毕业设计（论文）-小型卧式球磨机结构设计及仿真分析.doc

毕业设计说明书作 者:学 号：学 院:专业(方向):题 目:小型行星式球磨机结构设计指导者： (姓 名) (专业技术职务) (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 年 月声 明我声明，本毕业设计说明书及其研究工作和所取得的成果是本人在导师的指导下独立完成的。研究过程中利用的所有资料均已在参考文献中列出，其他人员或机构对本毕业设计工作做出的贡献也已在致谢部分说明。本毕业设计说明书不涉及任何秘密，南京理工大学有权保存其电子和纸质文档，可以借阅或网上公布其部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权保存、借阅或网上公布其部分或全部内容。学生签名：年 月 日 指导教师签名：年 月 日毕业设计说明书中文摘要摘要 小型球磨机是将物料进行破碎、研磨、加工的主要机械设备，在电子、建材、陶瓷、化工等行业广泛应用，对实现工业生产自动化、推动工业生产的进一步发展起着重要作用。文中叙述了小型球磨机的整个设计计算过程。首先根据小型球磨机设计的主要参数，确定出了小型球磨机的设计形式为卧式行星式的。通过行星齿轮盘机构实现旋转运动，电动机带动行星轮公转，行星轮与静止的内齿轮的啮合实现磨料罐的自传运动。公转加自转的磨料罐将电机的能量传递到磨块上，实现对待加工材料的研磨。 接着对小型球磨机的各组成部件：磨料罐、罐体夹具、自传支架、主轴、箱体分别进行了设计。通过对各部件多种形式的选择比较，确定出了小型球磨机设计中要采用的形式，然后对其结构进行了全面而详尽的设计计算。 最后应用SolidWorks软件对小型球磨机进行三维实体造型并进行了运动仿真，将其基本的运动更具体直观的展现在人们面前。关键词 结构设计；三维造型；球磨机；卧式毕业设计说明书外文摘要Title structure design of small planetary fast grinding machine AbstractSmall scale ball mill is the material for crushing, grinding and processing of major mechanical equipment, electronic, building materials, ceramics, chemical industry, widely used for automation of industrial production, and promote the further development of industrial production plays an important role. The paper describes the design of small ball of the calculation process. First, a small ball mill according to the main design parameters, determined the design of small ball-like planets form horizontal. Achieved through the planetary gear set rotating bodies, motor drives the planetary gear revolution, and the rest of the internal planetary gear meshing gears can achieve abrasive campaign autobiography. Revolution rotation of the abrasive tank will increase the energy delivered to the mill motor block on the ground to achieve treatment of processing materials. Then small ball of the constituent parts: abrasive tank, tank fixtures, autobiography bracket, spindle, box design respectively. By comparison of various parts of various forms of selection, identified a small ball mill design the form to be used, then its structure a comprehensive and detailed design calculations. Finally the SolidWorks software for 3D solid modeling of small ball and make a motion simulation, the movement of their basic visual display more specific in front of people.Keywords structural design; three-dimensional modeling; Horizontal ball mill本科毕业设计说明书 第 I 页 目 录第一章 绪论11.1 前言11.2 球磨机的应用现状21.3 小型球磨机的发展趋势31.4 研究内容31.5 本章小结4第二章 小型球磨机的总体设计52.1 小型球磨机的工作原理52.2球磨机的用途和分类523 小型球磨机的总体设计方案624 小型球磨机的主要技术参数725 本章小结7第三章 小型球磨机主要部件设计和校核计算831 球磨罐的确定832行星齿轮的设计和校核833 电动机的选择1234 带传动设计1235 轴的设计和校核计算1337 本章小结16第四章 小型球磨机附件的设计174.1 球磨罐夹具设计174.2 安全护罩设计174.3本章小结18第五章 SolidWorks三维造型195.1 三维造型软件SolidWorks简介195.2 箱体造型195.3 本章小结21第六章 运动学仿真和力学仿真分析226.1 运动学仿真226.2 ANSYS仿真软件介绍226.2 行星齿轮系的力学仿真236.3 结果分析246.4 本章小结24结 论25致 谢26参 考 文 献27本科毕业设计说明书 第 29 页 第一章 绪论1.1 前言1.1.1 研究背景 随着社会的不断进步和发展，纳米技术逐渐成熟并被应用到各个领域。尤其是进入21世纪以后，随着3D技术的不断成熟完善，工业产品成本大大降低，从而更加促进了3D技术和纳米技术的进步。因此，超细材料（Ultrafine material）及纳米材料（Nano-material）在生物、化工、机械、材料等领域都有着更加广阔的发展空间1-3。而球磨技术作为生成超细材料和纳米材料的主要技术之一4-6，逐渐成为国内外学者和机构争相研究的热点。球磨机7（BallGrindingMill）是一种传统物料研磨装置，至今已有一百多年的发展历史。19世纪初期出现了用途广泛的球磨机，1870年在球磨机的基础上发展出排料粒度均匀的棒磨机8，1908年又创制出不用研磨介质的自磨机9。20世纪3050年代，美国和德国相继研制出辊碗磨煤机、辊盘磨煤机等立轴式中速磨煤机10。球磨机作为将固体物料细化制粉的重要设备，广泛应用于冶金、化工、水泥、陶瓷、建筑、电力、医药以及国防工业等部门，对各种矿石和其他可磨性物料进行干式或湿式粉磨。尤其是冶金工业中的选矿部门，磨矿作业更是具有十分重要的地位。近年来我国的房地产业发展迅速，城市化建设进程的加快也带动了相关行业的快速发展，其中一个突出的体现就是水泥制造业。总部位于英国的InternationalCementReview（国际水泥评论）刚刚发布其最新的GlobalCementReport（全球水泥报告），该报告覆盖了160多个国家。报告指出，全球水泥消费量2008年为28.3亿t，2009年为29.98亿t，2010年更是增至32.94亿t，2012年全球水泥消费量预计将达到38.59亿t。中国目前在全球水泥数据统计中独占鳌头，2010年的消费量为18.51亿t，几乎是2004年水平的两倍，水泥消费的旺盛增长趋势促进了国内对球磨机的需求量的增加。由于球磨机的处理能力和球磨后的粒度对后续作业的效率和整体生产流程的技术经济指标影响显著，有关球磨机的研究在国内外一直受到广泛的关注和高度重视。近几年来，由于能源费用的增长和矿石品位的下降，降低建设投资和生产费用是世界各国矿山工业面临的一个严峻问题，采用高效大型设备是现代选矿厂建设的主要倾向，球磨机的大型化已成为技术发展的方向。1.1.2 研究意义随着现代工业对超细物料需求量的日益增加，对品质要求的不断提高,新的超细粉磨设备及新型粉磨工艺不断出现。行星式球磨机在能耗、钢耗和效率等方面比常规圆筒形球磨机更有优势。90年代以来,机械合金化法已成为制备新型复合材料的热门课题。现已发现,MA通过行星式高能球磨机的高能研磨作用,可以引起材料原子尺度的结合与化学反应,可以实现非晶质化,可以将金属间化合物组元粉体固态下生成金属间化合物,可以使某些液态下并不互溶的体系实现较宽成分范围的固溶;另一方面,由于高能球磨机的强烈撞击与研磨作用,还可以制备出各种单质元素的纳米级粉体材料和金属陶瓷纳米材料等。行星式高能球磨机之所以能成功地实现上述新型材料的制备,主要取决于行星式高能球磨机的工作能力。本文通过对行星式高能球磨机工作原理的研究和分析,设计了一款卧式行星式陶瓷粉末球磨机，对现代工业粉末研磨行业中具有重要的实际意义。1.2球磨机的应用现状自20世纪开始，国内外对球磨机的研究工作从未停止。其中，依据球磨机的特征结构和球磨罐运动形式的不同，常用的高能球磨机主要分为三大类：振动式11、行星式12-14、搅拌式15-16。对于任意一种高能量球磨机17-19，微粒的细化程度主要取决于磨球和物料所获得的碰撞能量。碰撞能量越高，物料颗粒粒子在磨球的撞击下产生破碎的几率就越大，从而使物料颗粒细化的细化程度就越高。随着应用市场的不断变化，行星式高能球磨机20-22逐渐被市场接受并且越来越受到社会的认可。因此，行星式高能球磨机在市场中所占份额最大，产品类型也最多。根据设备的布局方式的不同，我们可以把行星式高能球磨机分为立式和卧式两种方式。无论是立式球磨机还是卧式球磨机，均采用转盘离心的方式使球磨罐绕着旋转中心既做公转运动又做自转运动，从而使球磨罐中的磨球与物料碰撞形成粉末。对行星式球磨机的研究，我国起步较晚但是发展迅速。1996年，南京大学仪器厂生产的带有变频器的行星式球磨机23-25在当时已经代表了我国球磨机设计的先进水平。由于采用了同步齿形带的传动方式，传动精度得到大大的提升。图为北京金工生产的立式行星式球磨机，采用皮带传动机构和变频控制器控制，可根据用户需求自行调整运行转速。图1.1 北京金工立式行星式球磨机1.3 小型球磨机的发展趋势全球经济自20世纪60年代以来，由于我国工业发展迅速，以前所未有的发展速度迅速发展，但对环保概念的忽视，造成了全球环境严重污染，带来了严重的环境污染问题。工业废弃物的大量产生是造成环境污染的重要原因之一。正因如此，我国制定了一系列的环境保护措施以期望降低环境污染。与此同时，社会各行各业也积极想方设法为环保积极努力。但传统的环境治理方法是末端治理。对于加工制造业来说，充分利用原材料、节约能源、减少有害废物和有害气体的排放、安全操作的改进，是减轻环境污染问题的关键因素。而绿色制造也是在这样的背景下提出来的。它被看作是解决问题的根本方法和途径，也是现代企业获得竞争优势的主要来源。自提出环保概念开始，我国积极准备各种措施，为做好环境保护工业积极努力。工业方面，这就要求我们的产品逐渐向节能环保型“绿色产品”26-27转变。由于小型机械设备逐渐成为市场的主角。同样，小型球磨机也具有更加广泛的市场空间和发展潜力。除此之外，智能化设计也成为设计工程师设计理念之一。近几年来，互联网以及移动互联网正不断的改变传统产业的发展路径。“互联网+”的概念也逐渐深入人心。智能家居、智能汽车等名词也不再是新鲜词语。由此可见，智能化时代已经到来，而我们要做的就是紧跟智能化时代的步伐。智能产品不仅能解决劳动力市场中劳动力紧张的问题，在提高生产效率的同时，又能保证生产产品的高质量性。因此，智能化产品成为人们肯定的产品，也是各生产企业追逐的目标。毫不例外，小型球磨机28-29作为小型产品的代表，也会逐渐成为智能化时代中不可缺少的设备之一。1.4 研究内容本次设计的主要技术指标为： 1) 传动方式：齿轮传动 2) 工作方式：两个或四个球磨罐同时工作 3) 球磨罐和磨球材质：陶瓷 4) 球磨罐容积：2L 5）转速比(公转：自转)：1:2 6）转速(自转)：0580转/分 7）控制方式：变频无极调速、程序控制，手动、自动定时正反转，定时关机 8）最大连续工作时间(满负荷)：48小时 9）转速允许误差：5%基于目前我国球磨机的市场需求和发展现状，本文拟研究的主要内容有：（1） 查阅球磨机的相关资料，了解高能球磨机的国内外发展现状及发展趋势，了解行星式球磨机的发展优势，确定了本课题的研究意义；（2） 了解高能球磨机内部传动机构的机械原理，设计卧式行星球磨机的传动机构，为后期做运动仿真提供了理论依据；（3） 根据实际需要确定电动机的选型，完成太阳轮、行星轮、齿轮、轴架等部件的结构设计；（4） 利用三维设计软件solidworks完成球磨机相关附件的结构设计，如：球磨罐、球磨罐夹具的结构设计；（5） 利用三维运动仿真软件对已完成的球磨机进行运动学仿真分析，为实际需要提供理论基础。1.5 本章小结 本章主要阐述了高能球磨机的研究背景和研究意义，系统地介绍了高能球磨机的国内外发展现状，对高能球磨机的研究热点和趋势进行了概述。根据实际市场需求，并确立了本文的主要研究内容。 第二章 小型球磨机的总体设计2.1 小型球磨机的工作原理图2.1 行星式球磨机机构原理图小型行星式球磨机的工作原理是：在一转盘上装有4个球磨罐，当转盘转动时，球磨罐在绕转盘轴公转的同时又绕自身轴做行星式的方向自转运动，罐中磨球和材料在高速运动中相互碰撞、挤压、摩擦，达到粉碎、研磨与混合匀化样品的目的，其效率比传统的滚筒式球磨机要高出很多倍。目前，常见的球磨机的主要传动机构采用带传动的传动方式，行星转动机构采用行星齿轮机构或者带传动机构。卧式行星球磨机是将四只球磨罐水平安装在一垂直平面的大盘上作行星运动。在这种运动过程中球磨罐没有固定的底面，罐内磨球和磨料在垂直平面内受到公转、自转两个离心力和重力的共同作用，相互之间猛力碰撞、挤压，将磨料快速粉碎、磨细。2.2球磨机的用途和分类球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。它广泛应用于水泥，硅酸盐制品，新型建筑材料、耐火材料、；化肥、黑有色金属选矿以及玻璃陶瓷灯生产行业，对各种矿石和其他可磨性物料进行干式或湿式粉磨。目前常见的球磨机按冲击分类可分为轻型和重型两种。按照长度可分为短磨机、中长磨机和长磨机三种。长径比在2以下时为短磨机，一般用于粗磨或一级磨，也可将2-3台球磨机串联起来使用；长径比在3左右时为中长磨机；长径比在4以上时为长磨机，用于水泥厂得较多。按研磨介质形状分类可分为球磨机、棒磨机、棒球磨机和砾石磨。磨机内装入的研磨介质主要是钢球或钢段的磨机称为球磨机，这种磨机使用最为普遍；磨机内装入直径为50-110mm的钢棒作为研磨介质的磨机称为棒磨机；而棒球磨机通常具有2-4个仓，在第一仓内装入圆柱形钢棒作为研磨介质，以后各仓则装入钢球或钢段；磨机内装入的研磨介质为砾石、卵石、刺球等介质的磨机称为砾石磨，多用于白色或彩色水泥以及陶瓷生产。按传动方式分类可分为中心传动磨机和边缘传动磨机两种。电动机通过减速机带动磨机卸料端空心轴而驱动磨机回转的磨机为中心传动磨机，减速机的出轴与磨机的中心线在一条直线上；电动机通过减速机带动固定在卸料端筒体上的大齿轮而驱动磨机筒体回转的磨机称为边缘传动磨机。按照工艺操作过程又可分为干式磨机、湿式磨机 、间歇磨机和连续磨机。连续磨机与间歇磨机相比，前者产量高、单位重量产品的电耗少、机械化程度高和所需操作人员少。但基建投资费用大，操作维护比较复杂。现在间歇式磨机极少使用，常用作化学实验室使用。23 小型球磨机的总体设计方案 目前，大多数的小型球磨机都采用“皮带行星式齿轮”传动机构，主要是因为该传动机构具有传动效率高、加工成本低的优点。故本次设计也采用“皮带行星式齿轮”传动机构，其传动原理如图3.1所示：图2.1 小型球磨机行星式传动机构示意图 本实用新型卧式运动行星球磨机涉及的是一种适用于同时球磨多种磨料的卧式行星球磨机。动力传输机构由电动机1、小带轮3、传动皮带2和大带轮10组成。行星旋转机构由太阳轮9、托盘7、行星轮8、球磨罐5组成，其中球磨罐5和托盘8之间由深沟球轴承连接组成旋转副。托盘7、太阳轮9和大带轮10通过键连接的方式固连。小带轮3和电动机1通过键连接的方式固连。其工作过程为：由电动机1带动小带轮3按规定速度运动，再经皮带2将动力传递到大带轮10，大带轮10与太阳轮9和托盘7通过键连接固连，从而使太阳轮9旋转，又由于行星外齿圈4固定在机体上，行星轮8只能绕太阳轮9进行公转和自转运动。从而使固连在行星轮8上的球磨罐5绕太阳轮旋转中心进行公转和自转运动。由于公转和自转的叠加使球磨罐旋转，球磨罐内的磨球在离心力及重力的作用下与磨料相互碰撞把磨料粉碎和磨细。24 小型球磨机的主要技术参数 本次设计内容的主要技术参数请参照表2.1： 转速（自转）转速比（公转：自转）最大连续工作时间转速允许误差0-580r/min1:248h5%球磨罐个数容量/罐42L表2.1 小型球磨机行星式球磨机主要技术参数25 本章小结本章主要介绍了小型行星式球磨机的工作原理以及小型行星式球磨机的用途和分类。根据目前市场上的小型球磨机的结构，提出了小型球磨机的整体设计方案，并根据要求确定了小型球磨机的主要技术参数。为后面的具体设计内容提供依据。第三章 小型球磨机主要部件设计和校核计算31 球磨罐的确定 3.1.1 球磨罐材质的选择常见的球磨罐材质主要有尼龙、聚氨酯、刚玉、不锈钢、陶瓷等。其中不锈钢材质的球磨罐不耐磨，会带入杂质，不过耐腐蚀性强。聚氨酯耐磨性好，而且也具有很好的耐腐蚀性，同时不会带入无机物杂质。陶瓷罐无论在耐腐蚀性和耐磨性上都是最好的，但很难做成大尺寸的罐体。由于该设计的球磨机主要用于陶瓷粉末的研磨，又考虑到陶瓷具有很强的硬度，故选择陶瓷做为球磨罐的材质。同样，磨球的材质也是陶瓷材料。 3.1.2 球磨罐尺寸的确定 球磨罐均采用圆柱空心结构，故球磨罐的容积为： 式中，d代表球磨罐内孔直径，h表示球磨罐内孔深度。根据设计要求，球磨罐容积为2L，由实际要求，定球磨罐内孔深度h为100mm。将和代入（1）式得 初步确定球磨罐壁厚t=10mm每罐内陶瓷磨料按100g计算，另外球磨罐端盖压头质量为500g，研磨球质量为700g当球磨罐空载时，球磨罐质量为当球磨罐满载时，球磨罐的总质量为32行星齿轮的设计和校核 3.2.1 机构简图的确定 由上述原理图得知，该行星式齿轮传动机构简图如图3.1所示，齿轮a为太阳轮，齿轮c为行星轮，齿轮b固定。齿轮c绕行星架X旋转。当主动齿轮a按一定速度旋转时，行星齿轮c按一定的减速比既绕齿轮a的中心轴做公转运动又绕自身中心轴线做自转运动。图3.1 行星齿轮传动机构简图3.2.2 齿形与精度常见的齿轮传动主要有直齿齿轮传动和斜齿轮齿轮传动。与直齿轮相比，斜齿轮具有以下优点：（1） 齿廓接触线是斜线，一对齿是逐渐进入啮合和逐渐脱离啮合的，故运转平稳，噪声小。（2） 重合度大，并随齿宽和螺旋角的增大而增大，故承载能力高，适于高速传动。（3） 斜齿轮不发生根切的最少齿数小于直齿轮。由于该行星齿轮传动属于低速传动，为了方便加工和装配，故齿轮齿形角确定为标准齿形角20，齿轮齿形采用直齿齿形。3.2.3 齿形材料及性能 太阳轮和行星轮均采用硬齿面，内齿轮采用软齿面，以提高承载能力，减小尺寸。齿轮材料及其性能参照下表。表1 齿轮材料及其性能齿轮材料热处理(N/mm)(N/mm)加工精度太阳轮20CrMnTi渗碳淬火HRC58-6214003506级行星轮245内齿轮40Cr调质HB252-2866502207级3.2.4 齿轮设计计算由于公转转速与自转转速的速度比为1:2，故 式中，是指太阳轮的齿数；是指行星轮的齿数；查机械设计手册图3-7a的，取。传动扭矩式中L为行星轮中心距太阳轮中心的中心距离，初步确定为120mm。（1） 按齿面接触强度计算太阳轮分度圆直径用式进行计算，式中系数如下：,K=1.5，,则太阳轮分度圆直径为：现定太阳轮齿数，模数m=3。同样地，行星轮齿数，模数m=3。经查机械设计手册图18-20得知，节点区域系数 端面重合度由于已经保证了安装条件，同心条件，具体计算如下表：序号名称代号计算公式计算结果1模数m取标准值3mm2分度圆压力角取标准值3齿顶高系数取标准值4径向间隙系数取标准值5分度圆柱螺旋角6分度圆直径7未变位中心距a8实际中心距采用标准齿轮表2 行星传动齿轮计算结果3.2.5 齿轮校核经机械设计手册式18-27计算，螺旋角系数经机械设计手册式18-27计算，重合度系数校核齿面接触疲劳强度 由机械设计手册式18-26计算，齿面接触应力 齿面接触疲劳强度足够。33 电动机的选择33.1 电动机的功率计算 初步设定带传动比为1:2。由以上计算得知，大带轮的转矩为，大带轮的转速为，则大带轮的传动功率为 则电动机的传动功率为 即电机功率选定为0.75kw。基于本次设计要求，选定台湾荣立创公司生产的单相交流电动机，该电动机主要技术参数见下表：型号额定功率额定电压转速可调配减速器TCH287504060C750W220V0-1400r/min1:2.534 带传动设计34.1 带型选择根据传动带的截面形状，摩擦型带传动可分为平带传动、V带传动和圆带传动。V带传动又可分为普通V带传动、窄V带传动、联动V带传动等。V带的横截面为等腰梯形，工作时其两侧面与轮槽的侧面相接触，而V带与轮槽槽底并不接触。由于轮槽的楔形效应，楔形槽可以增大法向压力，在初拉力相同的条件下时，V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，故可传递更大的载荷，具有较大的牵引能力。因此，在本次设计中，采用V带传动方式。34.2 带传动设计由以上计算可知，小带轮转速，大带轮转速普通V带型号，查机械原理与机械设计中表17-4，得根据和，选取Z型V带查机械原理与机械设计中图17-11并参照表17-5，选取，带速中心距、带长及包角根据式， 即，初步确定中心距带的基准长度由表17-9，选带的基准长度按式计算实际中心距，取验算小轮包角带的根数按式查表得,根=3根，取z=3根35 轴的设计和校核计算35.1 轴的设计本次设计中采用实心圆轴作为主要动力传输零件，故取由机械设计手册式20-2可得实心轴直径的设计式由实际传动需要，本次设计选取轴径d=20mm由于轴承受一定的弯矩，轴结构选定为阶梯轴，其设计结构图如图3.2：图3.2 中心轮轴设计结构图35.2 轴的校核计算 轴的空间受力简图如图3.3图3.3 轴的空间受力简图作垂直平面受力图和水平平面受力图，求出作用在轴上的载荷垂直平面受力带轮切向力齿轮切向力轴承反力水平平面受力带轮径向力齿轮径向力轴承反力垂直平面弯矩截面截面水平平面弯矩截面截面求出合成弯矩M截面截面作出转矩图根据已知条件，转矩T=18Nm已知材料为45调质钢，由表20-1查得。 用插值法由表20-4查得 ，由已知条件，轴的转矩可按脉动循环考虑，即，则截面截面校核轴径截面 截面由以上校核计算可知，按当量弯矩法校核，轴的强度足够。37 本章小结本章主要对球磨机的关键部件进行了设计计算，主要包括球磨罐外形的确定及尺寸计算、行星齿轮机构的尺寸计算及校核、电动机的选型、带传动的设计计算以及中心轴的设计和校核计算。在本章中，通过对球磨机关键部件的设计，熟练掌握了机械设计中的设计理念。第四章 小型球磨机附件的设计4.1 球磨罐夹具设计一个设计良好的球磨罐夹具应该具备以下特征：（1）能够保证球磨罐、夹具、球磨罐外筒三者之间正确的紧密固定；（2）所设计的夹具结构应具备较好的工艺性能，以方便夹具的生产；（3）所设计的夹具具有良好的使用性能，可随时进行更换、拆卸。（4）最后，要有良好的经济性能，节省加工制造成本。如图4.1所示，将一定量的研磨物料放入球磨罐3中后，盖上带有密封圈的球磨罐端盖4，将装有研磨物料的球磨罐放入设备中的球磨罐筒2内，然后将夹具的固定板固定于球磨罐筒的长槽内。旋转紧定旋钮6直至压紧球磨罐，旋转锁紧旋钮5直至锁紧。其中，球磨罐端盖上设计有密封圈槽，装有密封圈。这样就保证了球磨罐端盖与球磨罐的完全密封。球磨罐夹具上设计了两个锁紧旋钮，以保证其锁紧的安全性，保证在设备运转过程中，球磨罐不会因松动而脱离出来。另外，球磨罐夹具上的固定板1上设计了橡胶垫，在与球磨罐筒接触时不会出现磕碰和划伤的情况。 当行星齿轮盘机构旋转运动，磨料罐的自传运动时，上下螺母的设计可以保证罐体的密封性，防止研磨料溢出等问题。图4.1 球磨罐夹具结构图4.2 安全护罩设计 安全护罩采用厢式结构，主要由轴式安全门罩和安全锁组成。其中安全门罩是由有机玻璃加工而成的透明式门罩，可以随时观察球磨罐的工作状况，当安全门罩2打开时，可沿罩底的旋转门轴3翻折下来。安全门罩还在箱体两侧设置两个安全门锁1，均采用磁性式碰锁，易于打开关闭，因为安全门会时常打开关闭，不会像其他锁孔繁琐，方便工作人员。当磁性碰锁打开时，会给控制箱体电信号，迫使球磨机停止工作。当磁性碰锁合上时，球磨罐才会继续工作。安全门罩的设计保障了本文设计的小型球磨罐的安全性。球磨机安全门结构如图4.2所示。图4.2 球磨机安全门罩设计结构图4.3本章小结 本章主要介绍了小型球磨罐的夹具设计和安全门罩的设计，主要分析了夹具和安全门罩的结构和工作原理，并保证了其工作的合理性和安全性，以及可实施性。在本章中，通过设计球磨罐安全夹具和安全门罩，熟练了机械结构的设计原理，并为小型球磨罐的设计打下了坚实的基础。第五章 SolidWorks三维造型5.1 三维造型软件SolidWorks简介SolidWorks公司是专业从事三维机械设计、工程分析和产品数据管理软件开发和营销的跨国公司，其软件产品SolidWorks提供一系列的三维（3D）设计产品，帮助设计师减少设计时间，增加精确性，提高设计的创新性，并将产品更快推向市场。SolidWorks软件主要由2D到3D转换工具、内置零件分析、机器设计工具、模具设计工具、消费产品设计工具、对现成零组件的线上存取、曲面设计等组成。目前，SolidWorks三维设计软件已经成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。SolidWorks三维设计软件作为最易学的机械设计软件，在国内机械行业已经占据了70%的市场份额。在本次设计中均采用solidworks2014版的三维设计软件进行机械结构设计。5.2 箱体造型5.2.1 增加脚轮在小型球磨机的底部增加了4个万向轮，能够随时向任何方向移动，保证了它的实用性。此外，还可以通过刹住万向轮的刹车，使球磨机固定于某一地点，保持机身的稳定性。图5.1 球磨罐4个脚轮5.2.2 安全门的使用小型球磨机的箱身可用低碳钢焊接而成，焊接在箱体上的安全门用有机玻璃焊接在箱体上，透明的特性使观察球磨罐更加方便。门上带有安全锁孔，方便装配维修时使用，增加结构的可靠性，保证机器的正常运行，如图5.2所示。图5.2 球磨罐箱体安全门 与此同时，我们通过安全门的使用将电气箱与机械箱体分开，用来保护电气器件，实现标准化操作。图5.3 球磨罐的电气箱和机械箱5.2.3 急停按钮、调速旋钮和触摸屏的设置 本文在电气箱上设置急停按钮，当安全门有任何不规范操作时，可通过急停按钮立即停止球磨罐的运作，保证安全。同时还在电气箱上设置调速旋钮，方便的控制球磨罐的运转速度。而且在电气箱上放置了触摸屏，可以在屏幕上进行实时操作，还可以通过查看触摸屏上的显示数据实时监控设备的运转情况，大大方便了设备的可操作性，实现了球磨罐的操作可视化。如图5.4所示。图5.4 电气箱上的急停按钮、调速旋钮和触摸屏5.3 本章小结 本章通过SolidWorks进行了小型球磨罐的三维设计，主要设计了球磨罐的脚轮，安全门和电器箱和机械箱体，还有急停按钮和调速旋钮，同时增加了电子触摸屏，增加了小型球磨机的操作可视化，提高了操作的可靠性。第六章 运动学仿真和力学仿真分析6.1 运动学仿真6.1.1 运动仿真简介SolidWorks三维设计软件除了可用于对零部件的三维设计外，还可以对已经装配好的模型进行简单的运动学仿真。运动分析主要应用在机械、电子、船舶、航空航天等领域，主要用来对已设计的机械机构进行模拟运动，在运动过程中分析其机构的合理性。在本次设计中，本人也将球磨机的主要零部件进行了运动学仿真，以方便设计者更加直观的分析设计。6.1.2 运动仿真分析首先，将行星齿轮机构需要的零部件按照实际配合要求进行配合装配，期间不能出现过配合的情况。其中固定一个零部件作为基座，其余件均作为附件添加。各个零部件之间的配合必须按照严格的实际配合要求进行装配。转配好模型后，手动拖动运动零部件尝试使其运动，如果零部件能够灵活运动即可，如若不能，重新检查装配配合，直至满足要求为止。然后将模型装配好后的模型保存为“运动分析.asm”，在SolidWorks环境中重新打开该装配模型。点击“新建运动算例”，并点击“添加马达驱动”，选择旋转驱动作为主驱动并选择太阳轮相对于轴承座做顺时针运动，运动速度为10rad/s,运动时间为30s。点击运行按键即可实现其运动分析。 其运动仿真截图见图6.1。图6.1 运动仿真截图6.2 ANSYS仿真软件介绍 ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统地几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，破获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网络划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。正因为其强大的力学分析能力，ANSYS力学仿真软件也逐渐被机械设计工程师接受，并在机械设计行业被广泛应用。本文就采用ANSYS力学仿真软件对所设计的小型行星式球磨机的关键零部件进行了力学仿真分析。6.2 行星齿轮系的力学仿真 由于在整个球磨机的整体机械结构中，行星齿轮系统起着最为重要的作用。因此，本文主要针对行星齿轮系进行力学仿真研究。根据三维设计软件SolidWorks所绘制出来的三维模型在SolidWorks的装配环境中进行装配。为了模拟实际的工作状态，在装配过程中，使装配体的整体装配模型的重心与装配坐标系的坐标原点重合，并且使得齿轮系中心线平行于XY坐标系平面，以便于ANSYS力学仿真软件进行有效地力学分析仿真。再将装配好的模型另存为“.x_t”格式，并将其名称改为不含有汉字的英文名称。其装配模型如图6.1所示：图6.2 装配模型将保存好的“.x_t”格式文件导入到ANSYS仿真软件，在ANSYS 开发环境中对模型中的参数进行规范性标定，例如摩擦系数、弹性模量、材料、质心、接触配合、网格划分数等。为了分析出更加接近实际的分析数据，本文中将模型的重心方向设置为Z轴负方向。由于模型过于庞大，分析起来会比较困难，耗费时间长。本次分析过程在网格划分的时候，将网格划分为不均等网格，即齿轮之间的接触面划分网格细致，齿轮不接触面网格划分粗略。网格划分图见图6.3。图6.3 网格划分图6.3 结果分析在ANSYS分析环境中，设置好参数后，运行程序即进入仿真分析过程。在经过几个小时的仿真分析后，我们得到了最终分析结果。图6.4 齿轮等效应变和等效应力图 图6.5 局部应变图和剪应力图从分析结果可以看出，齿轮应力主要集中在齿轮啮合处，且沿轮齿呈面分布，与实际情况相符。从图中可以看出，接触面的最大应力为380MPa，符合设计要求。除此之外，在齿轮键槽部分会有应力分布情况，键槽侧面承受一小部分应力，齿轮轮齿变形严重，长期工作后可能会出现齿面断裂、齿面磨损等情况。从局部应变图和剪应力图中可以得出结论，齿轮主要应力集中在受挤压侧轮齿根部两端，与实际情况相符。剪应力主要集中在齿轮轮齿根部。如果齿轮长期工作，容易造成齿轮根部断裂等情况。所以齿轮啮合部位应多注意保养，适当涂抹润滑油以延长使用寿命并定期维护。6.4 本章小结本章主要利用SolidWorks软件对已经建立的模型进行了运动仿真，并且运用ANSYS仿真软件对主要零部件进行了有限元分析。经过分析可以得知，本次设计的小型行星式球磨机符合设计要求，并且进一步验证了本次设计的可行性。结 论 本文通过设计小型球磨机结构，分析小型球磨机的整个设计计算过程，最后对设计结果用SolidWorks进行了仿真。 本文根据小型球磨机设计的主要参数，通过对各部件多种形式的选择比较，确定了小型球磨机采用的形式，然后对其结构进行了全面而详尽的设计计算。本文设计了卧式行星式的设计形式，并通过行星齿轮盘机构实现旋转，电动机带动行星轮公转，行星轮与静止的内齿轮的啮合实现磨料罐的自传运动。使用公转加自转，磨料罐将电机的能量传递到磨块上，实现对待加工材料的研磨。之后本文对各组成部件：磨料罐、罐体夹具、自传支架、主轴、箱体等进行了仿真分析，实现了球磨机的安全性、方便性和可视化。最后通过仿真结果，得到了一个可靠性较好的小型球磨机。 最后应用SolidWorks软件对小型球磨机进行三维实体造型并进行了运动仿真和力学分析，运动仿真结果表明，小型球磨机能实现良好的运动性能，将其基本的运动更具体直观的展现在人们面前。致 谢四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，我要特别感谢我的指导老师XX老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，X老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了X老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！ 同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。 最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢！参 考 文 献1 颜景平，易红，史金飞，等.行星式球磨机研制及其节能机理J.东南大学学报（自然科学版），2008,38（1）：27-31.2 郑锋，黄璞，冯大军，等.两种高能球磨机制备合金磁粉的对比J.武钢技术，2006,44（2）：21-24.3 QM-QX系列全方位行星式球磨机.南京大学仪器厂EB/QL.2011-09-15. http:/www.1751.cc/goods-7976.html4 Bailon-poujol I,Bailon J P,Esperance G.Ball-mill grinding kinetics of master alloys for steel power metallurgy applicationsJ.Power Technology,2011,210(3): 267-272.5 张培萍，刘淑凤，张立功，罗劲松，安立楠.高能振动球磨作用对纳米Al2O3相变温度的影响J.吉林大学学报（工学版），2006,36（5）：715-718.6 高济禾.高能球磨过程的数学描述D上海：华东师范大学理工学院，2009.7 李文亮，杨涛，于向军，等.国外大型