強(qiáng)性等。因此，超微產(chǎn)品已廣泛的用于化工、醫(yī)藥、涂樹(shù)、農(nóng)藥、染料、電子等行業(yè)中，成為這些行業(yè)高性能高技術(shù)產(chǎn)品不可缺少的材料。目前我國(guó)的超細(xì)粉碎設(shè)備，基本上己與世界上定型機(jī)種處在同一水平線(xiàn)上，國(guó)際上成熟的機(jī)種，我國(guó)都能生產(chǎn)，如氣流磨、攪拌磨、塔式磨、振動(dòng)磨、各類(lèi)機(jī)械式高速?zèng)_擊磨等。但是由于我國(guó)在粉體技術(shù)的研究方面較世界先進(jìn)國(guó)家起步晚，故設(shè)備研制也晚，基礎(chǔ)差，起點(diǎn)低，引進(jìn)消化后所生產(chǎn)的各類(lèi)設(shè)備，質(zhì)量難免良萎不齊，有些只是在低水平上重復(fù)，甚至有些概念含混不清。基于以上情況不僅可以看到超微粉碎的重要作用，也可以看到我國(guó)超微粉碎的薄弱之處。雙圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)具有單圓盤(pán)氣流粉碎機(jī)中高速氣流對(duì)粒子的沖擊和摩擦作用，而且能使超高速運(yùn)動(dòng)、能量巨大的粒子產(chǎn)生碰撞，廣泛應(yīng)用于各種非金屬礦等原料的超微粉碎，與傳統(tǒng)的氣流粉碎相比生產(chǎn)效率更高。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1氣流粉碎工藝參數(shù)的研究氣流粉碎機(jī)的參數(shù)研究包括幾何參數(shù)和工藝參數(shù)。幾何參數(shù)包括噴嘴直徑、噴嘴與噴嘴（或靶）間的軸向距離、粉碎室直徑等，工藝參數(shù)主要包括：原料初始粒度、分級(jí)輪頻率、工質(zhì)壓力（氣流速度）、引射壓力（進(jìn)料速度）等。陳海焱、ArnaudPicot等的研究表明：工質(zhì)壓力提高使顆粒獲得的動(dòng)能增加，碰撞能量增加，產(chǎn)品粒度更細(xì)。但是工質(zhì)壓力增加到某一值時(shí)，粒度減少的趨勢(shì)變緩。這是因?yàn)閲娮鞖饬魉俣扰c工質(zhì)壓力并非線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)工質(zhì)壓力超過(guò)一定值時(shí)，打破了噴嘴前后的壓力比，在粉碎室產(chǎn)生激波，氣相穿過(guò)激波時(shí)速度下降而固相速度幾乎不變，氣固相的速度差導(dǎo)致固相撞擊速度下降而影響了粉碎效果。因此，工質(zhì)壓力應(yīng)有一個(gè)最優(yōu)值。Rudinger認(rèn)為，氣流粉碎過(guò)程中，顆粒濃度越高，加速過(guò)程中能量損失會(huì)更少。要使顆粒有效地粉碎，碰撞時(shí)的速度必須足夠高，即使在高顆粒濃度下，也可以通過(guò)提高噴嘴的壓力而使顆粒加速，但是，壓力不能無(wú)限地增大，因?yàn)殡S著壓力的增加，壓縮機(jī)的能耗將以非線(xiàn)性的方式快速地增加。進(jìn)料速度是影響粉碎效果的重要參數(shù)之一，進(jìn)料速度主要由粉碎區(qū)的持料量決定。進(jìn)料速度的大小決定粉碎室每個(gè)顆粒受到的能量的大小。當(dāng)加料速度過(guò)小，粉碎室內(nèi)顆粒數(shù)目不多時(shí)，顆粒碰撞機(jī)會(huì)下降，顆粒粒徑變大；當(dāng)進(jìn)料速度過(guò)大時(shí)，粉碎室內(nèi)的顆粒濃度增加，每個(gè)顆粒所獲得的動(dòng)能減少，導(dǎo)致由碰撞轉(zhuǎn)變成顆粒粉碎的應(yīng)變能變小，顆粒粒徑增加，顆粒粒度分布大，因此尋找最佳進(jìn)料速度是很重要的。1.2.2氣流粉碎理論的研究根據(jù)氣流粉碎原理，其基礎(chǔ)理論研究主要包括了以下方面：高速氣流的形成，顆粒在高速氣流中的加速規(guī)律，顆粒沖擊粉碎規(guī)律，氣流粉碎機(jī)參數(shù)的研究。氣流粉碎中物料粉碎的能量來(lái)源于高速氣流，高速氣流則是依靠噴嘴將氣流的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而形成的。氣流粉碎的噴嘴可分為收縮型和縮擴(kuò)型(Laval型)，目前主要采用縮放型噴嘴。在氣流粉碎機(jī)研制之初，在計(jì)算方法的確定、型面曲線(xiàn)修正、起始擴(kuò)散角控制等方面，研究人員依據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，在噴嘴的設(shè)計(jì)理論和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究方面作了一定的工作。葉菁等利用定常二維無(wú)旋超音速流的數(shù)值方法——特征線(xiàn)法，結(jié)合氣流粉碎機(jī)的流動(dòng)特征，分析了噴嘴管壁特征線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法，提出了等流能?chē)娮煸O(shè)計(jì)的方法與步驟。陳志敏等對(duì)超音速氣流粉碎機(jī)的噴嘴流動(dòng)狀態(tài)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，探討了獲得有效噴射速度的超音速?lài)娮斓脑O(shè)計(jì)方法。金鈴采用Fluent軟件對(duì)流化床氣流粉碎機(jī)噴嘴位置進(jìn)行了數(shù)字模擬，分析粉碎機(jī)腔體中的流場(chǎng)，分析結(jié)果表明，在噴嘴位置的設(shè)計(jì)上，存在最佳的安裝位置，使得粉碎性能達(dá)到最佳。這與金振中的研究結(jié)果相一致。MGrujicic等人通過(guò)對(duì)噴嘴流場(chǎng)分析，優(yōu)化了噴嘴內(nèi)型，使得氣體的拖曳力增加，顆粒的加速度增大，在相同的距離速度進(jìn)一步提高，這樣增大了物料顆粒的速度，不但可以將顆粒更加細(xì)化，而且提高了系統(tǒng)的效率。HiroshiKatanoda等對(duì)顆粒在超音速?lài)娮靸?nèi)部和外部的流動(dòng)流場(chǎng)做了數(shù)值模擬和分析，并對(duì)顆粒的速度和溫度分布做了預(yù)測(cè)和分析。楊軍瑞等為解決傳統(tǒng)氣流粉碎能量利用率不高、物料加速效果差、粉碎效果差等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)氣流粉碎中噴嘴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型環(huán)形復(fù)合噴嘴。通過(guò)Fluent數(shù)值模擬，表明新型環(huán)形復(fù)合噴嘴比常規(guī)噴嘴具有射流速度快、射流相對(duì)集中和射程遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。王利文等對(duì)氣流粉碎裝置的噴嘴結(jié)構(gòu)和參數(shù)運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，采用流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)所設(shè)計(jì)噴嘴進(jìn)行流場(chǎng)模擬，應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，討論了入口直徑、入口穩(wěn)定段長(zhǎng)度、喉部臨界截面和內(nèi)腔造型對(duì)噴嘴性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，入口壓力3.5MPa，入口直徑為6mm的噴嘴為設(shè)計(jì)的最佳噴嘴．內(nèi)腔錐角在8°-12°之間變化時(shí)，對(duì)噴嘴的性能影響不大，內(nèi)腔造型為光滑曲面時(shí)噴嘴性能最佳。何楓、謝峻石等人根據(jù)可壓縮流體軸對(duì)稱(chēng)n-s方程，利用RANκ-ε湍流模式和有限體積法，采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)不同內(nèi)部流道型線(xiàn)的噴嘴自由射流進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：軸對(duì)稱(chēng)等直徑圓管?chē)娮?，進(jìn)口處的流道型線(xiàn)對(duì)射流流道參數(shù)的分布影響較大；軸對(duì)稱(chēng)收縮噴嘴的收縮角大小主要影響射流出口附近的流動(dòng)，對(duì)流動(dòng)具有不同的阻滯效果，并據(jù)此提出收縮噴嘴內(nèi)部流道型線(xiàn)采用維多辛斯基曲線(xiàn)可以獲得優(yōu)良的流動(dòng)特性。2.總體方案設(shè)計(jì)2.1主要技術(shù)參數(shù)2.1.1設(shè)計(jì)參數(shù)選定設(shè)計(jì)一雙圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)，要求原料粒度：0.5-5mm，粉碎成品粒度<10-25μm。2.1.2總體方案選定通過(guò)分析現(xiàn)有氣流粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)及原理得出了本雙圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)方案如下圖：圖2-1雙圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)方案圖2.2設(shè)計(jì)思路通過(guò)分析現(xiàn)有氣流粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)及原理得出了本雙圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)方案，再根據(jù)現(xiàn)有氣流粉碎理論計(jì)算總體結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，然后采用AutoCAD軟件結(jié)合總體結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)繪制本雙圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)總體裝配圖，最后拆畫(huà)各主要零部件圖紙。2.3設(shè)計(jì)方案流程圖分析現(xiàn)有氣流粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)及原理→本雙圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)方案→計(jì)算總體結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)→繪制總體裝配圖→拆畫(huà)各主要零部件圖紙。2.4本章小結(jié)本章主要完成了本雙圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)。3.主要部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算3.1粉碎系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算3.1.1加速規(guī)律研究目前氣流粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)中，一直依據(jù)射流軸心速度衰減速度在10de~20de，確定噴嘴距粉碎中心點(diǎn)的距離。沒(méi)有考慮顆粒加入噴射氣流后對(duì)氣流速度的影響，也未考慮顆粒在氣流中加速的距離要求。對(duì)于不同的工質(zhì)，噴嘴出口速度的表達(dá)式不同。壓縮空氣工質(zhì)噴嘴出口速度為：式中，p0，pp1——噴嘴進(jìn)口、出口處的壓力；ν0——進(jìn)口處的比容；k——定熵指數(shù)，空氣的k=1.4。而過(guò)熱蒸汽工質(zhì)噴嘴出口速度是：式中，i———比焓，J/kg。這兩個(gè)公式對(duì)物料不通過(guò)噴嘴的情況進(jìn)行計(jì)算是比較準(zhǔn)確的，而對(duì)物料通過(guò)噴嘴的情況則需要進(jìn)行修正，因?yàn)闅饬髦械念w粒對(duì)氣體的速度有影響。固體顆粒在氣流磨中的加速過(guò)程包括兩個(gè)階段：氣固混合時(shí)的加速和氣固流在噴嘴中的加速。目前，對(duì)物料和壓縮氣體一起通過(guò)噴嘴的情況下顆粒的加速規(guī)律研究得比較多。氣體壓入混合室與物料混合，由于混合室的壓力稍低于噴射氣流的壓力，所以混合是在低速下進(jìn)行的，能量損失較少。經(jīng)過(guò)動(dòng)量傳遞和能量轉(zhuǎn)換，混合物成為氣固均質(zhì)二相流。物料以一定角度進(jìn)入氣流，致使運(yùn)動(dòng)為非一維流動(dòng)。令u為x方向的氣流速度，υp為顆粒的速度，τV為速度松弛時(shí)間。假設(shè)顆粒以x方向的速度分量up，0，y方向速度υp，0進(jìn)入氣流，拖曳力系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的拖曳力系數(shù)，則：（3）（4）式中，D——顆粒的粒徑；ρ——?dú)怏w密度。此式中前一項(xiàng)參數(shù)代表與顆粒初速度相關(guān)的雷諾數(shù)。令，對(duì)公式（3）積分，得（5）所以當(dāng)Z=0時(shí)，獲得顆粒的最大滲透量ymax：（6）同理，可得（7）從單一顆粒出發(fā)，假定氣流沿其行程的速度是時(shí)間的一次函數(shù)，即u(t)=ue+bt，從理論上推導(dǎo)出了單個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)速度與噴嘴氣流出口速度之間的關(guān)系為：（1-1）式中，us——顆粒速度隨時(shí)間變化的值；ue、u(t)——?dú)饬鞒隹谒俣群蜌饬魉俣入S時(shí)間變化的函數(shù)值；τV——運(yùn)動(dòng)的速度松弛時(shí)間；t——時(shí)間；ρs——顆粒密度；ds——顆粒直徑；ug——?dú)饬鞯恼承韵禂?shù)。氣流粉碎中噴嘴氣流速度出口通常是減速的。但是當(dāng)氣流速度為時(shí)間的二次函數(shù)時(shí)，求解顆粒的氣流速度較為困難。在實(shí)際工作中，求解顆粒在不同氣流運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)下的空間位置的變化更為重要。根據(jù)斯托克斯阻力定律推導(dǎo)出顆粒在一定氣流速度下所獲得的運(yùn)動(dòng)速度與加速距離之間的關(guān)系為：（1-2）噴嘴中氣固兩相流的情況在一定的假設(shè)條件下用7個(gè)方程進(jìn)行了描述，即氣體的連續(xù)性方程、固體顆粒的連續(xù)性方程、氣固混合物的動(dòng)量方程、由于氣體與固體的速度差而產(chǎn)生的曳力(其相互作用的力)方程、熱傳遞方程、狀態(tài)方程。對(duì)于可壓縮流體流動(dòng)的描述，還補(bǔ)充能量方程和與壓力、溫度、密度相關(guān)的狀態(tài)方程。而且，氣流粉碎希望能將動(dòng)能盡可能大地用于固體顆粒的粉碎，減小能耗，因此能量問(wèn)題是研究的重點(diǎn)之一。在氣流粉碎中，用噴嘴的膨脹氣流加速顆粒，由于噴嘴壁面的摩擦，氣體與顆粒之間的滑移以及在噴嘴出口的氣流未消耗動(dòng)能，能量并未完全轉(zhuǎn)化為顆粒的動(dòng)能。他們用噴嘴出口的顆粒動(dòng)能與所施加的總能量之比定義噴嘴的加速效率，推導(dǎo)出Laval噴嘴內(nèi)所加速顆粒的加速效率為:（1-3）式中，η——噴嘴加速效率；use——噴嘴末端氣顆粒速度；L——噴嘴長(zhǎng)度D——噴嘴直徑μ——?dú)夤虧舛圈?、λs——純氣流和有顆粒加入時(shí)的摩擦因子?？梢?jiàn)，噴嘴出口的氣流速度與顆粒速度之比、氣固濃度和噴嘴的幾何尺寸對(duì)顆粒的加速效率均有影響。由于能量損失，輸入的能量只有部分能用于接下來(lái)的粉碎過(guò)程，能量損失主要包括:噴嘴出口處氣體動(dòng)能的損失;氣體與器壁摩擦引起的能量損失;固體顆粒與器壁摩擦引起的能量損失;氣體與顆粒之間存在的速度差產(chǎn)生的滑移引起的能量損失。氣流粉碎氣固混合流的動(dòng)力學(xué)模型，建立不同顆粒濃度的條件下氣流粉碎的性能分析與設(shè)計(jì)。通過(guò)模擬分析表明:固體顆粒的質(zhì)量流量和顆粒尺寸對(duì)能量的損失有很大的影響，從而影響噴嘴中顆粒的加速過(guò)程。固氣質(zhì)量流量比μ是決定流動(dòng)過(guò)程中顆粒速度的重要參數(shù)之一。顆粒與噴嘴內(nèi)壁的磨擦的模型雖然還進(jìn)一步的研討，但都可以估計(jì)動(dòng)能損失的范圍。根據(jù)能量和動(dòng)量守恒，假設(shè)氣固流在噴嘴中的流動(dòng)過(guò)程為等壓過(guò)程、進(jìn)料速度為0，從而估算出氣固的非彈性氣固作用而引起的氣體動(dòng)能的損失為:（1-4）式中:Eloss——?dú)怏w的動(dòng)能損失；Ekin一氣體流過(guò)噴嘴的動(dòng)能式(1-4)表明，對(duì)于高μ值的氣固流，噴嘴加速效率不高，能量損失大。因此噴嘴氣流粉碎機(jī)效率的降低主要是由顆粒的加速過(guò)程引起的。Eskin還提出了一維單分散模型，它考慮了流體的多分散性和顆粒與噴嘴壁的摩擦，提出了最一般的方程組。由于噴嘴中的能量損失主要是由氣固流的粘性引起的，因此他根據(jù)流動(dòng)模型估計(jì)了能量損失:（1-5）建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的顆粒與噴嘴壁摩擦能損失的估算的計(jì)算模型。摩擦被認(rèn)為是顆粒與噴嘴壁碰撞引起動(dòng)能損失的過(guò)程。假定加速顆粒的偏心碰撞引起了徑向顆粒運(yùn)動(dòng)。這個(gè)模型符合一般的動(dòng)能定律，不同的是在產(chǎn)生階段假定了平均徑向速度。為了獲得一個(gè)方向的近似值，摩擦動(dòng)能損失分配在過(guò)流橫斷面所有的顆粒上。數(shù)值研究表明如果噴嘴壁面粗糙，顆粒的摩擦?xí)O大地降低顆粒速度。應(yīng)用CFD軟件，利用Lagrangian法模擬計(jì)算了管道和擴(kuò)散段中的氣固流。在軟件中加入計(jì)算顆粒相互干擾，顆粒與管壁的碰撞以及顆粒角速度的子程序后，模擬計(jì)算管道中的軸向顆粒速度和氣固濃度，結(jié)果與采用激光測(cè)速(PDA)技術(shù)測(cè)試結(jié)果非常吻合。3.1.2粉碎規(guī)律的研究顆粒碰撞比較復(fù)雜的問(wèn)題是顆粒的碰撞概率，顆粒在加速后能否相互碰撞及碰撞幾率對(duì)氣流粉碎機(jī)的能效比有較大的影響。1959年，RumPf應(yīng)用Hertz理論分析了顆粒碰撞的應(yīng)力分布與沖擊速度的關(guān)系，結(jié)出了兩顆粒以一定的速度碰撞所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為：（1-6）式中，m1、m2——兩顆粒的質(zhì)量，kg；r1、r2——兩顆粒碰撞部位的曲率半徑，m；μ1、μ2——兩顆粒的泊松比；Y1、Y2——兩顆粒的彈性模量；——顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s。在特殊情況下，其中，——介質(zhì)中聲速當(dāng)σmax超過(guò)顆粒在一定粒級(jí)下的強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生破壞，RumPf據(jù)此計(jì)算出了不同沖擊速度下，球與球、球與平板相撞時(shí)的σmax/Z值。并對(duì)玻璃球和石灰石進(jìn)行的高速?zèng)_擊粉碎試驗(yàn)證明:從能耗的角度來(lái)說(shuō)，不同的物料以及不同粒度的同一物料都存在著一個(gè)最優(yōu)的沖擊速度，使粉碎的能耗最低。當(dāng)速度大于該值時(shí)，能得到更細(xì)的產(chǎn)品，但能量利用率降低。借用分子論中自由平均行程來(lái)表示顆粒間的平均距離:(1-9)式中，λ——顆粒間的平均距離；（1-ε）——固體容積濃度。λ越小，碰撞幾率越大。當(dāng)顆粒的減速路程大于其λ時(shí)，顆粒才能碰撞，否則，顆粒未能相撞已停止運(yùn)動(dòng)。因此氣流粉碎實(shí)際研究中，主要間接地從加料速度與粉碎效果的關(guān)系上，摸索顆粒的容積濃度的大小，保持比較理想的顆粒碰撞幾率，同時(shí)不因顆粒容積濃度太大而影響顆粒在氣流中的加速?？紤]了單向流動(dòng)和顆粒在靜止氣體中的減速，對(duì)氣流粉碎區(qū)進(jìn)行了分析。規(guī)定95%的顆粒與其相反方向運(yùn)動(dòng)的顆粒碰撞的區(qū)域在噴嘴軸向上的長(zhǎng)度為I95：（1-10）由式(l-10)計(jì)算可知，I95很短。因此，顆粒在粉碎區(qū)的碰撞頻率很高，而強(qiáng)烈的碰撞過(guò)程必然導(dǎo)致顆粒的減速，所以粉碎區(qū)中的顆粒濃度和水力阻力會(huì)有很大的提高，與在自由噴射中的μ值相比，其μ值也將提高。另外一個(gè)重要的問(wèn)題是氣體對(duì)顆粒碰撞過(guò)程的影響。Eskin為了建立一個(gè)模型，做了如下假設(shè)：a高速氣固流流進(jìn)靜止的粉碎區(qū)；b高顆粒濃度的區(qū)域在粉碎區(qū)中心形成，而且假設(shè)氣體和固體顆粒在粉碎區(qū)的速度都為0；c在粉碎區(qū)入口處，氣體和固體的速度相等，u=us；d.粉碎區(qū)的u值與在噴嘴中的u值相等；e顆粒碰撞模型與用于計(jì)算噴嘴中氣固流的模型相同。假設(shè)噴射流中的顆粒進(jìn)入粉碎區(qū)時(shí)未改變方向，通過(guò)與粉碎區(qū)靜止的顆粒碰撞和靜止氣體流動(dòng)產(chǎn)生的摩擦而減速。顆粒與顆粒間的碰撞可看作是一個(gè)力對(duì)顆粒的作用，這個(gè)力可進(jìn)一步認(rèn)為在自由程內(nèi)是個(gè)常數(shù)，可計(jì)算為：（1-11）式中，k——顆粒與顆粒碰撞的復(fù)位系數(shù)。如果假設(shè)碰撞的顆粒是極好的塑性物料，碰撞的力與粉碎區(qū)入口處的摩擦力之比為（1-12）式中，Re——雷諾數(shù)，可根據(jù)顆粒速度計(jì)算，因?yàn)轭w粒是在靜止氣體中運(yùn)動(dòng)。這個(gè)公式在0.5≤Re≤10000范圍內(nèi)是有效的。如果物料是極好的彈性材料，則上式中的乘數(shù)2必須變?yōu)?，即上述對(duì)顆粒沖擊粉碎的探討，有一定的局限性，包含大量缺陷的顆粒破碎遠(yuǎn)比理論上建立的力學(xué)過(guò)程復(fù)雜。顆粒粉碎后的粒徑是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題。同時(shí)，顆粒粉碎的環(huán)境不同，顆粒的狀態(tài)、性能、設(shè)備及工況不同，顆粒的破碎與能耗關(guān)系也不同，很難有一個(gè)通用的表達(dá)式，而且許多參數(shù)必須采用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行確定。但在單顆粒的基礎(chǔ)上研究了顆粒的比粉碎能與顆粒碰撞強(qiáng)度的關(guān)系，認(rèn)為顆粒的粉碎粒徑與顆粒自身的一些性能有較大關(guān)系，由此給出顆粒粉碎所需碰撞速度的大小，對(duì)以沖擊破碎為機(jī)理的氣流粉碎而言，有一定的指導(dǎo)作用。若能從微觀角度和顆粒間的相互作用出發(fā)，研究顆粒碰撞過(guò)程中裂紋的發(fā)生、發(fā)展和聚集過(guò)程，以及顆粒的運(yùn)動(dòng)，碰撞受力、能量傳遞等，能更明確顆粒斷裂的本質(zhì)。對(duì)粉碎過(guò)程的能量利用率進(jìn)行了研究。粉碎過(guò)程的能量效率隨顆粒尺寸的減小、粉碎時(shí)間的增加、輸入能的增加而減小。粉碎介質(zhì)的動(dòng)能用于顆粒的粉碎，表現(xiàn)為顆粒尺寸的減小。Y.Kanda從斷裂力學(xué)出發(fā)，并考慮顆粒強(qiáng)度尺寸效應(yīng)，在碰撞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出顆粒粉碎能與顆粒粒徑的關(guān)系和顆粒破壞所需求的沖擊速度和顆粒粒徑的關(guān)系為（1-7）式中，Es——顆粒粉碎能，J；Us——顆粒碰撞速度，m/s；Y——顆粒的彈性模量，Pa；ν——泊松比；S0——單位體積顆粒的抗壓強(qiáng)度，Pa；V0——單位體積；m——威布爾均勻系數(shù)一定沖擊速度下顆粒內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力值，而未考慮顆粒的強(qiáng)度隨其尺寸的減小而增大，而Y.Kanda的研究較全面，考慮到了顆粒強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，但實(shí)際問(wèn)題遠(yuǎn)非如此簡(jiǎn)單，如顆粒碰撞時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力未能達(dá)到或超過(guò)其強(qiáng)度值，或顆粒碰撞速度未能達(dá)到Y(jié).kanda所推導(dǎo)的顆粒破壞速度值，二人均未給出全面的回答，當(dāng)顆粒碰撞后未產(chǎn)生破壞，一定在其內(nèi)部產(chǎn)生損傷，使下一次碰撞要求速度值相應(yīng)降低，但降低的值有多少，顆粒連續(xù)碰撞下能量如何吸收及多次碰撞的顆粒強(qiáng)度值如何考慮，國(guó)內(nèi)外學(xué)者尚未對(duì)此給出解釋。等在實(shí)驗(yàn)室中利用氣壓槍加壓?jiǎn)晤w粒的聚合物沖擊在靶上，研究了顆粒的沖擊破壞機(jī)理。驗(yàn)證了Hertz在顆粒沖擊破壞情況的合理性?？偰芰科胶庠頌楦鶕?jù)，通過(guò)測(cè)量碰撞顆粒的沖擊速度、反彈速度、變形和沖擊力，計(jì)算了一定粒度聚合物顆粒沖擊破壞的最小速度，單位斷裂能、在一定沖擊速度下單位斷裂能的最小值。將顆粒在噴嘴中加速到120m/s到250m/S，然后碰撞到一個(gè)靶上，通過(guò)測(cè)量顆粒碰撞前后的速度來(lái)看評(píng)估沖擊的能量損失。其采用了二種不同的顆粒速度測(cè)量系統(tǒng)，一種在極低的濃度下，可以認(rèn)為顆粒為單顆粒碰撞靶，采用高速攝影(HSSV)測(cè)量速度，顆粒的軌跡采用圖像分析儀分析，第二種在中等到高濃度狀態(tài)下，采用二套發(fā)射一接收光纖(Veotor)來(lái)測(cè)試速度。試驗(yàn)研究了氣流粉碎工作機(jī)理、氣流速度、氣固濃度、噴嘴與靶的距離、沖撞靶的材料性質(zhì)與排列方向影響因素對(duì)氣流粉碎的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出粉碎速率與顆粒生成新表面速率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：（14）式中，R——粉碎速度，kg/h；df、dp——進(jìn)料和產(chǎn)品的平均顆粒直徑；m、X、C——與物料相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。由于粉碎區(qū)域的速度很高，直接測(cè)量有一定的困難，以上的研究基本上是理論分析推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此還有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步探討。3.1.3噴嘴的設(shè)計(jì)和計(jì)算經(jīng)上述計(jì)算噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：圖3-1噴嘴3.1.4粉碎腔的設(shè)計(jì)和計(jì)算經(jīng)上述計(jì)算噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：圖3-2粉碎腔3.2加料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算已知：P(表壓)=4kgf/cm2=0.4Mpa即P1=0.5MpaP2=0.1Mpaφ2=5mm根據(jù)一元穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)性方程m1=m2==式中：m1m2—截面1、2的質(zhì)量流量kg/sA1A2—截面1、2的面積m2C1C2—截面1、2處工質(zhì)的速度m/sV1V2—截面1、2處工質(zhì)的比容m3/kg截面1處P1V1=RT其中P1=0.5Mpa=5×105PaR=287.1T=293KV1==(287.1×293)÷5×105=0.168m3/kg截面2處Pc為臨界壓力對(duì)于空氣K=1.4β=0.528Pc=0.528P1=2.64×105Pa由于P2<Pc,這時(shí)噴管出口截面上氣流的壓力只能是臨界壓力Pc,出口處流速為臨界流速 Cc,即為音速。C2=Cc=2KRT[1-(Pc/P1)(K-1)/K]/K-1=2KRT/K+1=2×1.4×287.1×293÷(1.4+1)=313.3m/sV2=V1(P1/Pc)1/k=0.168×(5×105/2.64×105)1÷1.4=0.419m3/kg所以加料器的空氣質(zhì)量流量為m加=A2C2/V2=πd2C2/4V2=3.14×(0.005)2×313.3÷4÷0.419=0.01467kg/s3.3分級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算經(jīng)粉碎的物料通過(guò)管路進(jìn)入分級(jí)器，分級(jí)器屬于本設(shè)計(jì)粉碎機(jī)的一部分，但在設(shè)計(jì)中采用相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)思想，所以分級(jí)器是相對(duì)獨(dú)立的部分。不過(guò)分級(jí)器的設(shè)計(jì)要與整個(gè)粉碎要求相配合，結(jié)合設(shè)計(jì)特點(diǎn)，要有著方便的可調(diào)節(jié)性，這樣就可以針對(duì)不同的物料，不同的粒度進(jìn)行要求不同的分級(jí)。3.3.1分級(jí)理論分離后獲得的某種成分的質(zhì)量與分離前粉體中所含該成分的質(zhì)量之比為分離效率。用下式表示H=(m/m0)*100%式中，m0,m分別為分離前粉體中某成分的質(zhì)量和分離后獲得的該成分的質(zhì)量；H為分級(jí)效率。經(jīng)粉碎后的的粉體處于一個(gè)大的粒度分布范圍，往往不能滿(mǎn)足對(duì)超細(xì)粉體一定粒度范圍的要求，而分級(jí)就是把合格的產(chǎn)品分離出來(lái)加以利用，把不合格的產(chǎn)品再進(jìn)行粉碎，避免了能源浪費(fèi)和產(chǎn)品過(guò)粉碎。粉體行業(yè)的關(guān)鍵問(wèn)題，是物料的超細(xì)分級(jí)問(wèn)題。分級(jí)在粉碎中起著重要的角色及時(shí)地把粉碎合格的細(xì)小顆粒分離出來(lái)，變成成品，而將大顆粒返回粉碎系統(tǒng)繼續(xù)粉碎。這種粉碎機(jī)與分級(jí)器相結(jié)合的形式可以組成開(kāi)路貨閉路循環(huán)。粉碎-分級(jí)系統(tǒng)如圖示。3.3.2分級(jí)設(shè)備分級(jí)的理論很多，帶來(lái)的分級(jí)設(shè)備的種類(lèi)也很多，分級(jí)的方法機(jī)設(shè)備如下。超細(xì)粉體分級(jí)按物料狀態(tài)分為：①干法分級(jí)，②濕法分級(jí)；③超臨界分級(jí)(介于干法和濕法之間)。細(xì)粉體分級(jí)按分級(jí)力場(chǎng)不同可分為：重力場(chǎng)分級(jí)，離心力場(chǎng)分級(jí)，慣性力場(chǎng)分級(jí)，電場(chǎng)力分級(jí)，磁場(chǎng)力分級(jí)，熱梯度力場(chǎng)分級(jí)，色譜分級(jí)。按使用設(shè)備類(lèi)型分可分成旋流式分級(jí)(即常用的水力旋流器)，干式機(jī)械分級(jí)(常用的葉輪分級(jí)機(jī)，渦流分級(jí)機(jī)等)，碟式分級(jí)，臥螺式分級(jí)，靜電場(chǎng)分級(jí)，超界分級(jí)等。下面簡(jiǎn)單介紹幾種用于分級(jí)方面的設(shè)備：a．篩分設(shè)備篩分一般適用于較粗物料（粒度>0.05mm）的分級(jí)。b．粗分級(jí)機(jī)粗分級(jí)機(jī)也稱(chēng)粗分離器，它是空氣一次通過(guò)的外部循環(huán)式分級(jí)設(shè)備。c．離心式選粉機(jī)離心式選粉機(jī)（內(nèi)部循環(huán)式）屬第一代選項(xiàng)粉機(jī)，也稱(chēng)內(nèi)部循環(huán)式先粉機(jī)。d．旋風(fēng)式選粉機(jī)旋風(fēng)式選粉機(jī)屬第二代選項(xiàng)粉機(jī)，也稱(chēng)外循環(huán)式選項(xiàng)粉機(jī)。其內(nèi)部設(shè)計(jì)保持了離心式選項(xiàng)粉機(jī)的特點(diǎn)，但外部設(shè)有獨(dú)立的空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，它取代了離心式選粉機(jī)的大風(fēng)葉。細(xì)粉分離過(guò)程在外部旋風(fēng)分離器中進(jìn)行。3.3.3分級(jí)器設(shè)計(jì)在研究分級(jí)理論，查閱相關(guān)分級(jí)器資料后結(jié)合分級(jí)特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中分級(jí)部分優(yōu)先考慮葉輪旋轉(zhuǎn)式分級(jí)。這種分級(jí)原理在其他分級(jí)器中有著普遍應(yīng)用，所以其理論是很成熟的。由于本設(shè)計(jì)的可分級(jí)粒度較寬，可調(diào)節(jié)性較強(qiáng)，暫且稱(chēng)之為連續(xù)可調(diào)分級(jí)器--完全分級(jí)器。（1）完全分級(jí)理論如圖示在分級(jí)器內(nèi)，分體可力隨氣流作渦旋運(yùn)動(dòng)，顆粒切線(xiàn)方向的分速度為v，顆粒受沿旋流半徑向外的離心力Fr的作用，另一方面，按切線(xiàn)方向進(jìn)入的氣流與物料的混合狀態(tài)左旋回運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，有向心分速度vr，產(chǎn)生相內(nèi)的作用力FR，顆粒與氣流的相對(duì)速度為wr.。當(dāng)Fr>FR時(shí)顆粒向外運(yùn)動(dòng)成為粗粉，當(dāng)Fr<FR時(shí)顆粒向內(nèi)運(yùn)動(dòng)成為細(xì)粉，F(xiàn)R=Fr時(shí)的半徑成為分級(jí)半徑dc。（2）分級(jí)器結(jié)構(gòu)分級(jí)其主要包括分級(jí)室，分級(jí)葉輪，傳動(dòng)部分，電動(dòng)機(jī)。（3）工作原理參見(jiàn)分級(jí)器簡(jiǎn)圖，電動(dòng)機(jī)是可調(diào)變速電動(dòng)機(jī)，在電動(dòng)機(jī)一定的轉(zhuǎn)速下，但動(dòng)也輪在分級(jí)室內(nèi)，做軸向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)從進(jìn)料口進(jìn)入的粉碎后的物料一同回轉(zhuǎn)。滿(mǎn)足顆粒要求得物料會(huì)運(yùn)動(dòng)之中間經(jīng)出料口，進(jìn)入收集裝置。為達(dá)到粒度要求的顆粒將運(yùn)動(dòng)至葉輪外部落至分級(jí)漆底部進(jìn)行粗料的返回處理。本分級(jí)機(jī)，被分級(jí)粉體的某一粒級(jí)所受的向心力與轉(zhuǎn)速作用的離心力達(dá)到平衡時(shí)這就是理論上所謂的臨界分級(jí)點(diǎn)。而分級(jí)粒徑的大小，即最終獲得細(xì)粉粒徑的大小，取決于臨界分級(jí)點(diǎn)的控制。（4）分級(jí)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)線(xiàn)關(guān)于分級(jí)器的資料很多，可選用的分級(jí)器類(lèi)型眾多，但為了使這個(gè)粉碎設(shè)備更具有整體性，本設(shè)計(jì)中自行設(shè)計(jì)分級(jí)器，從而使整個(gè)設(shè)備更加協(xié)調(diào)，適用。分級(jí)器的結(jié)構(gòu)中葉輪部分采用水平軸向，垂直切向進(jìn)料，軸向出料。關(guān)于粗料收集部分，粗料收集可以直接返回進(jìn)料器，也可以先收集儲(chǔ)存后在進(jìn)入加料器。本設(shè)計(jì)中采用后者，該設(shè)備在加工成型后將用于試驗(yàn)，先收集后可對(duì)粗料的質(zhì)量，粒度進(jìn)行分析，更有利于對(duì)氣流粉碎的進(jìn)一步研究。粗料收集器，在設(shè)計(jì)中將其連接在分級(jí)器下部，結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖紙。分級(jí)器和粗料收集器具體尺寸參見(jiàn)圖紙。4.總結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)中所學(xué)知識(shí)的回顧，是對(duì)以往所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，鍛煉了我們的獨(dú)立思考能力、獨(dú)立解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力、畫(huà)圖能力，更是從課本中的理論知識(shí)到生產(chǎn)實(shí)際的轉(zhuǎn)變。在這之前，雖然經(jīng)過(guò)四年的學(xué)習(xí)學(xué)到