CN106345570A - 一种磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法 - Google Patents

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Abstract

一种磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法，采用无级调速电机驱动摆动轴，磨介设置在带偏心块的摆动轴的下端，使所述磨介和偏心块呈一定的空间夹角固定在摆动轴适当位置上，以使激振力主要作用在水平面，且所述磨介和偏心块通过传动装置随无级调速电机旋转，在激振力作用下在磨腔内部主动对物料撞击并随电机转动产生旋转研磨；本发明具有研磨效率高、节能、研磨粒度细、弹簧受力状况好等优点。

Description

一种磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法
技术领域
本发明属于矿物粉磨设备技术领域，特别涉及一种磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法。
背景技术
我国是矿产资源大国，现已探明的矿产就有近200种，矿产资源总量位居世界第三，仅次于美国和俄罗斯，占到世界矿产总量的12％左右，但是关系国计民生的用量较大的矿产，或由于选矿难，或由于找矿设备的原因，使得很多矿产资源开发利用条件差。而在对矿产资源寻找的过程中，必须要对矿物经过分析化验，这样就要对矿物试样进行破碎和粉磨，然后才能进一步分析。
物料的破碎是工矿企业中应用非常多的一种工艺过程，大多数原始的开采物料都需经过破碎和粉磨这一工艺，我国每年需要对数亿吨矿石和石料进行破碎和粉磨。传统破碎机的破碎方法存在很大的局限性，当物料的强度达到2×108Pa时，物料就很难被破碎或者粉磨，也就要求所选设备的性能越高。
振动磨机是试样加工过程中细研磨的一种重要加工设备，振动粉磨克服了传统工艺的缺点，有占地面积小、研磨介质填充率，振动频率高、单位容积筒体的处理量大、功耗较小、产品粒度细等优点。但是由于相关技术的落后，存在加工效率低下、粉磨粒度较大、设备易出现故障、能耗较大等问题。因此研制出有效提高加工效率、细化矿物粉磨粒度、提高设备的使用寿命并降低能耗的设备，不但对该行业产生很大的经济效益，而且对实验室矿产资源试样加工行业及矿业选矿有一定的积极意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法，可有效解决传统振动磨机研磨效率低、能耗大、弹簧疲劳失效的问题，是一种磨介于磨腔内部主动撞击并旋转研磨物料的振动研磨方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法，采用无级调速电机驱动摆动轴，磨介设置在带偏心块的摆动轴的下端，使所述磨介和偏心块呈一定的空间夹角固定在摆动轴适当位置上，以使激振力主要作用在水平面，且所述磨介和偏心块通过传动装置随无级调速电机旋转，在激振力作用下在磨腔内部主动对物料撞击并随电机转动产生旋转研磨。
所述磨介有一定的偏心距，例如37.94mm，以使自身产生一定的激振力。可根据设计要求设计偏心距，同时满足设计性能要求。磨介有一定的强度刚度和耐磨性，有较好的使用寿命。
所述磨介与偏心块呈90°的空间夹角固定在摆动轴上，其夹角大小取决于磨机激振力大小要求，可调节，调节空间夹角可调节激振力大小。
所述的磨介和偏心块固定在摆动轴上适当位置，所述摆动轴竖直方向上受力平衡，以使得摆动轴尽量保持竖直状态，激振力主要在水平面内，磨介有较好的水平撞击条件。
所述磨介在磨腔内部，磨介底部与磨腔底部贴合，以减少底部研磨乏能区。
所述无级调速电机以可变的旋转加速度逐渐加速启动，工作结束后以一定的减速度逐渐减速，以改善传动件受力，且工作时的转速可变。
无级调速电机采用基于S型曲线的加减速控制方法，将加减速过程分为7个阶段(每一段对应的加加速度为常量)：加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段、减减速段，从而渐变地控制电机旋转速度，按S型曲线形式平滑变化，加速度连续，改善万向节等关键部件受力，其最大加速度取决于万向节受力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)磨介和偏心块在磨腔内部研磨，可减小参振质量，且无级调速电机可降低启动功率，可有效节能。
2)磨介在自身和偏心块产生的激振力下主动撞击，可使得磨介与物料间产生较大的撞击力，有利于研磨初始阶段的物料的粗磨。
3)磨介随轴转动，可产生较大的旋转动能，与物料间产生旋转研磨，有利于研磨后期的物料的细磨。
4)无级调速电机可改善万向节的因电机启动停止的瞬时受力，提高万向节使用寿命。
5)磨介内部撞击，降低了传统磨机对磨腔的振幅的要求，一定程度上改善了支撑弹簧受力状况。
6)磨介于磨腔内部主动研磨，可根据不同物料性质和进出料粒度调节偏心块位置、夹角和电机转速等，调节激振力和振动频率进行高效针对性的研磨。
附图说明
图1为本发明涉及的立式振动磨机的结构示意图。
图2为摆动轴—偏心甩锤配合图。
图3为图2的AA剖视图。
图4为法兰俯视图。
图5为图1中的I的放大图。
图6为图5的B-B视图。
图7为图6的C视图。
图8为某传统型立式振动磨机结构示意图。
图9为本发明实施例中A磨机和B磨机的碰撞力分析示意图。
图10为本发明实施例中A磨机和B磨机的磨介运动轨迹示意图。
图11为本发明实施例中A磨机和B磨机的磨介旋转动能示意图。
图12为本发明实施例中A磨机和B磨机中弹簧受力示意图。
图13为本发明实施例中A磨机和B磨机中弹簧水平方向振幅示意图。
图14为本发明实施例中A磨机和B磨机的磨介动能示意图。
其中，1为偏心甩锤、2为摆动轴、3为机架、4为锁紧装置、5为空气弹簧、6为动支架、7为电机支架、8为轮胎式联轴器、9为无级调速电机、10为圆锥滚子轴承、11为万向节、12为上凹凸式法兰、13为下凹凸式法兰、14为偏心块、15为磨腔、16为橡胶垫片、17为垫片、18为轴一、19为拉杆、20为轴二、21为偏心凸起、22为偏心锥孔；23为主机、24为壳体、25为钵体、26为磨介、27为气动弹簧、28为主振弹簧、29为偏心块装置、30为轴系、31为电机、32为皮带轮组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，下面结合申请人立式振动磨机(专利CN201620321364.4)详细说明本发明的实施方式，并将其效果与一种传统方法研磨的立式振动磨机进行仿真对比，分析本方法的优劣。
工作开始前，打开锁紧装置4，通过上凹凸式法兰12和下凹凸式法兰13实现磨腔15和动支架6的快速分离，从而将物料装入磨腔15，装料完成后闭合上凹凸式法兰12和下凹凸式法兰13，并关闭锁紧装置4。
工作时，无级调速电机9从低速开始启动，并逐渐加速至工作转速，无级调速电机9通过轮胎式联轴器8和万向节11与磨腔15内的摆动轴二联接，摆动轴二通过固定在其上的偏心块14实现离心运动，并带动起下端的偏心甩锤(磨介)1与磨腔15之间产生研磨。偏心块14和偏心甩锤(磨介)1之间的位置及空间夹角由研磨要求进行调节。偏心甩锤1上对称设置有偏心凸起21和偏心锥孔22，同时偏心锥孔22可使物料通过，并增加偏心力，增强研磨作用。偏心甩锤(磨介)1和偏心块14固定在摆动轴二的适当位置，使摆动轴二在竖直方向上无较大倾斜，碰撞力主要在水平面。偏心甩锤(磨介)1在激振力作用下主动撞击物料，有利于研磨阶段的粗磨；其随电机转动，可产生较大的旋转研磨，对研磨阶段的细磨更为有利，综合起来，较传统形式振动磨机，本研磨方法更加有利于研磨(细磨、超细磨等)。偏心甩锤(磨介)1在磨腔15内部进行研磨，可减小振动，且工作产生的振动可通过固定在磨机的机架3和动支架6间的空气弹簧5缓冲。空气弹簧5(或橡胶弹簧)向磨腔12的轴心呈一定的倾角布置，可支撑磨腔15，并缓冲振动。磨腔15固定在动支架6的下部，进而支撑到空气弹簧5上，有利于磨腔15在重力和弹簧弹力作用下恢复竖直状态。
工作一定的时间后，达到所需的细度，关闭无级调速电机9，无级调速电机9将转速逐渐降低至停车，打开锁紧装置4，打开法兰12、13，卸下磨腔15，取出产品，从而实现一次工作循环。
为分析本方法的优点，结合设备对采用本方法的立式振动磨机(专利CN201620321364.4)(简称A磨机)与采用传统方法的某传统型立式振动磨机(简称B磨机，结构如图8所示，由主机23、壳体24、钵体25、磨介26、气动弹簧27、主振弹簧28、偏心块装置29、轴系30、电机31、皮带轮组32等组成)进行动力学仿真分析，对比结果如下：
A磨机的偏心块和偏心甩锤质量分别为m1＝10.61kg和m2＝66.51kg，偏心距分别为e1＝101.06mm和e2＝37.94mm。B磨机的偏心块和磨介质量分别为m3＝55.95kg和m4＝25.22kg，偏心距分别为e3＝156.58mm和e4＝4.24mm。
两偏心块m1、m2产生的惯性力Fi的大小为：
Fi＝mieiω2,(i＝1,2) (1)
由于两惯性力之间的夹角与两偏心块在空间内的夹角α相等，所以，两惯性力产生的合力F为：
F = F 1 2 + F 2 2 + 2 F 1 F 2 c o s α = m 1 2 e 1 2 + m 2 2 e 2 2 + 2 m 1 e 1 m 2 e 2 c o s α ω 2 - - - ( 2 )
取α＝90°，转速960r/min，此时磨机受到水平方向的振动和强烈的摇摆振动，更有利于物料的粉磨。计算可知，A磨机激振力F＝2.77×104N，B磨机激振力为8.72×107N。
1碰撞力的对比分析
从图9可知，A磨机的最大和最小碰撞力分别为1.07×106N和0N，分析所有数据求平均值为117700.29N；B的最大和最小碰撞力分别为2.50×105N和0N，分析所有数据求平均值为8847.82N。
从图10可知，A磨机的磨介(偏心甩锤)轨迹线更均匀且密集，而B磨机的磨介轨迹线更分散，由此可知单位时间内A磨机碰撞次数更多。
振动磨机磨介碰撞力对物料的粗磨阶段影响较大且碰撞力越大越有利于粗磨，对细磨阶段影响较小。而磨介运动轨迹的密集程度可以反映出其碰撞次数多少，轨迹线越密集，碰撞次数越多，研磨效果越好。由此可知，A磨机的激振力明显小于B磨机，但碰撞力却明显大于B磨机，单位时间内的碰撞次数也明显比B磨机多，所以A磨机对物料粗磨阶段更加有利。
2旋转动能的对比
由图11可知，A磨机旋转动能最大值和最小值分别为6247.85J和5195.19J，平均值为5694.26J，B磨机旋转动能最大值和最小值分别为125.85J和0.026J，平均值为5.49J。明显可以看出A磨机旋转动能更大，原因在于B磨机磨介(偏心甩锤)随电机转动，其旋转动能会更大。
在物料粗磨阶段，碰撞力的影响效果会有所降低，而研磨介质的旋转动能的影响效果会明显增大，因此A磨机的磨介旋转动能更大，更加有利于细磨。
3弹簧受力对比
弹簧是振动磨机缓冲振动的主要部件，其受力状况将决定其疲劳寿命，进而影响磨机寿命。从图12可以看出，A磨机的弹簧受力最大为1.07×107N，稳定后弹簧最大受力约为5.41×106N；B磨机的弹簧受力最大为2.45×105，稳定后弹簧最大受力约为1.50×105N。
从图13可知，A磨机磨腔最大振幅为0.0201m，稳定后振幅为0.0141m；B磨机磨腔最大振幅为0.022m，稳定后振幅为0.0176m。
考虑到A磨机的撞击力约为B磨机撞击力的13.30倍，且相同布置形式下，水平振幅更小，其水平受力也更小，进而由此造成的疲劳损坏更轻，弹簧受力虽大，但相比B磨机，A磨机的弹簧受力更合理。原因在于，B磨机若要产生足够的碰撞力，磨腔必须有一定的振幅，在此过程中，弹簧必然会产生较大的横向移动，受力不合理。
4节能性对比
在相同电机输入的情况下，磨介动能占总输入能量的比率更大大，能量更广泛的应用于物料研磨，能量分配更加合理。本文在相同电机输入的前提下，由图14分析可知，A磨机动能最大为16189.52J，稳定后动能为9171.82J；B磨机动能最大为1176.85J，稳定后动能约为162.37J。
由此可知，在相同电机输入的情况下，A磨机磨介动能远远大于B磨机，其能量分配更合理，更加有利于节能。
由两种方法的立式振动磨机的仿真分析对比可知，采用本方法的振动磨机可产生更大的碰撞力，更有利于物料粗磨；磨介随电机转动旋转动能更大，对研磨后期的细磨更有利；其研磨更稳定，研磨介质轨迹密度更大，撞击次数更多，更有利于物料研磨；内部撞击的形式，弹簧只其支撑和缓冲的作用，减少了对研磨箱体施加运动的疲劳损失，其受力效果更好；内部研磨的形式减少了参振质量，研磨介质动能占比更大，更有利于节能。因此本方法更有利于物料研磨、节能和弹簧等部件受力情况的改善。
综上，本发明为一种磨介主动碰撞并旋转研磨的振动研磨方法，无级调速电机逐渐加速启动或停止，减小启动或停止对万向节等的瞬时冲击，有一定偏心距的磨介与偏心块固定在摆动轴的适当位置，保证摆动轴呈现良好的竖直状态、激振力主要在水平面，磨介通过万象联轴器等传动装置随无级调速电机旋转，在磨腔内部与物料撞击并旋转研磨，根据实际物料性质及进出口粒度等调节磨介与偏心块空间夹角、电机转速等。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法，采用无级调速电机驱动摆动轴，磨介设置在带偏心块的摆动轴的下端，其特征在于，使所述磨介和偏心块呈一定的空间夹角固定在摆动轴适当位置上，以使激振力主要作用在水平面，且所述磨介和偏心块通过传动装置随无级调速电机旋转，在激振力作用下在磨腔内部主动对物料撞击并随电机转动产生旋转研磨。
2.根据权利要求1所述磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法，其特征在于，所述磨介有一定的偏心距，以使自身产生一定的激振力。
3.根据权利要求2所述磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法，其特征在于，所述磨介有37.94mm的偏心距，可根据设计要求设计偏心距，同时满足设计性能要求。
4.根据权利要求1所述磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法，其特征在于，所述磨介与偏心块呈90°的空间夹角固定在摆动轴上，其夹角大小取决于磨机激振力大小要求，可调节。
5.根据权利要求1所述磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法，其特征在于，所述摆动轴竖直方向上受力平衡，以使得摆动轴尽量保持竖直状态，激振力主要在水平面内，磨介有较好的水平撞击条件。
6.根据权利要求1所述磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法，其特征在于，所述磨介在磨腔内部，磨介底部与磨腔底部贴合，以减少底部研磨乏能区。
7.根据权利要求1所述磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法，其特征在于，所述无级调速电机以可变的旋转加速度逐渐加速启动，工作结束后以一定的减速度逐渐减速，以改善传动件受力，且工作时的转速可变。
8.根据权利要求7所述磨介主动撞击并旋转研磨的振动研磨方法，其特征在于，无级调速电机采用基于S型曲线的加减速控制方法，将加减速过程分为7个阶段：加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段、减减速段，从而渐变地控制电机旋转速度，按S型曲线形式平滑变化，加速度连续，改善万向节等关键部件受力，其最大加速度取决于万向节受力。
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