（机械电子工程专业论文）高效偏心球磨机的研磨动力学及其速度控制的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文基于新型偏心式行星球磨机的结构参数，探讨了磨球脱离筒壁的条件 以及球磨机结构参数、偏心距e 对球磨机研磨效率的影响，建立了研磨动力学 模型，利用m a t l a b 对动力学模型进行了仿真分析，设计出变频调速控制系统 实现了电动机按照正余弦规律变速。 文中在研究新型偏心式行星球磨机研磨运动学原理基础上，探讨了磨球的 动力学与运动学之间的关系，导出了磨球与筒壁的脱离点不受球磨机转速影响， 而仅与球磨机结构参数有关的研磨体脱壁临界表达式；揭示了球磨机的研磨效 率与公转盘转速的立方成正比，而要使球磨机的研磨效率达到最大，电动机应 不断的切换转速；并且建立了偏心距e 对研磨效率影响的表征模型。基于模型 利用m a t l a b 对球磨机的研磨效率进行了仿真分析；通过对球磨机结构参数的 研究发现偏心距e 影响磨球与简壁脱离的位置、频率和脱离点半径k ，从而影 响研磨效率，但是有一个最佳值使研磨效率最高。 为了实现文中所导出的研磨动力学模型，使电动机按照正余弦规律变速， 在考虑电机的启动、运行、调速和制动的特性的前提下，探讨了高功能性v f 控制的变频器( e m e r s o nt d 3 0 0 0 ) 实现给定球磨机运动方程的方法，在研究转 速之间的切换和启动问题的基础上，设计出实现运动控制规律的变频调速控制 系统，系统中由p l c 完成数据的采集、传输和对电机等设备的控制任务，使电 动机按照正余弦速度规律运转。论文通过理论计算验证了该系统实现的可行性。 关键词：行星球磨机偏心 仿真变频器变频调速 l l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，t h ec o n d i t i o a so ft h em i l l i n gb a l id i s e n g a g ef r o mt h ec o n t a i n e r w a l lo ft h ep l a n e t a r ym u l l e r ( p m ) ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h ep ma n de f f e c to ft h e t h r o wo fe c c e n t r i c ( e ) o nt h ep mh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db a s e do nan e wp mw i t h e c c e n t r i cs t r u c t u r e f o re v a l u a t i n gt h em i l l i n ge f f i c i e n c y , ad y n a m i cm o d e lo ft h e m i l l i n gb a l li nt h ep mw a sd e v e l o p e da n de m u l a t e di nm a t l a ba n daf r e q u e n c y c o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e dt oc a r r yo u tt h ec o n t r o l l i n ge l e c t r o m o t o ra c c o r d i n gt o t h er u l eo fs i n u s o i d a lo rc o s i n e i nt h i st h e s i s ，t h er e l a t i o nb e t w e e nd y n a m i c sa n dk i n e m a t i c so fm i l l i n gb a l lw a s r e s e a r c h e da n dd e d u c e dan e wc r i t i c a le x p r e s s i o nt oi n d i c a t et h ec o l l i s i o nr e l a t i o n b e t w e e nt h eb a l la n dc o n t a i n e rw a l lo ft h ep m at h e o r ym o d e lt oa n a l y z et h ee f f e c t o feo nt h em i l l i n ge f f i c i e n c ya l s ob e e nd i s c u s s e d t h er e s e a r c h e ss h o wt h a tt h ec a f f e c t st h ee q u i v a l e n tr a d i u so ft h ed i s e n g a g ep o i n to ft h ep mb u ta no p t i m u me v a l u e w h i c hm a x i m i z et h em i l l i n ge f f i c i e n c y , e x i s t si nt h ee c c e n t r i cp m t h e r e s e a r c h e sa l s os h o wt h a tm i l f i n ge f f i c i e n c yi sd i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt ot h ec u b eo f r o t a t i n g d i s c sr o t a t es p e e d ，b u tt h es p e e ds h o u l d b e c h a n g e di n t e r m i t t e n t t o m a x i m i z et h em i l l i n ge f f i c i e n c y b a s e do nr e s e a r c ha b o v e ，t h ed y n a m i cm o d e lh a sb e e nu s e dt og u i d et h ed e s i g n o ft h ec o n t r o ls y s t e m i nt h ed e s i g n ，ah i g hf u n c t i o n a l i t yt r a n s d u c e ra n dp l ca r e u s e dt oa c h i e v et h eg i v e nd y n a m i c e q u a t i o n ，t oc o l l e c td a t aa n dc o n t r o le l e c t r o m o t o r t 1 l es t a b i l i t i e so ft h es t a r t - u p r u n n i n g , t i m i n ga n db r a k i n go fe l e c t r o m o t o rh a v e b e e nt h e o r e t i c a l l yv e r i f i e ds ot h a tt h es y s t e mp o s s c s s c st h ef u n c t i o nt oc a r r yo u tt h e c o n t r o l l i n ge l e c t r o m o t o ra c c o r d i n gt ot h er u l eo fs i n u s o i d a lo rc o s i n e k e y w o r d s ：p l a n e t a r ym u l l e r t h r o wo fe c c e n t r i c e m u l a t et r a n s d u c e r f r e q u e n c yc o n t r o l h j 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 行星式球磨机广泛应用于各个领域，是混合、研磨、新产品研制和生产高 新技术材料的必备装置。行星式球磨机体积小、功能全、效率高、粒度细，广 泛应用于地质、矿产、冶金、电子、建材、陶瓷、化工、医药、环保等行业。 该机械可用于纳米材料的制备，如纳米合金的制备、也可用于微纳米粉体的表 面改性及粒子的复合处理i l 】。 由于间歇式行星球磨机公转盘上可以放置多个球磨罐，因此每个球磨罐内 可以放置不同的物料进行粉碎实验。也可用于硬度较高、难粉碎的材料，如石 英粉、石墨及云母等。 石英石和石英砂是主要的工业矿物原料，广泛应用于玻璃、铸造、陶瓷及 耐火材料、冶金、建筑、化工、塑料、橡胶、磨料等工业领域。由于石英石硬 度大，用一般粉碎设备很难达到极细的粒度，主要原因是对设备的磨损大，采 用行星式球磨机完全可以达到细度要求【2 j 。 云母粉通常用于无线电有关的电子、冲制零件、航空工业及电容器生产部 门用的零件、电容器芯片、电机制造用的云母薄片、工程塑料、橡胶涂料等。 随着纳米科技的发展，超微纳米材料的制备成为该技术工业应用的关键， 目前，超微粉体的制备方法一般可以分为两类：物理粉碎和化学合成。物理粉 碎主要是通过机械作用，使物料破碎，颗粒减小，直到所需的尺寸。机械制备 的方法一般有：振动冲击、离心冲击、气流冲击、机械球磨等f l l 【5 1 。 由于行星球磨在制备复合超微，纳米粒子过程中可使复合粒子实现合金化， 这对于制备多元固体润滑复合超微纳米粒子体尤为有效。为了进一步提高行星 球磨机的研磨效率，武汉理工大学摩擦学研究所开发了一种新型的偏心式行星 球磨机，即在行星式球磨机上设置了偏心结构，使球磨机在高速旋转时产生附 加的球磨离心力，从而增加了研磨体脱离筒壁对物料产生撞击的概率，达到提 高研磨效率的目的。论文从动力学方匠着手研究了球磨机机械结构对这种高效 的球磨机研磨效率的影响，探讨出了球磨机工作时磨球的运动规律，为控制系 统提高了理论依据。 1 2 超微偿内米粉体的制备 1 2 1 超微纳米粉体的制备方法 微纳米材料在当今新材料领域占有极其重要的地位，而微纳米粉体是微纳 l 武汉理工大学硕士学位论文 米材料的重要组成部分。研究与生产实践证明，微纳米粉体产量、质量、性能 不仅与制备方法及工艺条件有关，而且与制备所采用的设备有极其重要的关系。 微纳米粉体的制备方法通常分为物理法与化学法两大类。物理法主要包括 粉碎法( 又称破碎法) 与构筑法( 又称蒸发冷凝法) 。粉碎法主要包括干式粉碎 法与湿式粉碎法；干式粉碎法主要包括气流粉碎法、冲击粉碎法与碾磨粉碎法； 湿式粉碎法主要包括高速撞击粉碎法与碾磨粉碎法。构筑法主要包括溅射法、 加热蒸发冷凝法、等离子体加热蒸发冷凝法、激光加热蒸发冷凝法等。化学法 包括沉淀法、水解法、水热法、溶胶一凝胶法、激光合成法、火焰合成法、等 离子体合成法、燃烧法、固相反应法及气一固反应法等【l 】【5 1 。 传统观念认为，物理粉碎法不可能制备出纳米级的粉体，只有构筑法( 即 蒸发冷凝法) 才可制各出纳米级的粉体。然而，最近的研究已发现，随着粉碎 与分级技术的提高，对于某些物质在一定的条件下也可制备出纳米级产品。采 用粉碎法制备纳米粉体，目前研究比较成功的是高能高效研磨法。 化学法目前仍是制备纳米粉体的主要方法，其优点是生产规模大、产量高、 生产成本较低，可以满足大规模工业化生产的需要。其缺点是产品易团聚、分 散性差，很难保持以单个纳米颗粒存在；另外，表面易被污染，纯度往往较低， 表面特性差，因而实际使用效果往往不理想。 1 2 2 超微纳米粉体的制备设备 除某些特殊情况外，微纳米粉体的制备方法大多相同，因此它们的制各设 备也都基本相同，有时只是部分配件不同。 中国工业化的超细粉碎与精细分级技术的发展及设备的制造始于2 0 世纪 7 0 年代末和8 0 年代初。目前，我国超细粉碎设备类型有很多，关于微纳米粉 体制备设备的分类方法很多，但至今没有统一的分类方法。比较常用的分类方 法是【2 】： 纳米粉体制各设备 液流撞击式粉碎机 行星式球磨机 湿式搅拌研磨机 湿式旋转搅拌球磨机 蒸发冷凝制粉装置 液相反应制粉装置 气相反应制粉装置 固相反应制粉装置 武汉理工大学硕士学位论文 f 扁平式气流粉碎机 气流粉碎机j 循环式气流粉碎机 l 流化床式气流粉碎机 液流粉碎机 惹纛妻豢纂襄 微米粉体制备设备 机械作用粉碎 蒸发冷凝制粉装置 液相反应制粉装置 气相反应制粉装置 固相反应制粉装置 由机械力作用使颗粒破碎、尺寸减小引起颗粒变化的力称为机械作用力。 以机械作用力为粉碎力场的主要设备有很多种类型，以满足不同物质超细化的 要求。以机械作用力为粉碎力场的微粉体主要设备及分类如下【2 】： l降筒式球磨机 鬈 小洲机艋= 篇 1 2 3 行星式球磨机粉碎原理 式 式 行星式球磨机是借助一种特殊的装置，使球磨简体既产生公转又产生自转 来带动磨腔内的球研磨介质，产生强烈的冲击、研磨作用，使介质之间的物料 被粉碎和超细化。| 、日j 歇式行星球磨机的结构与普通球磨机相比有很大差别，前 机机碎碎粉粉式式 机 击射 机磨 撞抛机磨球转转碎研拌 旋旋粉式搅速速磨拌转高高球搅旋 ，_-_-_，1_-_-_l 机 武汉理工大学硕士学位论文 者比后者复杂得多。普通球磨机通常是一个磨筒，而行星球磨机则有多个磨筒， 一般为2 个4 个磨筒均匀对称地分布在公转盘上。普通球磨机的研磨筒体水 平安装在固定的轴座内，而行星球磨机磨筒既可以水平安装也可以垂直安装在 公共转盘上。二者的主要区别在于磨筒的运动方式不同。普通球磨机的筒体仅 绕固定的中心轴旋转，而行星磨筒为复杂的平面运动，一方面，电机带动公共 转盘转动，安装在其上的磨筒随之转动，此时为“公转”( 牵连运动) ；另一方 面，由于齿轮或三角带传动的作用，磨筒还绕自身的中心轴“自转”( 相对运动) 。 磨筒的这种既有公转又有自转的平面运动，称之为行星运动。磨筒的行星运动 是行星球磨机区别于普通球磨机的基本标志。它可看作是一种普通球磨机与离 心式球磨机的结合而发展起来的一种新机型1 1 1 【2 1 1 4 】o 由于磨筒自转和公转的速度变化引起的离心力及磨筒与球磨机摩擦力等的 作用，使磨球与物料在筒内产生互相冲击、摩擦及上下翻滚等，起到了磨碎物 料的作用。 在自转和公转等合力的作用下可使研磨介质( 磨球) 的离心加速度达到 l o o m s 甚至更高；同时，磨简转速越高，磨球与磨体之间的最大正压力为磨球 所受到重力的5 倍6 倍。这使得行星磨的研磨效率远远大于普通球磨机。 1 3 高效球磨机动力学分析和控制系统的发展及国内外现状 随着涂料、燃料、油墨、磁心材料、化妆品、粉末冶金和生物工程等高科 技领域对产品要求的精细化，球磨粉碎技术已在许多微粉碎、超微粉碎领域得 到应用。球磨粉碎技术就是在球磨机中利用研磨介质之间的挤眶力与剪切力来 粉碎物料。许多年来人们围绕磨机的电耗高、钢耗高、能量利用率低等问题做 了大量研究工作，提出了一些球磨过程的数学模型与理论，通过对这些问题的 研究，对深入了解球磨粉碎技术在其应用过程中的优化控制，取得理想的粉碎 效果有重要的意义，对提高研磨效率起到了一定的作用。 粉磨是很多特种粉体生产中使用面广量大的一种单元操作，同时也在其他 工业部门大量使用。粉磨机械的典型是球磨机。球磨过程是一个复杂的多因素 影响系统，自5 0 年代开始就有学者将相似理论方法应用于球磨过程研究并建立 了相应的数学模型，这些模型主要是从受力相似、变形相似、几何相似3 个方 面分析球磨过程 6 j 。 球磨的任务包括：减小或增大粉末粒度：合金化；固态混料：改善、转变 或改变材料的性能等。在大多数情况下，球磨的任务是使粉末的粒度变细。 球磨是在钢制或瓷制的回转圆筒中j 3 n , k 粉碎物质和钢球、钢段、瓷球或刚 武汉理工大学硕士学位论文 玉球等研磨介质( 或称研磨体) ，然后利用圆筒旋转产生研磨和冲击作用，从而 将物料粉碎。粉碎效果由磨碎与冲击两方面决定。 球磨机的主要工作部分为一回转的圆筒，靠圆筒内装入的各种材质和不同 形状的研磨介质的冲击和研磨作用使物料粉碎、磨细。球磨机的规格用简体的 内径和长度表示，如中3 m l l m 。 球磨机在化工、冶金、选矿、电力、轻工、建材等行业中应用很普遍。归 纳起来，他具有下述优点： 1 ) 对物料的适应性强，既可干法作业也可湿法作业，还可以把干燥和 粉磨合并一起同时进行，对被粉磨的混合物料还有均化作用，可以 负压操作，能连续生产，生产能力大，可满足现代大规模工业生产 要求1 4 j 。 2 ) 粉碎比大，可达3 0 0 以上，易于调整粉磨产品粒度【4 1 。 3 ) 结构简单、坚固，密封性较好，操作可靠，管理维护简易，能长期 连续运转。 目前，我国超细粉碎设备类型有很多，任何形式的粉碎机械，在粉碎的开始 阶段都有着较高的粉碎速度。但随着粉碎程度的加深，粉碎速度越来越慢，直 至停止。此时就达到了粉碎团聚的可逆动态平衡，延长粉碎时间并不会使颗 粒的平均粒度减小，也不会增加小颗粒的数量1 1 4 j 。 较高的作用频次( 单位时间内物料受到研磨的次数) 和较大的作用力，对打破 粉碎一团聚的可逆平衡，使粉碎向样品粒度更细的方向进行至关重要。为了获 得较高的作用频次和较大的作用力，国内外有很多学者进行了不懈地努力研究。 比较多的是研究研磨机的机械结构来提高研磨效率，比较典型的是行星式高能 球磨机和离心强制循环超细粉碎设备，两种机器的磨筒都处于行星位置，都是 利用行星运动获得粉体介质对物料的高的粉碎作用频次和大的粉碎作用力。行 星式高能球磨机由于具有较大的惯性力，对物料能产生强烈撞击，撞击力随着 转速的提高成平方增加，由于磨球对粉体频繁强烈的撞击，碾压及搓擦等作用， 使得粉体能在短时间内研磨到纳米级，极大的提高了超细粉的研磨效率：离心 强制循环超细粉碎设备粉碎作用力相对较低，粉碎作用频次较高，介质磨耗较 小而且粉碎细度很高【2 1 l 。 由于制粉系统球磨机较难控制，最初人们主要依靠人工的操作控制，研磨 效率不高，研磨时间过长，产品质量不能稳定。随着先进控制理论及计算机技 术的发展，制粉系统球磨机这一较难控制的系统开始受到重视，并取得了一些 理论和应用方面的研究成果。现在球癌机的控制方法t 要有：自寻优控制、模 武汉理工大学硕士学位论文 糊控制、神经元控制【1 5 1 1 1 6 1 1 1 矾。 1 1 自寻优控制 用综合极值控制方法来提高球磨机的研磨效率。采用预估比较的动态步进 搜索法，输入信号不作连续变化，而是在起始状态的基础上作一个有限的变化， 然后测量由于输入信号的改变引起输出量变化的大小和方向，等辨明方向后， 再按需要的方向调节控制对象的输入。或使用步进搜索的寻优方法，利用磨音 特性的斜率变化自动寻找最佳工作点，能在变化的环境中自动寻优，对于对象 特性变化具有一定的自适应能力。使制粉系统在安全运行的前提下，确保其处 于或接近最佳工况，使制粉系统出力较大，耗电较少f l o i l 删。自寻优的引入，使 控制系统能自动跟踪最大出力点的漂移，保证球磨机始终运行在最大出力点1 1 7 1 。 2 1 模糊控制 模糊控制( f c ) 算法是2 0 世纪7 0 年代才发展起来的一种新型控制算法，其 本质是一种非线性控制，并具有比常规控制系统更好的稳定性和更强的鲁棒性。 f c 采用模糊变量，具有良好的抗噪性能，而且容易与人工操作经验相结合，它 不需要知道被控对象的数学模型，可以有效地应付非线性对象。 球磨机负荷受各种干扰影响很大，输出测量信号的随机干扰因素也很多， 无法获得精确的数学模型，对球磨机系统采用模糊负荷计算并进行模糊控制， 克服测量信号的非线性和慢时变特性。一种是采用分级控制方法，利用模糊语 言规则，将运行人员的经验归纳后，存储到计算机中进行数值计算，实现模糊 控制。另一种则是利用f c 的特点，认为当偏差较大时，控制的主要矛盾是要尽 快减小偏差，使系统输出接近稳定。其中文献【3 】在大偏差时采用带静态解藕的 f c 策略，具有较好的控制性能。文献i n 采用一种变结构控制方案，大偏差时 采用f c 方法，小偏差时采用p i d 控制，接近稳态则为保持方式，并应用于对 稳定锅炉燃烧具有重要影响的排粉机出口压力控制 1 3 】1 1 5 l 。 3 ) 神经元控制 神经网络控制是2 0 世纪8 0 年代以来，由于人工神经网络研究所取得的突 破性进展，与控制理论相结合，而发展起来的自动控制领域的新兴控制技术， 人工神经网络是有神经元互联组成的网络，它是从微观结构和功能上对人脑的 抽象，简化，是模拟人类智能的一条重要途径，反映了人脑功能的若干基本特 征，如并行信息处理，学习，联想，模式分类，记忆等，其特点主要是具有非 线性特性，学习能力和自适应性，是模拟人的智能的一条重要途径1 7 1 1 8 i 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 针对球磨机系统非线性多变量耦合的特性，文献【7 】提出了一种对其控制的 神经元解藕控制方法。文献【8 】建立的中间储仓式制粉系统球磨机的动态数学模 型，从理论上揭示了球磨机系统的非线性、强耦合特性，对以后进行球磨机系统 的控制研究提供了更好的模型参考【9 1 。针对制粉系统进行的不同模式，提出了 分布式人工神经网络逆系统控制方法，并对逆系统控制进行p i d 综合。与按线 性控制方法的设计结果相比，可在大范国内克服系统的非线性和强耦合问题， 对于一直难以解决的中间储仓式制粉系统球磨机的自动控制探索了新的方法。 1 4 存在的问题 目前，国内绝大部分球磨机控制都是操作人员手动操作。长期手动控制球 磨机的运行，不仅容易造成满料、断料、跑料、超温事件的发生，而且也不能 使系统长期保持在最佳工况下运行，如何做至b 在保证球磨机安全运行的前提下， 降低单位磨料电耗、提高经济效益、提高球磨机的研磨效率，成为球磨机控制 的一个关键所在。 多变量耦合、多变量时滞和模型时变特性是球磨机实现自动控制的主要困 难所在。 上面提到的球磨机三种控制方法是目前国内外用于控制球磨机的比较成功 的方法，他们都有自己的优点，但是也有许多的不足。在自寻优控制中动态步 进搜索自寻优控制对于磨煤机的经济运行有一定的优点，但搜索起始步的选取 较困难，不恰当的起始步，延长了寻优时间，使系统长期工作在不稳定工况下， 这对磨煤机的稳定经济运行是极其不利的。模糊控制和神经元控制都是近几年 新兴的先进控制方法，但是神经网络的学习速废一般比较慢，实时响应性不好， 而且在引入神经网络控制系统以后，给系统的稳定性和收敛性的分析增加了难 度，在非线性系统识别方面，对于球磨机的带噪声系统的识别还有一定的困难。 变频调速已被公认为最理想、晟有发展前途的调速方式之一，其优势主要 体现在以下几方面： ( 1 ) 变频调速的节能 由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到 2 0 6 0 ，这是因为风机、水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户 需要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果是十分客观的。 而传统的挡板和阀门进行流量调节时，耗用变化不大。由于这类负载很多，约 占交流电动机总容量的2 0 3 0 ，他们的节能就具有非常重要的意义。对于 武汉理丁大学硕士学位论文 一些在低速运行的恒转矩负载，如传送带等，变频调速也可节能。此外，原有 调速方式耗能较大者，如绕线转子电动机等，原有调速方式比较复杂，效率较 低者，如龙门刨床等，采用了变频调速后，节能效果也很明显【2 4 1 。 ( 2 ) 变频调速在电动机运行方面的优势 变频调速很容易实现电动机的正、反转。只需要改变变频器内部逆变器的 开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问趔3 1 1 。 变频调速系统启动大都是从低速区开始，频率较低。加、减速时间可以任 意设定，故加、减速过程比较平缓，启动电流较小，可以进行较高频率的起停 1 3 2 1 。 变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能 量消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附近， 投资较大。变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一 个直流电压，进行制动，而无需另加制动控制电路。 ( 3 ) 以提高工艺水平和产品质量为目的的应用 变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、 卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。它可以提高企业的成品率， 延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，有的甚至 可以改变原有的工艺规范，从而提高了这个设备控制水平。 变频调速是以变频器向交流电动机供电，并可以构建开环或闭环系统。变频 器可将原先固定电压及频率的交流电源转换为可调电压和可调频率的交流电 源，变频器已经成为现代交流调速的核心部件。目前变频器正向着p w m 型变 频器和多重化技术方向发展，交交变频器在低速大容量系统中的应用有着明显 上升的趋势。从2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初开始，由于电力电子器件的飞速发 展，变频技术的不断完善，使得变频器性能得到大幅度提升，同时交流电动机 的控制技术也在逐步提高，由于这些因素，促使现代交流调速达到了很高的水 平【2 4 】【3 2 】【3 7 】。全数字控制方式的软件功能不但考虑到通用变频器自身的内在性 能，而且还融入了大量的使用经验和技术技巧，使得通用变频器的可靠性，可 使用性，可维修性得以充实。由于通用变频器具有调速范围宽，调速精度高， 动态响应快，运行效率高，功率因数高，操作方便且便于同其他设备接口连接 等一系列优点，所以应用十分广泛，社会效益非常显著。 应用变频调速来控制球磨机的转速，可以构建闭环控制系统，实现无级调 武汉理工大学硕士学位论文 速，根据磨料的运动规律实时调节系统的转速，使球磨机始终运行在最大出力 点，磨料的撞击频次最高，从而使球磨机的工作效率极大的提高。 1 5 课题的来源、目的和主要内容 本课题是基于国家自然科学基金项目中复合润滑纳米粉体制备要求所开展 的研究，研究目的在于探索提高复合润滑粒子体的研磨效率。主要工作包括： ( 1 ) 、在球磨机中的运动规律的研究； ( 2 ) 、研究相应提高研磨效率的速度调节规律； ( 3 ) 、实现上述规律的变频控制调速系统的控制原理图； ( 4 ) 、电气控制策略的硬件实现； ( 5 ) 、相关软件程序的编制。 拟解决的关键问题： ( 1 ) 、超微纳米材料在研磨机中的运动轨迹的确定； ( 2 ) 、变频控制电路的设计； ( 3 ) 、相关软件程序编制。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第二章新型偏心式行星球磨机动力学及仿真分析 研磨是粉末制备工艺中耗时最长、生产率最低的一个工序。在研磨时，有 四种力作用于颗粒材料上，即冲击、磨耗、剪切以及压缩。冲击是一个颗粒体 被另一个颗粒体瞬时撞击，这时，两个颗粒体可能都在运动，或者一个颗粒体 是静止的。磨耗是由于两物体问的摩擦作用产生磨损碎屑或颗粒。当材料脆弱 和耐磨性极低时，要优先注意这种研磨力。剪切是将颗粒切割或劈开，通常它 楚与其它形式的力结合在一起的。剪切使用切断法将颗粒断裂成单个颗粒，而 同时产生的细屑极少。压缩是缓慢施加压力于颗粒体上，压碎或挤压颗粒材料 f 2 】【3 】【4 】。 影响球磨机生产能力的因素很多，归纳起来主要如下： 1 ) 球磨机转速；在不同的简体转速下，研磨体的运动规律可简化为三种 基本形式。一是转速很低时，主要以研磨的方式对物料进行细磨。由 于研磨体的动能不大，碰击力小，研磨效率极低；二是转速很高时， 研磨体受惯性力的作用随简体一起回转，对物料不产生碰击作用，主 要靠摩擦，球磨效率极差；三是转速适宜时，研磨体随简体转动到一 定位置后脱离筒壁，物料收到撞击、摩擦作用而粉碎，其粉碎效率最 高。 2 ) 研磨体的装载量：加入的研磨体多，则在单位时间内物料被研磨的次 数就愈多，球磨效率就高，但也不能过多，否则占去球磨机的有效空 间，反而降低了球磨效率。 3 ) 粉磨物料的种类、物理化学性质( 如粒度、黏性、硬度、温度、水分 和颗粒形状等) 、粉磨粒度要求。 4 ) 磨机的结构形式、规模、舱位划分、内衬和隔仓板使用情况，简体转 速。 5 ) 研磨体的种类、形状尺寸和级配、装填程度。 6 ) 加料的均匀性和磨内的装填程度。 7 ) 粉磨方法和操作条件。如千法或湿法；开路或闭路；湿法磨中的料、 水、球比例；干法磨内通风情况；闭路粉磨时的循环负荷率；选粉机 使用情况和选粉效率等。 8 ) 是否加入助磨剂。 目前尚无完整的生产能力理论计算公式，通常都是根据实验，采用半经验 理论法或经验法计算。 这部分主要从新型行星式球磨机的机械结构着手，由于研磨效率与磨球的 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 动力学有关，因此，球磨机的研磨效率可通过对研磨工程中磨球的动力学规律， 磨球的运动轨迹、研磨体脱离筒壁的条件以及球磨机结构参数、偏心e 对研磨 效率的影响等方面的研究进行综合考虑。 2 1 行星式球磨机结构与转速 新型偏心式行星球磨机是通过在常规的球磨机自转与公转轨迹中增加的偏 心机构而实现的，其结构如图1 所示。图中调速电机1 通过皮带传动将动力传 递给转盘5 ，转盘5 上对称布置有若干球磨筒6 ，每个磨筒的中心转轴都与转盘 5 构成回转副，并且转轴的下部固联有行星轮4 ，磨简相对行星轮有一定的偏心 e ，行星轮4 与太阳轮啮合。当调速电机启动后，转盘5 便会转动起来，同时球 磨筒6 开始作行星运动。这种行星式偏心球磨机呈立式，各旋转体的轴心线都 与地面相垂直。行星轮不仅因牵连运动而作公转，而且还要绕自身轴线作相对 转动。 图2 1 偏心式行星球磨机示意图 每个磨筒均环绕着各自的轴转动，自转角速度为w 。，各磨筒的轴则绕着与 其平行的转盘的中心轴做圆周运动，由于偏心e 的存在，磨筒上各点与轴的距 离不同，所以各点的绝对加速度也不相同。磨球在磨筒绕轴旋转一周的过程中， 速度在不断的发生变化，这个加速度对于打破粉碎一团聚的可逆平衡，使粉碎 向物料粒度更细的方向进行至关重要，可以极大的提高球磨机的研磨效率。 基于行星轮系角速度表达式，可得磨筒的绝对角速度： k 一( 1 + 鲁) w 5 一( 1 + i ) w 5 ( 2 1 ) 其中j 堡 d 4 式中恍，w 6 分别为转盘5 ，磨筒6 的绝对角速度；d ，d 。分别为太阳轮3 ， 行星轮4 的计算直径。显然，在上式中1 4 。与太阳轮与行星轮的直径或齿数之比值， 武汉理工大学硕士学位论文 转盘的速度有关，而未反映出偏一6 , e 的影响。 从式( 1 ) 不难看出，行星轮4 即磨筒6 的转速不仅与转盘5 的转速有关， 而且也跟d ，d 。的比值有关，这是行星式球磨机的显著特点之一。 2 2 偏心式行星球磨机动力学分析 为了简化分析过程，对具有偏心的行星轮系作如下三点假设： 1 1 研磨体在磨机简体内作理想的平面循环运动。因为磨筒的旋转速度很高， 实验室用磨筒的直径又比较小，所以磨球脱离筒壁时候的垂直高度到再次 与筒壁接触的垂直高度之间的差距很小，相对于筒高来说可以忽略不计， 所以可以忽略重力的影响，认为磨球只在与转盘平行的平面内做圆周运动： 研磨体脱离筒壁以后为抛射运动。在卧式球磨机中，磨球脱离筒壁以后在 重力的作用下以脱离速度为初始速度做抛射运动，而在立式球磨机中，磨 球在脱离筒壁以后，在垂直方向上受到重力的影响，而在水平方向上只有 来自物料及其磨球对它的碰撞阻力，从图2 的模型来看，磨球在脱离简壁 以后与筒壁有一定的距离，而大部分物料都是贴着简壁旋转，而且物料的 颗粒很小，对磨球的撞击力也很小，所以来自物料的撞击力可以忽略，脱 离筒壁的磨球都是向一个方向运动，速度也相差不大，所以来自磨球的撞 击力也比较小，因此可以认为磨球在脱离简壁以后做近似圆周的抛射运动： 3 ) 在研磨过程中，研磨体作为独立的运动体不受筒壁及其它介质摩擦阻力的影 响。如在假设2 中叙述的，磨球在脱离筒壁后来自物料和磨球的撞击力很 小，在脱离筒壁之前，由于每个磨球与简壁没有相对运动，所以没有来自 磨球的撞击力，只有来自物料对磨球的撞击，物料相对于磨球，颗粒很小， 撞击力也很小，所以可以忽略，因此对磨球的主要作用力来自研磨系统在 公转以及磨筒在自转过程中产生的离心力。 图2 2 研磨体层示意图 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 研磨体运动学方程 基于以上三点假设，磨球可作为磨机简体内运动的“质点系”，取其外层的 一个研磨体作为质点来分析，磨球与磨机筒体直径相比很小，因此，可认为磨 球在脱离筒壁之前磨球中心与简体内壁的圆周线速度相同。 在一般情况下，考虑行星轮系的偏心e ，且基于假设条件( 1 ) ，忽略重力对 磨球运动的影响，磨球受力f 为： 乒一瞰+ 6 ，+ 嚷+ 肌f 粤 ( 2 2 ) a r m 式中： 瞰由公转引起的离心力，g 一m w ；f - m w ；f ： o ，由自转引起的离心力，g ，一m w 2 r ，m - m w ；, 5 _ ，w m 和w 6 , 5 是磨筒 6 相对于转盘s 的相对角速度： 秀由公转，自转共同引起的哥氏力，反一2 m m ，r ；2 r e w e 5 ； 哥氏加速度是哥氏力的来源，哥氏加速度是由于质点不仅作圆周运动，而且也 作径向运动或周向运动而产生的。当牵连运动为匀角速度定轴运动时，哥氏 加速度的大小为； a t - 2 w s i n o 方向：垂直w 与k 所组成的平面： 指向：按右手螺旋规则判断。 ( 1 ) 当w 上时，a t 一2 w r ，唧的方向就是把r 顺w 转向转 过9 0 0 的方向，如图2 3 所示； ( 2 ) 当w 时，a 。- 0 ； ( 3 ) 当w - 0 ，口。- 0 即牵连运动为平动情况。 哥氏力则按下式计算： g k = 2 m w v , s i n o 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 哥氏力计算 第四分量由公转的速度变化引起，当w 。恒定时，该分量为零。 磨筒内磨球的受力情况如图2 - 4 所示： 由图3 及( 卜2 ) 式可以看出哥氏力g 。不论磨球处于任何位置，都指向磨 筒中心，起到使磨球脱离筒壁的作用，由自转引起的离心力6 ，沿着磨筒中心轴 o 。指向筒壁，使研磨体贴紧筒壁，阻碍磨球脱离筒壁，由公转引起的离心力最 沿着转盘中心么指向磨球，磨球在i i 、象限时哦指向磨筒中心，促使磨球 脱离筒壁，是磨球脱离筒壁的动力，而当磨球在i 、象限时，最则指向筒壁， 阻碍磨球脱离筒壁，是磨球脱离筒壁的阻力。 磨球紧贴筒壁随着筒壁起旋转时，与磨筒内大部分物料的速度、运动轨 迹相同，所以很少与物料发生碰撞，对物料的研磨作用很小，为了使磨球对物 料起研磨作用，提高球磨机的研磨效率，必须使磨球在适当位置与筒壁相脱离， 并能向另一侧撞击。 磨球与筒壁脱离的条件是： g rc o s t z + 瓯g ， w 2 1c o s a + 2 w 5 w 6 5 候5 0 由相对角速度关系，磨筒6 相对于转盘5 的相对角速度为： w 6 52w 6 一w 5 则有 蛔s 口冰鲁1 ) 2 一哦= 摊一1 ) 2 1 】，m 此式反映了脱离点的位置，从此式可以看出：研磨体与筒壁脱离的条件与 太阳轮3 ，行星轮4 ，磨筒半径r ，偏心距e 的结构尺寸有关，而与转盘5 的转 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4磨球受力分析 速无关，只有在球磨机的机械结构满足上述条件时，磨球才能在适当的位置脱 离筒壁，从而起到研磨作用。 综合以上表达式，得出研磨体脱离筒壁时的临界条件： l c o s a ；【( i 一1 ) 2 一a l r ( 2 3 ) 这一关系式说明一旦偏心式行星球磨机的结构尺寸已定，磨球开始脱离筒 壁的位置是一定的，这一结论反映了行星式高能球磨机的特点。因此，偏心式 行星球磨机中磨球与磨筒的脱离点决定于设计而不在于人们在操作过程中的调 速。事实上调速的目的一方面是调节磨球的撞击惯性力的大小，因为惯性力的 大小与转速的平方成正比，因此，转盘转速的提升将使得磨球的撞击力迅速增 大，以对粉体产生强烈撞击；另一方面，转盘转速的提升可增加磨球对物料的 撞击频率，在偏心式行星球磨机中要比在普通球磨机巾提高撞击力十几倍甚至 武汉理工大学硕士学位论文 几十倍。丽在撞击频率上更为明显，普通球磨机中磨球的撞击频率一般不过1 2 次s ，而在偏心式行星球磨机中因转速不影响磨球和磨筒的脱离，因此尽可 以提高。影响撞击频率的主要因素是磨筒转轴的承载能力。现有高能球麟机的 转轴璺悬臂梁支承，且与转篱闻速转动，转轴根部弯曲应力大丽又为交变性旗， 过藉的撞击频率意昧着转轴应力及循环次数都增大，易于疲劳断裂，故一般的 偏心式行星球磨枧撞击频率约为1 0 - - 1 5 次熔。 此外，磨球脱离筠壁霸，由于并不象普通球磨机那样在筒内空间作抛落运 动丽是贴附予筒底擦动，因此其运动受到筒底的相对零连，从藤g i 起一相对哥 氏加速度，这样便又引起一相对附加惯性力。由于上述牵连惯性力、相对惯性 力、附加惯性力、相对附加惯性力以及磨球与篱赢的摩擦力弼射出现，使得癫 球在磨筒内的运动规律十分复杂，确切的运行轨迹不易求得，健这种复杂的运 动方式，以及瘗球相对于筒底运动( 既有滚动也商滑动) 时对粉体的强烈碾压及搓 擦作用，更有利于提高研瓣能力。 上述只是就假定单个磨球豹运动学、动力学进行了分析，丽事实上筵内一 定数量大小不同的磨球以及待磨粉精的运动规律要复杂得多，但我们仍可以从 上述对单个磨球的运动学与动力学分析褥出偏心式行星球磨搬的工作能力。 2 2 2 研磨体运动的脱离点轨迹 研磨体运动的基本方程式( 2 3 ) 虽然是研磨体在理憋状态下推导如来的， 由于此式综合了影响研磨体运动的参数，因能有着普遍意义。所以式f 2 3 1 可以 认为是计算磨球脱离点轨迹曲线方程式，在图3 所示的坐标系中，将式( 2 - 3 ) 转换为脱离点曲线的一般形式： d c o s 0 + ( 1 一f ) 2 k 一0 由几何关系可得： r m e c o s 0 + 石( 7 忑巧 结合以上两式，消去口，令a - - 垦等，得到关于起始角声、偏心# 的函 d 4 。一 数： ( 1 4 e a c o s f l + 如2 a 2 ) 蠢+ 【2 ( 1 2 e 叫c o s # ) ( e 2 一r 2 ) 一4 e 2s i n 2 】+ 0 2 一r2 ) 2 。0 其中b ；e 2 一r 2 要此方程在实数范围肉有解，必须： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 a e 2s i n2 启+ 2 4 丑e c o s 芦一b a2 b2 0 由于0 5e r ，所以0 a sr2 ，在l c o s f l f l e = r 时取最小值0 ，当 c o s f l = a e 一竺一0 时，a 取最大值r2 ，解方程有： ：2 e 2 s i n z f l - b + 肖2 a 1 b e c o s f l + 2 e l s i n f l 一、a ( 2 4 ) ” 1 + 4 4 2 e 2 4 e c o s 矗 。 ( 2 - 4 ) 式反映了研磨体在不同的偏心e 、起始角卢时脱离点的位置方程式。 此式是理想状态的表达式，但由于球磨机在运转的过程中，0 6 0 。与x 轴的夹角 6 值为： 8 - p 年w d 一母+ 0 + i ) w s t p + c w s t 其中c - 1 + i ，这种等效分析过程使式( 4 ) 所表示的脱离点位置具有动态特征， 适于磨球的动态过程分析。 关于声的动态方程为： r 2 。2 e 2 s i n 2 d - b _ + 2 万a b r e c o s 6 + 2 e l s i n 6 1 - 一瓜(25，1 4 a 2 e 2 4 e a c o s 6 2 3 偏心e 对研磨效率的影响 在仃星球磨口l 中，研厝体具有的能量大部分来自于动能，研蘑体脱离时具 有的动能为： e 一；m ；m 眠 ) z 。望州2 _ 2 ( 2 - 6 ) 基于前面的兰点假设，单个研磨体对物料的撞击频率： ，。监。坚监(2-7)2 。 a t扔 为了求出研磨体的粉碎功率，郧单位时间内研磨体对物料的粉碎功。先求 出单个研磨体的研磨功率： n ；e ， 将( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 式带入，整理后得： = 去m 嵋( ( 2 一f ) 瓜) 22 4 ：r 卅r m ： ( 2 _ 8 ) 其中 ，卅，一一磨球脱离点处的等效半径，大小为 。( ( 2 一f ) 仃) z ；( f 一1 ) ( 2 一矿2 e 2 s i n23-b+，2,4becos3+2esing伍 1 + 4 2 e 一4 e a c o s l 5 武汉理工大学硕士学位论文 由式( 2 - 8 ) 可以看出，单个磨球的粉碎功率与磨球的质量，转盘转速的立 方，磨球临界脱离处等效半径的平方成正比。所以，为了提高球磨机的研磨效 率，要在许可的条件下使电机工作在最大转速，并且要选择合适的球磨机结构 参数，偏心距e ，使磨球在临界脱离点的等效半径最大。从此式还可以看出， 从动力学角度来说，l 5 1 , 2 时，单个磨球的研磨效率最低，可以认为是球磨机 的死点，在工程中应该尽量避免这种情况的出现。 2 4 球磨机动力学仿真 2 4 1 仿真分析中m a t l a b 的应用 由磨球的研磨效率公式n 一圭朋，；( ( 2 一f ) 圻一h ) 2 一亡脚m 3 0 2 ，可以看出， o t j r k 磨球研磨效率与转盘转速的立方成正比，而与等效半径的平方成正比，为了提 高球磨机的研磨效率，要在许可的条件下使电机工作在最大转速，并且要选择 合适的球磨机结构参数，偏心距e ，使等效半径最大。为了求出在特定的电动 机转速下最大的等效半径，利用计算机仿真是一种既快捷又可靠的方法。 八十年代以来，计算机仿真成为交流电机及其调速系统分析，研究和设计 的有利工具。应用计算机的仿真技术，我们可以用软件建立起实际的电机及其 传动、控制的仿真模型，再以这个模型在计算机内人为模拟的环境或条件下的 运行研究，替代真实电机在实际场合下的运