磁流体静力分选机

1磁流体在液体状态下，分子的磁矩按铁磁性排列从而产生内在的液态铁磁性。但现在只能制出这样的磁性液体，即单铁畴磁性颗粒的胶状悬浮液。它们由众多的纳米级铁磁性或亚铁磁性颗粒借助表面活性剂高度弥散于液态载液中而构成的一种高稳定性的胶体溶液。这种纳米磁性液体又称磁流体，它兼有液体和磁性材料的双重性质，即使在重力、离心力或强磁场的作用下也不会产生分离现象，是目前尖端的纳米科技技术之一。自从上个世纪六十年代诞生以来，经过数十年的研究发展，磁流体获得了广泛应用。1.1磁流体的组成磁流体的组成如图1所示，它是一种固液相混的二相流体，由三部分组成：磁性分散相（磁性粒子）、表面活性剂和基载液。可用于制备磁流体的磁性材料通常有Fe3O4、-Fe2O3、MnFe2O4、Ni、Co、Fe、NiFe和FeCo合金等，目前常用的为Fe3O4粉末。磁性粒子不是分子，是粒度很小的微粒，因为直径很小，磁性粒子在基载液中作布朗运动，获取动能，悬浮于基载液中。如图中所示，磁流体中使用的磁性颗粒只有纳米级尺寸，具有单磁畴结构。磁流体的基载液应满足这样一些条件：低黏度、低蒸发率和高度化学稳定性，以及具有抗辐射和耐高温特性等。基液是否导电等性能直接决定着磁性流体的应用，一般为非导电性液体，如煤油、水、脂类等，也可以是导电的液态金属水银。基液不同，磁流体的特性有很大区别。表面活性剂也叫分散剂、稳定剂或表面图层。活性剂的主要作用是防止磁性颗粒聚沉。基载液不同，所用的表面活性剂可能不同，比如水作为载液时，常用的活性剂为不饱和脂肪酸（如油酸、亚油酸、亚麻酸）以及它们衍生物的盐类及皂类；当用脂及二脂精制合成油作为载液，油酸、亚油酸、亚麻酸或相应的酸脂如磷酸二脂及其他非离子型表面活性剂可以作为活性剂。1.2磁流体的制备方法1.2.1共沉淀法铁盐和亚铁盐的水溶液发生反应，生成磁性Fe3O3固体粒子，化学反应方程式如下：Fe2+2Fe3+8OH-Fe3O4+4H2O如此形成的Fe3O3超微粒子吸附着油酸离子水洗脱水，分散于二甲苯等基液中，即可生成磁性液体。这种方法提供较之其他制备方法的基本优点，生产效率高，反应速度快，适合于自动化、机械化，可以被工业生产所采纳。以铁磁矿Fe3O3作磁性粒子，选择不同的基液，可以做成各种基液的磁流体。1.2.2粉碎法将分散质和表面活性剂与基液放到一起，在球磨机上进行长时间的研磨，然后通过过滤或离心分离出粗粒子而制得磁流体。1.2.3火花电蚀法把金属电极插入液体，在液体中放电，电极金属以胶体粒子形态进入液体中。火花放电是使电极金属蒸发，在液体中极冷成为超微粒子，从而制成磁流体。紫外线分解法用紫外线取代热分解分解有机金属，制成金属超微粒子，形成磁流体。将浓度为116mmol/L、30mL碳基镍Ni(CO)4在氮气保护下转移到反应器皿的密封系统中，加入浓度为2.33mmol/Lmanox-OT2.06g及30mL甲苯组成的溶液放置在距高压汞灯3cm左右处，搅拌并通以冷空气流，温度保持在四十摄氏度左右，经过八小时照射，用低速氮气流将CO带走，加快搅拌，增加透光性并不断抽去甲苯，制成含镍的磁流体。1.2.4热分解法热分解化学上不稳定的有机金属，析出金属单质，这时，析出的金属超微粒子分散于基液中，做成磁流体。除了以上介绍的几种方法外，还有阴离子交换树脂法、氢还原法和真空蒸发法等磁流体制备方法。1.3磁流体的特性1.3.1磁流体的粘度粘度是磁流体的一个重要参数，磁流体的粘度与基液的粘度、磁性颗粒的粒度分布与含量、表面活性剂、磁场强度和温度有关。胶体粘度随粒子含量的增加而增加。在低浓度时，磁流体的粘度用著名的爱因斯坦公式描述为：=0(1+5/2)式中为磁流体的动力学粘度； 0为基液的动力学粘度；为固磁性颗粒的体积浓度。高浓度时，磁流体的粘度可用下面的公式描述：=0(1-/2)-5/2=0exp(2.5+2.72)/1-0.609上式是Vand在20世纪40年代考虑流体动力学的粒子间相互作用而建立的，通常被称为Vand公式。由于磁性粒子的存在，磁流体的粘度比基液的粘度大得多。因为磁流体的磁化强度随磁性粒子浓度的增加而增加。故当基液一定时，磁流体的粘度随饱和磁化强度变化而变化。对于Fe3O4磁流体，饱和磁化强度小于600Gs时，粘度与饱和磁化强度基本成线性关系。当饱和磁化强度继续增加，粘度将非线性地急剧增加，所以，磁流体的饱和磁化强度受粘度的限制。在外加磁场作用下，随着磁场强度的增加，磁流体的粘度也增加。此时，磁流体的粘度可表示为：H=S+1.5hF(,b)sin2式中，H为磁流体在磁场作用下的粘度；S为无磁场作用时的粘度；=MH/kT，H为磁场强度，M为磁化强度；为磁流体的回转角度；b为磁性颗粒回转布朗运动的缓和时间。从上式可以看出，磁流体的粘度除了与外加磁场强度大小有关，还受磁场方向的影响。图2、图3分别表明磁场强度与方向对磁流体粘度的影响。磁流体的粘度与温度的关系首先是由基液的性质确定的。实验表明，对S0时，颗粒下沉；f0，x0）的部分计算，K值大小不变。解方程组Z1/2x=K， x2-2Z2=0得Z0=22K23令Z1=Z0-6，Z2=Z1+15=Z0+9首先K要满足x26（磁极间最小距离12cm）又要使x1最小，即min=x1=K22K23-6s.t. x2=K22K23+96虽然公式较为繁琐，但两式的形式是一样的，就是x2最小时，x1也最小，则令x2=6，得K=27.45，x是K的增函数，K圆整取28，即双曲柱面的方程为Z1/2x=50，取Z=4到19。楔形磁极的开口形状为倒梯形，上边长160mm，下边长100mm，梯形高140mm。两种磁极头的长度均为250mm。形状如下图所示。4.2双曲线磁极的磁路计算为计算方便，双曲线磁极头曲线方程改写为：忽略边缘磁通，其气隙磁导：故则铁芯部分的磁阻简单计算为：式中l铁芯长度铁芯相对导磁率S铁芯截面面积线圈内的磁通量为：缝隙内的磁感应强度为：然后求出磁场强度与磁场梯度，为计算方便，可用上表中的关系。4.3楔形磁极头的磁路计算假设磁极很长，采用圆柱坐标，其拉普拉斯方程为边界条件（1）（2）得在中心垂直面上，Z=r，磁场磁力由磁路定理，所以，由于没有考虑磁泄漏，计算粗略，以及磁场畸变，计算有很大的误差，实际应用要根据试验确定合适的安匝数。5主要参数设计与计算5.1分选螺旋尺寸螺旋叶片外径D由分选筒尺寸决定，分选筒直径150mm，减去筒壁厚2.52=5mm，再减去叶片与筒体间的间隙，D=135mm。螺距p是螺旋叶片的主要参数，不仅与外径D有关，还要考虑分选颗粒的粒度，而且它也是分选结构的重要数据之一，选取p=60mm。螺旋叶片的内径主要考虑磁流体的回流，从而稳定磁流体的流动，限制螺旋叶片的扰动作用，由液面的高度，内径d=70mm。5.2螺旋叶片的转速螺旋叶片的转速决定了颗粒的横向移动速度，由于分许区域的长度是一定的，所以，转速决定了分选时间（颗粒在磁场中的运输时间），由已知磁流体分选机的分选时间看，若要保证分选较高的分选精度，分选时间要大于2.4秒。螺旋分选部分每小时的处理体积为：V=36008D21000vk式中v颗粒横向移动速度，m/s；k物料填充系数，纯数。取k=0.35，这相当于物料（散装）高度不足外径的1/4。由V0.75m3，可得v0.077m/s；螺旋叶片的转速n=60000vp=77.4r/min取n=80r/min。则每小时处理体积为0.775m3。物料的横向移动速度v=0.08m/s。设计分选时间为t=3s，则分选空间长度L=vt=0.24m=240mm，考虑边缘效应，磁极长度L=250mm。斗式提升设备每小时处理体积V1按0.5m3计算。螺旋排浮设备的尺寸由结构确定，工作能力比需要的大。5.3分选螺旋叶工作阻力阻力计算首先计算分选螺旋叶片所受液体阻力。假设磁流体随螺旋叶片的转动而流动，液面以下各层液体的流速按液面的深度先逐渐增加，到达最大值后再逐渐减小到零，递增和递减均视为线性变化过程，上表面磁流体回流，在同一个界面上，各点速度沿径向积分为零。如图16,螺旋叶片下边缘的速度vmax=2n20R假设该处磁流体流速也最大，则以此为分界层，在它的上侧dudx=-2n60K1在它的下侧dudx=2n60RK1式中，R螺旋叶片的半径，m；K1速度系数，纯数，K1取0.5；u磁流体流速，m/s。对于该层液体，其上表面单位面积上的摩擦力，由牛顿内摩擦定律有1=2n60K1下表面单位面积上的摩擦力2=2n60RK1方向均与速度方向相反，其中表示磁流体的平均粘度。则该层液体所受总的摩擦力为1+2S。该层液体流动的动力由叶片提供，根据其受力平衡，可知该层液体对螺旋叶片的扭矩式中，l分选筒长度，m；液面处叶片外缘对应角度，rad。螺旋叶片上边缘的线速度vmin=2n20R，该出对应的液层速度u=kvmin=0.147m/s。由上面的假设，磁流体表面的速度最大，而且是反向的，设为u0。根据径向速度累积为零，采用平均速度，可得120+a+12+12+R-r其中，u=kv=n60R=0.282m/s在该层液体的上侧，dudy=u0-ua在该层液体的下侧，dudy=-2n60K1该层液体上表面单位面积所受摩擦力1=u0-ua方向与速度方向相反；其下表面单位面积上所受摩擦力2=2n60方向与速度方向相同。则该层液体所受总的摩擦力为1-2S。该层液体流动的动力由叶片提供，根据其受力平衡，可知该层液体对螺旋叶片的扭矩两临界层之间的各液层上下表面所受摩擦力大小相等，方向相反，故其对螺旋叶片没作用力，其它液层不与螺旋叶片接触，故而也没作用力。所以，螺旋叶片受液体阻力扭矩为T1+T2=3.635Nm。该部分消耗功率P=Tn/9550=0.0305kW。该部分因为计算方法上的误差，为保证设备能够正常运行，功率应乘上一个较大的系数，此处该系数取为1.8。5.4分选部分驱动功率计算螺旋叶片输送物料时的驱动功率可以按螺旋输送机功率消耗的公式计算。即PQ367Lh+H式中，机械效率；阻力系数（按表3.7-3选取）；Lh输送机水平投影长，m；H出料口与进料口的高差（m），向上输送时为正，向下输送时为负。Q是输送能力，物料散装密度如按2.5t/m3计算，则Q=2.50.75=1.88t/h，消耗功率液体阻力和输送物料两部分消耗功率和为P0=1.8P+P=1.830.5+14.8=69.7W减速器效率式中，1联轴器效率；2轴承效率：3齿轮传动效率。传递效率=0.84，则电动机的功率P=P0/=83.0W。查机械设计手册第五版 “减速器电机与电器” 化学工业出版社 表17-1-97得：YS系列机座号为56的电动机，额定功率90W，额定转速为1400r/min。6分选部分减速器的设计注：该部分所有公式、图表均参考机械设计程志红 主编，东南大学出版社6.1运动参数计算6.1.1总传动比及传动比分配已知电动机额定转速为为1400r/min，工作机的转速为80r/min，总传动比等于i=1400/80=17.5如果把传动比分配的合理是，传动系统结构紧凑，重量轻，成本低，润滑条件也好；但分配不合理，则其结果正好相反，因此分配传动比时要考虑以下几点。（1）各级传动比应在每一级传动所推荐的范围内。（2）两级减速器，应尽可能使各级从动齿轮的浸油深度近似，以使各级齿轮得到良好的润滑，并减小搅油损失。（3）各级传动尺寸要协调合理。如果高速级外加的带传动传动比过大时，有可能使减速器上的从动带轮半径超过减速器中心高，使带轮与底座相碰；如果减速器的高速级齿轮传动比过大时，大齿轮与低速级轴相碰、对锥圆柱齿轮减速器，为使大锥齿轮尺寸不至过大，高速级转动比按下式计算：i10.25i34将i=17.5代入，得i10.2517.5=4.375，根据上式要求，取i1=3.96i2=i/i1=4.426.1.2传动装置运动参数的计算从减速器的高速轴开始各轴命名为轴、轴、轴。（1）各轴转速计算（2）各轴功率计算式中，3、4分别为锥齿轮和直齿轮的传动效率。（3）各轴扭矩计算（4）将以上数据列表轴号转速n（r/min）输出功率P（kW）输出扭矩T（Nm）140087.3180.60353.5481.2932.2079.9976.489.136.2齿轮传动设计6.2.1锥齿轮传动（1）选择齿轮材料，确定许用应力由表6. 2选 小齿轮 40Cr 调质 HBS1=260HBS 大齿轮 45 正火 HBS2=210HBS许用接触应力H，由式6-6， 接触强度寿命系数ZN ，应力循环次数N ，由式6-7查图6-5得ZN1、ZN2 接触强度最小安全系数SHmin,通常SHmin=11.5，这里取SHmin=1则 许用弯曲应力，由式6-12，弯曲疲劳极限Flim，查图6-7 弯曲强度寿命系数YN，查图6-8 弯曲强度尺寸系数YX，查图6-9 弯曲强度最小安全系数SFmin 则 （2）齿面接触疲劳强度设计计算 确定齿轮传动精