（机械电子工程专业论文）高分子粒料研磨装置关键技术的研究.pdf

s t u d i e so nt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h eg r i n d i n gd e v i c e f o rt h ep o l y m e rp a r t i c l e s b y l i u d o n g k u i b e ( h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n m a c h a n o - e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g i n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl o n gc h u n g u a n g m a y , 2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：立1 幅龛 日期：z p 刀年6 月，6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：；1 静奄 日期：2 。7 年乡月占日 导师签名：黝 日期：小i j 年多月拍 摘要 共混改性是获得高性能高分子复合材料的有效方法，然而其前提条件 是各种物料必须得到充分均匀的混合，因此将原料中的粒料研磨成微细 粉末十分必要。论文针对高分子粒料研磨装置的关键技术，主要开展了 以下几个方面的研究： ( 1 ) 分析了高分子粒料的研磨机理，在特定假设情况下对单个粒料 进行受力分析和计算。通过a n s y s 软件进行建模与仿真，其结果验证了 受力分析的正确性。 ( 2 ) 设计了一种新型的锥形研磨装置，运用力学计算确定了其主要 结构尺寸，重点针对动静磨盘的齿形截面和螺旋线纹路走向进行了研究， 得出了两者的最佳组合。 ( 3 ) 将静磨不同齿形截面和动磨螺旋锥角的不同组合方式在p r o e 环境下进行建模装配、并导入a d a m s 进行动力学仿真，其结果证明了 结构设计的合理性。 上述研究为弹塑性材料研磨装置的优化和创新打下了基础，具有一 定的理论意义和实际参考价值。 关键词：高分子粒料；研磨机理；研磨装置；仿真 a b s t r a c t b l e n dm o d i f i c a t i o ni sa ne f f e c t i v ew a yt oo b t a i np o l y m e rc o m p o s i t e so f h i g hp e r f o r m a n c e h o w e v e r ，i t sp r e r e q u i s i t ei s t h a ta l lk i n d so fm a t e r i a l s m u s tb em i x e ds u f f i c i e n t l y t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt og r o u n dt h ep a r t i c l e s o ft h er a wm a t e r i a li n t o f i n e p o w d e r i n t h i s p a p e r ，t h ef o l l o w i n g i n v e s t i g a t e sh a v eb e e nd o n eo nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h eg r i n d i n gd e v i c e f o rp o l y m e rp a r t i c l e s ： ( 1 ) t h eg r i n d i n gm e c h a n i s mo fp o l y m e rp a r t i c l e sh a sb e e na n a l y s e d t h es t r e s sa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h es i n g l ep a r t i c l eh a v eb e e nc a r r i e d o u tu n d e rp a r t i c u l a ra s s u m p t i o n t h ea c c u r a c yo ft h es t r e s sa n a l y s i sh a s b e e nv a l i d a t e db ya n s y sm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ( 2 ) an e wt y p eo fc o n e - s h a p e dg r i n d i n gd e v i c eh a s b e e nd e s i g n e d ， w h o s es i z eo ft h em a i ns t r u c t u r eh a sb e e nd e t e r m i n e db ys t r e s sc a l c u l a t i o n t h et o o t hs e c t i o na n ds p i r a lt r a c ko fb o t ht h ed y n a m i ca n ds t a t i cg r i n d i n g d i s c sh a v eb e e nm a i n l ys t u d i e d ，t h eb e s tm a t c ho fw h i c hh a sb e e no b t a i n e d ( 3 ) t h ed i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so ft h et o o t h s e c t i o n o ft h es t a t i c g r i n d i n gd i s c a n dt h es p i r a lb e v e la n g l eo ft h ed y n a m i co n eh a sb e e n m o d e l e du n d e rp r o e ，t h e ns i m u l a t e du n d e ra d a m s ，w h i c hs h o w st h a tt h e d e s i g ni sa v a i l a b l e t h ea b o v es t u d i e sc o u l dc o n t r i b u t et ot h eo p t i m i z a t i o na n di n n o v a t i o n o f t h eg r i n d i n gd e v i c ef o re l a s t i c - p l a s t i cm a t e r i a l s ，w h i c hh a v ec e r t a i n t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lr e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d s ：p o l y m e rp a r t i c l e s ；g r i n d i n gm e c h a n i s m ；g r i n d i n gd e v i c e s ； s i m u l a t i o n n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义1 1 2 磨粉机研磨装置研究现状2 1 3 本课题的构思和主要工作5 第二章高分子粒料研磨机理研究 2 1 高分子材料破坏分析7 2 2 应力与应变9 2 2 1 应力9 2 2 1 应变10 2 3 粒料研磨力学分析1l 2 3 1 粒料受力分析1l 2 3 2 剪切力的计算1 2 2 4a n s y s 仿真分析1 4 2 5 本章小结l8 第三章研磨装置结构设计 3 1 研磨装置工作原理2 0 3 2 锥形磨盘的设计2 l 3 3 锥形磨盘锥角的设计计算31 3 4 磨盘驱动电机的选择3 2 3 5 本章小结3 3 第四章基于a d a m s 的研磨装置结构优化设计 4 1a d a m s 简介3 4 4 2 运动学和动力学方程j 3 5 4 2 1 运动学方程3 5 4 2 2 动力学方程3 6 4 3 动力学仿真模型3 9 4 3 1 虚拟样机建立流程39 4 3 2 装配模型导入4 0 4 4 虚拟样机仿真4 2 4 4 1 研磨装置模型的建立4 2 4 4 2 仿真结果和数据总结4 3 4 5 本章小结4 9 第五章总结与展望 5 1 总结5 0 5 2 展望5 0 参考文献5 2 致谢5 5 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文) 5 6 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着我国经济和技术的飞速发展，各行各业的高新技术产品不断涌 现，材料的纯度和细度对于开发高新技术产品来说，显得非常重要。高 纯度、超细粉体具有磁性、电性以及降低材料熔点和烧结温度等其它一 些新的功能。近二十年来，粉体行业在我国经历了从无到有，从少到多， 从小到大的过程，有了长足的发展，能加工的物料种类越来越多，行业 不断推广扩大，使得整个行业呈现井喷式的发展景象。中国粉体行业现 如今已成为一个跨行业、跨学科的大产业。全国粉体行业总产值已占到 第一、二产业总产值的一半以上，正如中国粉体工业协会理事长胡荣泽 教授指出：“粉体工业由于它的广泛性、实用性和前沿性，对整个国民经 济发展具有十分重要的战略地位。作为一种新的材料它广泛应用到塑 料、粉末冶金、建材、工业陶瓷、磁性材料、钢铁、医药、颜料、化妆 品、生物工程等现代工业中。因此，研究高纯度、超细粉体的生产设备 显得尤为重要。 粉体的制各方法有化学法和物理法两种。化学法制成的粉体具有纯 度高、粒度分布范围窄、粒料形状容易控制等优点，但其工序复杂、工 艺要求严格、制造成本较高，至今未能大规模的应用于现代工业化生产 中。物理法主要采用机械力对物料进行粉碎研磨加工，尽管其加工出的 产品存在粒度不均匀、纯度较低等缺点，但其以适用范围广、加工过程 简单、生产成本低等优点，仍然成为现代工业中主要加工粉体的方法。 磨粉就是施加机械力来破坏物料的内聚力，将数毫米的粒料粉碎为 0 15 r a m 以下的微粒过程。 材料是人类社会发展的里程碑，是高新技术发展的基础。高分子材 料因其重量轻，易加工、高性能和低价格而备受青睐【2 】。现代经济与技 术的发展，对材料的要求越来越高，且日益多样化。往往希望材料高强、 高韧；耐高温、易加工成型；持久耐用、价格低廉；同时具有抗静电或 散热或隔音降噪等特殊功能。显然单一聚合物材料难以达到这些要求， 因此对聚合物进行改性、复合成为高分子材料高性能化和功能化的重要 途径，要对聚合物进行改性，就离不开材料粉末，因为粉末状的材料能 使原料混合的更加均匀，这样制造出的新材料性能才更加优越。作为粉 体制备的主要生产设备之一，磨粉机得到非常广泛的应用，涌现出一大 批诸如雷蒙磨、高压微粉磨、w p s 磨和磨辊机等为代表的磨粉机，要想 使磨粉机能产出高纯度超细粉体，磨粉机核心部件一研磨装置的设计显 得至关重要。 1 2 磨粉机研磨装置研究现状 ( 1 ) 以雷蒙磨为代表的研磨装置 雷蒙磨主要由固定不动的底盘和作旋转运动的磨辊组成。在底盘的 边缘上有磨环。磨辊绕垂直轴旋转时，由于离心力作用紧压在磨环上， 磨辊除了有被主轴带动绕磨机中心线作旋转的公转运动外，还有由于磨 环和辊子间的摩擦力作用而产生的绕磨辊轴中心线旋转的自转运动【3 】。 物料在磨辊与磨环之间受到挤压和研磨作用而被粉碎。 如图1 1 所示，雷蒙磨有底盘6 ，其边缘上为磨环1 ，底盘中间装有 空心立柱8 ，作为主轴的支座。主轴9 装在空心立柱的中间，由电动机通 过减速器再经联轴器带动主轴旋转。主轴上端装有梅花架7 ，梅花架上有 短轴4 ，用来悬挂磨辊3 ，使磨辊能绕短轴摆动。磨辊中间是能自由旋转 的辊子轴5 ，轴的下端装辊子2 。每台磨机共有3 6 只( 常为4 只) 磨辊， 沿梅花架四周作等距离排列。 1 一磨环2 一辊子3 一磨辊4 一短轴5 一辊子轴 6 一底盘7 一梅花架8 一空心立柱轴9 一主轴 图1 1 雷蒙磨研磨装置示意图 2 ( 2 ) 以高压微粉磨为代表的研磨装置 高压微粉磨的研磨装置与雷蒙磨非常相似，只是在每个磨辊上多安 装了一个加压弹簧，其结构见图1 2 。拉力杆均布于梅花架上，压力弹簧 靠拉力杆紧紧地压在磨辊轴承室的悬臂外端，以短轴为支点，靠弹簧压 力使磨辊紧紧的压在磨环内圆表面上。正常工作时，磨辊在磨环内圆表 面滚动的同时绕自身轴自转，进入磨辊和磨环之间的物料被碾压研磨成 细粉。 享 一，1 3 7 弋弋彦4 冉；6l 8 fli l l l l l 、，1 1 、- 9 l 一磨环2 一辊子3 一磨辊4 一短轴5 一辊子轴6 一底盘7 一梅花架 8 一空心立柱9 一主轴10 一加压弹簧1l 一压板12 一螺母l3 一拉力杆 图1 2 高压微粉磨研磨装置结构示意图 ( 3 ) 以m p s 磨为代表的研磨装置 4 l 一磨辊2 一磨盘3 一主轴4 一压板 5 一加压弹簧6 一调节螺母7 一拉杆8 一液压缸 图1 3m p s 磨研磨装置结构示意图 m p s 型( 含z g m 型) 磨在国外炼钢高炉上应用较为广泛，其改进的类 型也较多，但基本的研磨装置都一样，如图1 3 所示。 工作时，物料落到旋转的磨盘上，在离心力的作用下甩入到磨盘的 磨槽内研磨，其加载是靠加压弹簧和液压缸，磨辊所受的压力可做较大 范围内的调整。但由于磨辊和磨盘直接接触，磨辊磨损较大，但制粉效 率较高，可磨制相对较硬的物料。其缺点是磨机启动前需加底料，底料 太多，磨辊在磨道上起伏太大，引起振动；底料太少，磨辊和磨盘直接 接触，增加磨损【4 】。 ( 4 ) 以辊压机为代表的研磨装置 辊压机是一种对磨辊施加高压力进行挤压研磨的粉磨设备【5 l ；辊压机 研磨装置如图1 4 所示，主要依靠两个水平安装且同步相向旋转的挤压辊 进行高压料层粉碎。被封闭的物料层在被迫向下移动过程中多受挤压力 逐渐增至足够大，直至被粉碎且被挤压成密实料饼从机器下排出。这种 料饼机械强度很低，手捻即碎，广泛使用于研磨较脆或硬度不高的材料。 图1 4 辊压机研磨装置 ( 5 ) 存在问题 目前大多数磨粉机研磨装置都是针对石灰石、大理石等较硬颗粒的 研磨，硬颗粒的特点是在研磨过程不会发生弹性形变，主要采取以雷蒙 磨为代表的研磨装置进行生产，直接靠磨辊和磨盘间强烈的挤压和旋转 而磨碎；也有少部分是针对诸如小麦、玉米等粮食类物料加工的磨粉机， 这些颗粒虽然是柔性的，会发生弹性形变，但强度很低，采用以辊压机 4 为代表的研磨装置即可碾碎；高分子粒料( 如a b s 、p c 等) 在研磨过程 中既会因受压的影响产生弹性形变，且本身的硬度也较高，若采用诸如 雷蒙磨、辊压机的研磨装置，仅靠研磨和挤压，效率非常低，故要考虑 采用一种新型的磨盘结构，使其不会局限于挤压和研磨，还可以采用其 他方式( 如剪切) 来使其破坏，故本文设计一种新型的利用剪切来破碎 高分子粒料的研磨装置。 1 3 本课题的构思和主要工作 磨粉机研磨装置种类虽然很多，但针对不同的目标粒料应该选择不 同的研磨装置，由于高分子粒料具有一定的韧性和塑性，所以高分子粒 料研磨装置的设计必须满足以下几个方面的要求：一是能将高分子粒料 研磨成具有一定粒度的粉末；二是满足零部件的强度要求，安全可靠； 三是合理的结构，生产制造简单易行；最后要适用面广，不同分子结构 的塑料( 如p v c 、p p 、a b s 、p s 、p a 、p c 、p e 等) 均可磨制。 本课题针对高分子材料的研磨破碎机理进行分析，在此基础上设计 了一种新型的高分子粒料锥形磨盘研磨装置，研磨装置包括动磨和静磨 两个部分，通过设计动静磨的齿形与良好的纹路走向相互配合对磨内物 料施加强大的挤压和剪切力，粒料在顺着锥形磨盘向下运动的过程中被 剪碎和磨碎，达到目标粒径大小后被排出磨外。 文章主要工作如下： ( 1 ) 分析了高分子粒料的研磨机理，阐述了高分子材料的破坏过程 以及影响破坏过程的因素。在特定假设情况下对研磨装置中单个粒料进 行受力分析，计算出在特定情况下破坏高分子粒料所需要的施加的荷载。 在a n s y s 软件进行建模并施加响应的荷载进行仿真，其结果验证了受力 分析的正确性，同时也证明了研磨装置的设计思路的合理性。 ( 2 ) 针对高分子粒料研磨机理设计了一种新型的锥形研磨装置，根 据粒料在研磨装置中三种不同的运动状态进行力学计算，并根据设计需 要确定了其主要结构尺寸和所选用的材料，重点针对研磨装置关键技术 动静磨盘中的齿形截面和螺旋线纹路走向进行了研究，基于最有效的研 磨方式得出了两者的最佳组合。 ( 3 ) 将研磨装置关键技术中静磨齿形截面和动磨螺旋锥角的不同组 合方式在p r o e 环境下进行建模装配，并根据步骤将模型通过a d a m s 的 5 数据接口导入，在a d a m s 环境中施加相应的约束和荷载后进行动力学 仿真，通过对比分析仿真结果选择最佳装配组合，同时也得出组合的不 足，并针对不足之处进行结构优化改进，重新建模仿真，仿真结果验证 新结构设计的合理性，满足设计的需要。 ( 4 ) 最后，对设计的磨粉机研磨装置的优缺点进行归纳总结，对设 计过程中遇到的问题以及将来磨粉机研磨装置的发展方向提出展望，对 以后高分子粒料研磨装置的优化和完善具有非常重要的指导意义。 6 第二章高分子粒料研磨机理研究 2 1 高分子材料破坏分析 一般来说，破坏现象是材料在外力和温度等因素综合作用下使材料 的内部产生损伤，进而导致宏观力学性能劣化以及最终断裂【6 1 。破坏过 程的本质是材料的微观和细观结构的不均一性和缺陷造成不同程度的损 伤( 包括微观损伤和细观损伤) ，这些损伤在力学过程中逐渐发展，最终 形成宏观裂纹，导致材料破坏，材料的破坏过程如图2 1 所示。 存在宏观缺陷 完好的结构材料l 矧载荷、环境等因素 微观缺陷 发展 形成 微细裂痕 微细裂痕 发展 微观 损伤 细观 损伤 宏观 缺陷 构成宏观裂 痕或空隙 宏观裂痕或 空隙发展 裂纹失稳或 塑性流动 材料断裂 图2 1 材料的破坏过程 由图2 1 可知，材料破坏行为的发展过程呈现空间尺度的层次性。可 以粗略地认为：微观损伤是l0 - 1 0 m 缺陷；细观损伤是l0 - 6 m 缺陷；宏观 缺陷是l0 - 3 m 上的缺陷。材料的破坏问题与损伤有着密切的内在联系。毫 米量级以上的宏观缺陷是由微观损伤和细观损伤扩展、聚集、演变而成， 即损伤是在载荷和温度的作用下由材料的微观结构和细观结构中的缺陷 而引起的性能逐步劣化的过程。材料不同，其损伤机理不同，而同一种 材料的损伤机理又因环境及受力状态不同而改变。材料损伤的发展与演 变是材料破坏的先兆【7 1 。 研究表明，高分子材料的破坏是一种非常复杂的过程，是由弥散分 7 布的微观损伤和细观损伤发展与汇合而成为宏观裂纹，再由宏观裂纹演 变至灾难性失稳扩展而断裂的过程【8 】，具有以下特征： 2 1 1 破坏过程是宏观与微观相结合的多层次过程 由于高分子材料结构的多层次性，决定了其破坏行为的多层次性和 复杂性，从原子、分子的微观水平上看，所有的高聚物都有强烈的各向 异性和不均一性【g 】，高分子的微观结构( 诸如分子链的结构、构型和构 象等) 中存在空穴、断链、位错等缺陷，造成了材料的微观损伤。如图 2 2 所示为微观损伤示意，包括分子链末端的凝聚体、树根没有缠结分子 链间的空穴、缠结的分子链、分子链束沿应力方向取向的部分等。当高 聚物受力时，结构中较弱的部分发生链断裂或链滑移，形成空穴。 细观损伤主要包括以下几种： ( 1 ) 由微观损伤发展与汇合形成的空隙、微裂纹等，细观损伤示意 如图2 3 所示。已经证实高分子材料一般都存在由微观损伤而产生的“固 有损伤 ，其长度约为10 。7 10 - 6 m 。 弱的醯陷 强的络梅 每溉l 。i i 镏x 图2 2 微观损伤示意图 一嘲 图2 3 细观损伤示意图图2 4 异质界面损伤示意图 ( 2 ) 多相体系材料中的异质界面，若界面强度较低，会发生沿界面 的脱开，异质界面损伤示意如图2 4 所示。沿界面的微观纹也可以拐出界 面，切入高聚物基体内部。 ( 3 ) 加工成型过程中由于工艺、机械、温度、湿度或各种物理化学 8 作用产生的银纹、瑕疵、微孔及其他缺陷等。 宏观裂纹是由微观与细观损伤进化发展而成，当宏观裂纹发展至一 定程度时，材料便最终破坏。 所以破坏过程是从微观尺度到宏观尺度跨越了约l0 7 数量级尺度的 过程，是一个集微观、细观和宏观相结合的多层次过程。 2 1 2 破坏过程具有松弛特性，对温度和载荷有较强烈的依赖性 高分子材料的力学行为有很大的温度依赖性和载荷依赖性，因此温 度和载荷是研究高分子材料力学性能中特别需要加以考虑的两个重要参 数。高分子材料这种黏弹特性使其破坏过程也较强烈地依赖于温度或载 荷，试验证明，破坏过程是一个随温度和载荷而发展并且涉及分子链连 续断裂的非平衡过程【9 1 。 2 1 3 破坏过程是逐渐发展的不可逆的耗能过程 高分子材料的黏弹性使其破坏过程具有非平衡的特性。这种不可逆 的非平衡过程包括分子链的连续不可逆断裂、断裂处或其附近的分子链 段运动相关的力学损耗和属性变形产生的不可逆能量损耗。这种逐渐破 坏过程将导致材料整体断裂。 2 2 应力与应变 2 2 1 应力 一般说来，将作用在材料上的外力统称为载荷( 或荷重) 。材料受载 荷的作用发生形变的同时，其内部产生反抗形变的内力，当形变稳定后 分布于某截面上的内力与截面之比称为应力。任一截面上的应力可分解 为法向应力( 正应力) 仃和切向应力( 切应力) f ，法向应力作用在截面 的垂直方向上，切向应力作用在截面的平行方向上。其单位为尝：尸口。 朋 实际应用中物体所受应力主要有两种，即法向应力和切向应力【1 0 1 。 计算应力时，其截面积为材料的起始面积。 法向应力 仃= ( 2 1 ) a f 切向应力 f = 竿 ( 2 2 ) 岛 式中，f 一法向载荷；层一切向载荷；4 一材料的起始截面积； 9 2 2 1 应变 绝对的刚性材料是不存在的，因此材料受载荷作用就要引起形变。1 。 形变的分解示意如图2 5 所示，图中表明：物体的形变总是可以分解成纯 体积形变( 体积改变) 和纯畸变形变( 形状尺寸改变) 。这些变化与其原 来的形状尺寸之比称为应变。应变表示相对变形，故是无量纲的。 ， ( a ) 纯体积形变( b ) 纯畸变形变 图2 5 形变的分解示意图 在纯畸变形变中，可分为长度的改变和角度的改变，即正应变和切 应变，如图2 6 ( a ) 和图2 7 ( b ) 所示。 ( a ) 正应变( b ) 切应变( c ) 体积应变 图2 6 应变类型 正应变( 也称线应变) 是指任一轴向上，每单位长度的伸长或缩短。 材料工程中常用表观应变1 2 】( 即伸长率s 或伸长比允) 表示。 s = 竽：竽 ( 2 3 ) 乇毛 、 a = = l + s ( 2 4 ) 式中，乇为材料原长度；，为材料拉伸后长度。 切应变( 也称角应变) 是指任意两个线段之间直角的改变，用y = t a n a 表示。 1 0 正应变伸长为正，缩短为负；切应变以使直角变小为正，反之为负。 纯体积形变是物体的体积收缩。图2 6 ( c ) 表示一个立方体在其每 个面上都受到相等的法向压缩力( p ) ，结果使立方体的每一个棱边缩短 而由此产生体积缩小，故体积应变( s 矿) 为： s ：一些 (25)v v - v o s = = 一一 iz ) j 式中，一形变前体积； v 一形变后体积； 在实际研磨过程中，高分子粒料在研磨装置内的研磨过程是一种非 常复杂的粒料运动剪切破坏过程，粒料的磨碎机理认为是粒料球体在锥 形磨盘内，由于动磨的旋转以及动磨和静磨齿形纹路的良好布置所施加 的挤压和剪切力的共同作用下而使粒料破碎。当然，研磨过程中会产生 大量的热量，但在设计磨粉机整机时可以采用很好的冷却措施如分别在 动磨和静磨中布置液氮管路进行冷却，也可以在研磨过程中向研磨区加 研磨液用来降温，然后在收集粉末时将成品料和水分离，最后将潮湿的 成品料烘干即可。因此本论文忽略温度对粒料的影响，只考虑研磨过程 中载荷对粒料的作用。 2 3 粒料研磨力学分析 2 3 1 粒料受力分析 将待磨料近似的看成球体，研磨装置最大进料半径为2 m m ，设定理 想出料为粒径10 0 日( 近似15 0b t m ) 的粒料，下面以一种理想状态下的 受力情况来进行研磨机理的计算和验证。 假定理想状态的受力情况如下：研磨装置内的粒料，由于动磨和静 磨齿形纹路的布置，近似将它看成固定于一个位置不发生滚动，受到一 个正压力和剪切力，考虑到研磨装置内齿形的布置情况，主要由剪切力 剪碎粒料，正压力只作为一个辅助的压力使球体固定在静磨的齿槽上不 发生滚动。但正压力会使粒料产生一定的变形，故不可忽略正压力的作 用，下面主要以正压力和剪切力进行计算，对粒料用平板施加一正压力 f = 10 0 0 n ，粒料在正方向上发生塑性变形，不考虑球体横向的体积变大。 考虑到粒料出料粒径为15 0 t m ，故施压一剪切力与距变形后球面顶点 l5 0 , u m 处进行计算，这样正好剪切掉的粒径即为1501 t m ，求出需要多大 2 3 2 剪切力的计算 如图2 7 ，物体受到正方向上一个f = 10 0 0 n 的压力，根据胡克定律【1 4 】： 叮= e s ( 2 6 ) 式中s 一正应变； e 一弹性模量( p a ) ； 假设粒料只在垂直方向上产生应变， 仃：e 占：e 笪：三 s ns o s ：一f 其他方向的应变近似忽略，故： ( 2 7 ) 式中f 一正压力( n ) ； & 一粒料发生应变前的与球体接触的面积( m 2 ) ； s 一粒料在受力后发生变化的面积( 册2 ) ； 代入数据得p c 粒料的正应变为s = 暑= z 篓等号= o 4 3 1 l o _ 6 班2 因为接触面是圆面，所以接触面的半径为：0 4 3 3 1 1 x 4 1 0 - 6 ：。3 7 1 。- 3 聊， 这时。司计算平板在正方向的位移为： l = r - 厢= 2 1 0 。3 一乙五万石j 了f 二i i 再丽= 2 1 0 。3 1 9 6 5 1 0 3 = o 0 3 5 1 0 句所 所以要使剪切力还能剪切o 1 5 x 1 0 。3 m 的粒料，剪切力作用的位置必须 位于距原球顶点o 1 5 x 1 0 3 + o 0 3 5 x 1 0 3 = 0 1 8 5 x 1 0 - 3 m 的位置，这时球体剪切面 的面积为： j = 7 r f l 2 = t g r 2 - ( ，一0 1 8 5 ) 2 ( 2 8 ) 将r = 2 代入公式得： s = 石e r 2 一r 2 + 2 0 1 8 5 1 0 - 3 r - ( o 1 8 5 1 0 。) 2 = 3 1 4 2 0 1 8 5 1 0 - 3 2 1 0 。3 - ( o 1 8 5 1 0 。3 ) 2 = 2 2 2 1 0 6 m 2 所以要使高分子粒料能被剪断，则必须满足： f ：幺t ( 2 9 ) 式中f ，一材料的剪切强度。 即力f 必须满足： f s t r( 2 1 0 ) 由于f ，随材料的不同而变化，如表2 1 列出几种常见高分子材料的性 能参数，考虑到磨粉机研磨的对象为高分子材料，p c ( 聚碳酸酯) 和 a b s ( 丙烯腈苯乙烯丁二烯共聚物) 分别属于高分子材料中硬度较高和较 低的两种粒料，具有代表性，其他材料硬度基本介于它们两者之间，下 面分别选用p c 、p a ( 尼龙) 和a bs 进行力f 的计算。 剪断p c 所需力f s c t = 2 2 2 x 1 0 - 6x 8 8 x 1 0 6 = 1 9 5 3 6 n ，同理可计算剪断 a b s 所需力4 9 3 2 3 n ；剪断p a 所需力2 3 3 1 n 。 2 4a n s y s 仿真分析 下面将上述假定情况建立模型，运用a n s y s 软件f l5 】对计算出的剪 切力f 进行仿真验证。由于磨料直径微小，支撑体可近似为一锥形容器， 将圆球体待磨料固定于锥形容器内，上面磨盘模拟压盘，对粒料施加一 正压力f ，侧面施加一剪切力f 。 2 4 1 粒料研磨几何模型的建立 粒料研磨的几何模型见图2 8 。通过查询a n s y s 帮助手册【16 1 ，在有 限元结构分析中，结构分析单元选用实体八节点六面体s o l i d 4 5 单元， 对粒料的理想受载情况的几何模型划分自由网格，从而生成粒料研磨的 有限元模型。 ( a ) 模型划分网格图( b ) 锥形容器剖切图 图2 8 粒料研磨的几何模型 图2 9 为s o l i d 4 5 单元的尺寸结构示意图。当采用s o l i d 4 5 对几何 模型划分映射网格时，单元的形状为正六面体形状；当采用s o l i d 4 5 对 几何模型划分自由网格时，单元的形状可能为正三棱柱和四面体1 7 】。 1 4 2 4 2 材料的属性 图2 9s o l i d 4 5 单元示意图 j t t t m h e f f a l 懒一 n 反f a 摊他日鑫鲥 在常温下，三种材料的材料属性值为恒值，三种材料的属性见表2 1 ， 但在实际加压和剪切的过程中，粒料的温度会逐渐升高，但只要采取行 之有效的冷却方式，温度是可以控制在一定的范围之内的，故此时不考 虑温度的影响。 2 4 3 粒料研磨的边界条件 粒料受到静磨齿形的约束，以及动磨给予粒料的压力和剪切力。在 粒料研磨的有限元模型中，约束静磨底面的x 方向、y 方向和z 方向。首 先考虑在各种粒料顶部施加10 0 0 n 的正压力，而侧边施加的剪切力根据材 料不同而各有不同。粒料研磨的载荷约束见图2 1 0 。 ( b ) 粒料所受10 0 0 n 正压力载荷图( c ) 粒料所受正压力和剪切力图 图2 10 粒料研磨的载荷约束示意图 2 4 4 粒料受动磨压力和剪切力作用的强度分析结果 1 5 萌赫皤 通过a n s y s 软件静力分析【18 1 ，得到了粒料受动磨正压力和剪切力 作用的等效应力。通过分析结果，可以得知：图2 1 l 显示a b s 粒料受正 压力和剪切力作用的最大等效应力为8 6 9 m p a ；图2 1 2 显示p a 粒料受正 压力和剪切力作用的最大等效应力为12 0 m p a ；图2 1 3 显示p c 粒料受正 压力和剪切力作用的最大等效应力为l0 3 m p a ： 图2 1 1a b s 粒料受正压力10 0 0 n 和剪切力6 0 0 n 作用的等效应力 图2 12p a 粒料受正压力l0 0 0 n 和剪切力2 4 0 n 作用的等效应力 1 6 图2 13p c 粒料受正压力l0 0 0 n 和剪切力2 0 0 n 作用的等效应力 通过对比分析三种不同材料的粒料有限元强度【l9 j 可知：当对a b s 、 p a 、p c 施加10 0 0 n 的正向压板力和较大的侧向剪切力时，产生的最大等 效应力值已超过材料的剪切强度，完全可以将粒料剪碎。 下面改变模型的加载情况，重新做几组仿真，找出各种高分子粒料 被剪碎时的临界值，如图2 14 图2 16 图2 14a b s 粒料受正压力l0 0 0 n 和剪切力4 71 n 作用的等效应力 图2 15p a 粒料受正压力l0 0 0 n 和剪切力2l6 n 作用的等效应力 1 7 图2 16p c 粒料受正压力10 0 0 n 和剪切力i7 8 n 作用的等效应力 经过分析可以看出：a b s 材料在正压力10 0 0 n 压力下，对应剪切力 为4 71n ，两个力共同作用下等效应力达到7 8 3 m p a ，超过材料的剪切强 度，证明此种加载下能将a b s 材料剪碎；p a 材料在10 0 0 n 正压力下， 对应剪切力216 n ，两个力共同作用下等效应力达到1 11m p a ，超过材料 的剪切强度，证明此种加载下足以将p a 材料磨碎；p c 材料在正压力 10 0 0 n 压力下，对应剪切力为17 8 n ，两个力共同作用下等效应力达到 9 4 3 m p a ，超过材料的剪切强度，证明此种加载下能将p c 磨碎或剪碎。 2 4 5 结论 通过对比三种不同高分子粒料的有限元强度分析结果可知：当动磨 对粒料的剪切力大于给定粒料材料的临界剪切力时，粒料内部产生的最 大等效应力值超过给定粒料材料的剪切强度，粒料即被剪碎。虽然仿真 结果和理论计算值还是有一定的差距，但误差如4 9 j 3 2 聂3 三- 厂4 7 1 = 4 5 、 等_ 7 3 、等- 8 7 都在允许范围) 之内，故可证明粒料 剪切力计算公式的合理性，从而说明高分子粒料在理想加载值下能被剪 碎。 2 5 本章小结 本章首先分析了高分子粒料的研磨机理，阐述了高分子材料破坏的 基本过程，接着在假定条件下对单个粒料进行受力分析，利用理论计算 公式算出剪切粒料所需要的剪切力，然后在a n s y s 软件中进行静力学仿 真，对三种具有代表性的高分子材料进行不同加载验证理论公式的正确 性，由此证明我们对高分子粒料研磨的研究方向是正确的，对我们后续 进行研磨装置的结构设计提供了一个良好的理论基础。 1 9 第三章研磨装置结构设计 为了让高分子粒料在研磨装置内能有效的被研磨成粉，并且使排出 的粉末粒径满足目标粒料的大小，对研磨装置的结构设计是非常重要的。 3 1 研磨装置工作原理 图3 1 研磨装置结构示意图( 图中动磨采用一半剖开一半未剖) 如图3 1 所示，设计一种锥形的磨盘研磨装置用来磨碎高分子粒料。 本装置主要由动磨、静磨和支撑轴组成，支撑轴上装有给动磨适量加载 和调节动静磨之间间距的弹簧、套筒、螺塞和手柄。电动机带动动磨在 支撑轴上旋转，同时高分子粒料在动磨和静磨之间进行碾压剪切破碎。 由于塑料具有一定的韧性，在加压情况下容易发生塑性变形，仅靠碾压 作用很难将高分子材料碾碎，最好的方法就是在锥形研磨装置动磨和静 磨之间设计具有良好配合的齿形纹路来对粒料进行剪切破碎。由于磨盘 设计的主要目的是将最大进料半径为2 m m 的粒料研磨成小于或等于10 0 目( 15 0 a m ) 的粉末，加之设计和制造过程中难免会有误差，所以为了避 免未被充分剪切研磨的大粒径粒料混杂，在研磨盘出料口布置一道滤网 对粒料进行筛选，通过筛网漏下收集的粒料即为成品料，不符合要求的 粒料经收集后重新研磨。 3 2 锥形磨盘的设计 3 2 1 磨盘纹路的设计 锥形磨盘纹路设计如下：锥形磨盘静磨随着母线方向沿锥面向下等 分的开出1 1 条齿形，齿形形状有多种类型，如正锯齿形、斜锯齿形和平 齿形1 2 0 1 等，动磨锥形齿面上沿锥形加工出近似锥齿轮螺线走向的螺旋线， 动静磨之间间隙上大下小，形成一楔形口，粒料进入磨盘后能很好的沿 着齿槽向下滑动或滚动，为满足出料粉末粒径要求，理想状态下最末端 间隙沟槽应只能满足粒径1o o 目( 15 0 a m ) 以下的粒料排出。 3 2 2 动磨齿形的确定 动磨作为磨盘主要施加剪切力的元件。充分考虑了粒料的运动情况， 其表面设计采用近似锥齿轮螺旋线走向( 如图3 2 ) ，通过动静磨盘的相 对运动，使粒料沿设计的螺线轨道在强剪切机械力的作用下进行充分的 剪切，动磨转动方向和螺旋线方向配合并使达到目标粒径大小的粒料可 沿螺旋线方向向卞排出。 图3 2 动磨螺旋线走向三维示意图 2 1 3 2 3 静磨齿形的确定 静磨磨盘上考虑沿母线方向从上向下开出齿形，上深下浅，高分子 粒料沿齿槽向下运动，齿形的种类主要有正锯齿形、斜锯齿形和平齿形 几种【2 1 】( 如图3 3 和图3 4 ) 。根据物料切削原理，考虑到平齿形相对来说 比正锯齿形和斜锯齿形较难发生剪切破碎，故一般情况下不采用。斜锯 齿形比正锯齿形能更好的发生剪切，但斜锯齿形加工较困难，加工成本 较高，另外在同等受力的情况下，斜锯齿形齿尖更容易发生破坏，故静 磨齿槽设计采用正锯齿形。 幽删 a 正锯齿形b 斜锯齿形c 平齿形 图3 3 静磨齿形种类横断面图 a 正锯齿形 b 斜锯齿形 c 平齿形 图3 4 静磨齿形种类三维图 由于高分子粒料在研磨装置内研磨是一种非常复杂的粒料滑动和滚 动相结合的运动过程。所以锥形研磨装置静磨宜采用沿母线方向的正锯 齿形齿，动盘采用近似锥齿轮螺纹走向的正锯齿形齿。控制好动静磨盘 的截面尺寸以及动磨盘螺旋线的螺旋升角，动静磨盘齿形螺旋线走向良 好配合使磨盘在旋转的过程中产生强大的挤压和剪切力【22 1 ，使物料能轻 易的被剪切磨碎。 3 2 4 粒料在研磨过程中的受力分析 单个球体在研磨过程中所受力的分析，为了简化计算，将粒料空间 力学分析转换为平面力学计算。粒料在动静磨盘间的受力分析主要分为 以下三种情况【2 3 】： ( 1 ) 粒料在研磨过程中近似不动 j|- l y 旋黟暴 x 仪y 。 冷| 弋( j j iy 、 遗 汐x o 图3 5 单个球体在研磨过程中受力分析图 如图3 5 所示，对球体进行水平剖切面分析。动磨在旋转过程中刚 接触到粒料的时候，对球体施加一个压力f ，以及两者接触的地方由于正 压力而产生的摩擦力e ，方向如图所示。假设球体不旋转，那么在这种 情况下，球体与齿槽接触面上分别产生支撑力e 和晟以及摩擦力e 。和e 。， a 为动磨刚接触粒料时球体所受的正压力与水平方向的角度，l f ，= 9 0 。一a 其实就等于动磨上齿形的螺旋升角，2 p 为静磨上齿形槽的夹角。考虑到 球体无剖切面内运动可列平衡方程得： x 方向受力平衡方程： f c o s a + es i n a + 巧。s i n f l + ec o s # + e 。s i n # = 正c o s # y 方向受力平衡方程： f s i n a + e 。c o s f l = cc o s a + 最s i n # + 互。c o s # + 墨s i n # 以球心为中心的力矩平衡方程： 互。，+ e 。