CN113019640A - 一种高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨，盖筒可拆卸安装于机构底座上，盖筒内腔与机构底座围成研磨内腔，盖筒筒顶内壁设有扰流筋，主轴驱动机构安装于机构底座上，并驱动连接空间曲面涡轮式研磨机构，带动空间曲面涡轮式研磨机构同步旋转，空间曲面涡轮式研磨机构安装于研磨内腔中。本发明结构简单、体积小、成本低、降低了研磨设备的动载荷和静载荷，采用空间曲面涡轮在高速旋转下产生液固湍流场，颗粒在湍流场中产生强湍动能，可避免筒底乏能区，强化磨介与物料撞击能量；扰流筋可在研磨过程中扰乱筒内涡流场，大大提高磨介与物料的碰撞概率，从而通过颗粒相互碰撞、剪切、摩擦实现超微化，由此获得的粉体纯度高、粒度细。

Description

一种高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨
技术领域
本发明属于研磨设备技术领域，具体涉及一种高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨。
背景技术
本世纪以来，随着工业的迅速发展，超细超微粉体需求量异常迅猛，其制造业发展迅速。目前机械制备超细、超微粉体材料的设备主要有滚筒式球磨机、振动磨机、行星球磨机、砂磨机以及气流粉碎机。受原理所限，这些传统设备要想达到超硬超微材料的工业化生产尚存在有一定的技术难度，且普遍存在产量低、能耗高等问题，尤其是超微状态存在颗粒粉体团聚及不细化的技术瓶颈，对超硬粉体尤为突出。
申请号为200580008197.2的中国专利“高度湍流磨及其双负压涡轮”利用双负压涡轮在电动轴的驱动下在磨腔内高速旋转时，在磨腔内部会产生高强涡流和湍流，从而形成气固两相流，物料在高度湍流的作用下，相互发生强烈自磨，同时产生强烈的对撞和剪切作用力，从而将物料粉碎，但该装置存在以几点技术弊端：首先，该装置未考虑加入大粒径差的磨介进行磨介间的物料研磨，而是通过利用自身物料小粒径差进行相互研磨，不能产生非常有效的冲击碰撞和振动粉碎效果，再则，气固研磨容易出现超微粉体的聚团和反粉碎现象，不利于降低粉碎细度，且导致能耗增加，效率降低；其次该装置结构过于复杂，使操作繁琐、成本高；再则，该装置使用多个电机，增加了整套装置的故障率，且电机噪声大，故较难以实现量产的超微粉碎产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨，该湍流磨通过设置空间曲面涡轮式研磨机构，可产生强湍流，避免筒底乏能区，强化了磨介与物料撞击能量，同时通过在盖筒顶部内壁设置扰流筋，可在研磨过程中扰乱筒内涡流，提高磨介与物料的碰撞概率，进而大大提高了研磨效率。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨，包括机构底座、盖筒、空间曲面涡轮式研磨机构和主轴驱动机构，盖筒可拆卸安装于机构底座上，盖筒内腔与机构底座围成研磨内腔，盖筒的筒顶内壁设有扰流筋，主轴驱动机构安装于机构底座上，并驱动连接空间曲面涡轮式研磨机构，带动空间曲面涡轮式研磨机构同步旋转，空间曲面涡轮式研磨机构安装于研磨内腔中。
进一步地，所述机构底座的中部开设有安装孔，且安装孔对应的机构底座底部留设有主轴驱动机构容纳腔，所述安装孔外周机构底座顶部均布有下螺纹孔，所述盖筒的底部外沿对应均布有上螺纹孔，所述盖筒盖设于机构底座上，且上螺纹孔与下螺纹孔孔位对齐，通过螺栓与上、下螺纹孔螺纹配合，所述盖筒锁紧固定在机构底座上。
进一步地，所述下螺纹孔和上螺纹孔均设置有8个，且盖筒与机构底座之间增设有密封垫圈，以保证盖筒与机构底座的密封良好，所述盖筒通过螺栓依次穿设上螺纹孔和下螺纹孔而密封锁紧在机构底座上。
进一步地，所述扰流筋为三棱柱状凸棱，三棱柱状凸棱与盖筒的顶部内壁一体成型，且三棱柱状凸棱设置有2～4个，竖直均布固定在盖筒的内壁顶部。
进一步地，所述三棱柱状凸棱在横向上由上至下逐渐向内收缩，在纵向上由盖筒内壁顶部竖直向下延伸至盖筒底部1/3高度处，确保被破碎的颗粒不会沿着盖筒一直旋转，盖筒内颗粒沿盖筒旋转一定角度后与扰流筋碰撞、并弹出，从而增加颗粒与空间曲面涡轮的接触概率，进而大大提高磨介与物料的碰撞概率，以提高研磨效果。
进一步地，所述主轴驱动机构包括电机、轴承转头、主轴和螺帽垫片，所述电机放置于主轴驱动机构容纳腔中，电机转速为6000～30000r/min，所述轴承转头安装在电机输出轴上，所述主轴底部螺纹连接在轴承转头中心处，并通过螺帽垫片限位锁紧，所述主轴由安装孔竖直向上穿入研磨内腔中。
进一步地，所述空间曲面涡轮式研磨机构包括空间曲面涡轮、上橡胶垫圈、轴瓦、钢垫片、下橡胶垫圈，刀片组卡簧和刀片组轴承，所述轴瓦固接于空间曲面涡轮底部，所述刀片组轴承安装在主轴上且设置于轴瓦内部，所述刀片组卡簧设置于刀片组轴承下端且刀片组卡簧内侧端卡接在主轴的上下螺帽之间，所述上橡胶垫圈设置于刀片组轴承上端且密封设置于轴瓦中心处，所述下橡胶垫圈设置于轴瓦和刀片组轴承之间，增强轴向零件的固定性，所述主轴上端设有外螺纹段，所述空间曲面涡轮中部设有内螺纹孔，通过外螺纹段穿设内螺纹孔并配合螺母锁紧，所述空间曲面涡轮锁紧固定在主轴上端，随主轴同步转动。
进一步地，所述空间曲面涡轮为钢材质叶片，所述钢材质叶片的表面设有立方氮化硼耐磨涂层，使空间曲面涡轮不易受局部受热致温差而造成变形，使其拥有更高的力学性能和表面稳定性，并且在空间曲面涡轮的高速运转下，使其保持良好的耐磨性。
进一步地，所述空间曲面涡轮包括一体成型的轴心盘和扭曲叶片，所述扭曲叶片由内叶片和外叶片组成，所述内叶片为扭转状，所述外叶片为平面状，所述内叶片的内侧与轴心盘相连接，所述内叶片的外侧与外叶片的内侧相衔接，使扭曲叶片具有空间曲面特性，所述空间曲面涡轮的内叶片与轴心盘呈10～30°倾角，当主轴转动时，内叶片与外叶片将颗粒旋转研磨，由于内叶片和外叶片的叶片形状不同，因此，内叶片和外叶片将颗粒从不同的方位研磨，使颗粒在研磨内腔内受强大的湍流，使颗粒充分研磨。
进一步地，所述轴心盘为直径30mm的圆盘，所述轴心盘的外侧均布有6个扭曲叶片。
本发明相较于现有技术具有以下有益效果：
1）本发明对主轴驱动机构进行结构优化，将多层盘型轴改为单层空间曲面涡轮型轴，湍流磨整体结构简单、体积小、成本低、降低了研磨设备的动载荷和静载荷；
2）本发明采用空间曲面涡轮在高速旋转下产生液固湍流场，使颗粒在湍流场中具有湍流的特性，产生强湍动能，空间曲面涡轮采用离心式导流，可以避免筒底乏能区，强化了磨介与物料撞击能量；同时通过在盖筒的顶部内壁设置扰流筋，可在研磨过程中扰乱筒内涡流场，大大提高了磨介与物料的碰撞概率，进而通过颗粒相互碰撞、剪切、摩擦达到超微化的目的，由此获得的粉体具有纯度高、粒度细的优点；
3）湍流的基本机理是涡流扩散，即漩涡带动流体质点随机运动导致强烈的动量传递速率，湍流粘性是流体流动状态的反映，空间曲面涡轮与旋转面的倾角对于涡流扩散能力有影响，当超出最佳倾角范围后，其涡流扩散能力会较差，本申请通过仿真软件获取筒内的湍流粘性来反映涡流扩散能力，经大量仿真试验确定，当研磨物料为超硬超微粉体时，空间曲面涡轮的内叶片与轴心盘呈10～30°倾角，涡流扩散能力较强，超出该倾角范围，涡流扩散能力会显著降低；
4）在主轴高速旋转的情况下，空间曲面涡轮与颗粒发生碰撞，产生较高的热应力，这就要求空间曲面涡轮在高温下具有良好的抗热疲劳，鉴于此，本申请设计空间曲面涡轮主要由耐磨钢制成，并在空间曲面涡轮的表面设有立方氮化硼耐磨涂层，使空间曲面涡轮不易受局部受热致温差而造成变形，使其拥有更高的力学性能和表面稳定性，并且在空间曲面涡轮的高速运转下，使其保持良好的耐磨性；
5）本发明的空间曲面涡轮由一体成型的轴心盘和扭曲叶片组成，扭曲叶片均布在轴心盘侧面，扭曲叶片由扭转状的内叶片和平面状的外叶片首尾衔接而成，当主轴转动时，内叶片与外叶片将颗粒旋转研磨，由于内叶片和外叶片的叶片形状不同，内叶片和外叶片将颗粒从不同的方位研磨，使颗粒在研磨内腔中受强大的湍流，使颗粒充分研磨；
6）将筒盖与筒壁一体化设计为盖筒结构，使用时将待研磨颗粒、磨介及液体放入盖筒内部，再通过螺栓螺纹连接方式将盖筒与机构底座紧密相连，考虑到机构高速运转，此设计保证了密封性，可防止研磨后的粉体散发。
附图说明
图1为本发明实施例1的超硬超微粉体立式液力湍流磨的整体剖视图；
图2是图1的机构底座结构示意图；
图3是图1的盖筒结构示意图；
图4是图1的空间曲面涡轮式研磨机构与主轴驱动机构配合连接图；
图5是图4的主轴驱动机构结构示意图；
图6是图4的空间曲面涡轮结构示意图；
图7是本发明实施例2的盖筒仰视图；
图8是本发明实施例1的湍流粘性仿真图；
图9是本发明实施例2的湍流粘性仿真图。
其中的附图标记为：机构底座1、安装孔1-1、下螺纹孔1-2、盖筒2、上螺纹孔2-1、空间曲面涡轮式研磨机构3、空间曲面涡轮3-1、轴心盘3-11、扭曲叶片3-12、内叶片3-121、外叶片3-122、上橡胶垫圈3-2、轴瓦3-3、钢垫片3-4、下橡胶垫圈3-5、刀片组卡簧3-6、刀片组轴承3-7、主轴驱动机构4、轴承转头4-1、主轴4-2、螺帽垫片4-3、扰流筋5。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
实施例1
如图1～3所示，本发明的一种超硬超微粉体立式液力湍流磨，包括机构底座1、盖筒2、空间曲面涡轮式研磨机构3和主轴驱动机构4，机构底座1的中部开设有安装孔1-1，且安装孔1-1对应的机构底座1底部留设有主轴驱动机构容纳腔，安装孔1-1外周机构底座1顶部均布有8个下螺纹孔1-2，盖筒2的底部外沿对应均布有8个上螺纹孔2-1，盖筒2盖设于机构底座1上，且盖筒2与机构底座1之间增设有密封垫圈，上螺纹孔2-1与下螺纹孔1-2孔位对齐，通过螺栓与上、下螺纹孔螺纹配合，盖筒2锁紧固定在机构底座1上，盖筒2内腔与机构底座1围成研磨内腔，盖筒2的筒顶内壁设有两个扰流筋5，两个三棱柱状凸棱与盖筒2的顶部内壁一体成型，且周向间隔180°竖直固定在盖筒2的内壁顶部，扰流筋5为三棱柱状凸棱，三棱柱状凸棱在横向上由上至下逐渐向内收缩，在纵向上由盖筒2内壁顶部竖直向下延伸至盖筒2底部1/3高度处，确保被破碎的颗粒不会沿着盖筒2一直旋转，盖筒2内颗粒沿盖筒2旋转一定角度后与扰流筋5碰撞、并弹出，从而增加颗粒与空间曲面涡轮3-1的接触概率，进而大大提高磨介与物料的碰撞概率，以提高研磨效果，主轴驱动机构4安装于机构底座1上，并驱动连接空间曲面涡轮式研磨机构3，带动空间曲面涡轮式研磨机构3同步旋转，空间曲面涡轮式研磨机构3安装于研磨内腔中。
如图4和图5所示，主轴驱动机构4包括电机、轴承转头4-1、主轴4-2和螺帽垫片4-3，电机（未显示）放置于主轴驱动机构容纳腔中，电机转速为6000～30000r/min，轴承转头4-1安装在电机输出轴上，主轴4-2底部螺纹连接在轴承转头4-1中心处，并通过螺帽垫片4-3限位锁紧，主轴4-2由安装孔1-1竖直向上穿入研磨内腔中，空间曲面涡轮式研磨机构3包括空间曲面涡轮3-1、上橡胶垫圈3-2、轴瓦3-3、钢垫片3-4、下橡胶垫圈3-5，刀片组卡簧3-6和刀片组轴承3-7，轴瓦3-3固接于空间曲面涡轮3-1底部，对空间曲面涡轮3-1进行轴向固定，刀片组轴承3-7安装在主轴4-2上且设置于轴瓦3-3内部，刀片组卡簧3-6设置于刀片组轴承3-7下端且刀片组卡簧3-6内侧端卡接在主轴4-2的上下螺帽4-4之间，对刀片组轴承3-7起限位作用，上橡胶垫圈3-2设置于刀片组轴承3-7上端且密封设置于轴瓦3-3中心处，下橡胶垫圈3-5设置于轴瓦3-3和刀片组轴承3-7之间，增强轴向零件的固定性，主轴4-2上端设有外螺纹段，空间曲面涡轮3-1中部设有内螺纹孔，通过外螺纹段穿设内螺纹孔并配合螺母锁紧，空间曲面涡轮3-1锁紧固定在主轴4-2上端，随主轴4-2同步转动。
如图6所示，空间曲面涡轮3-1包括一体成型的轴心盘3-11和扭曲叶片3-12，轴心盘3-11为直径30mm的圆盘，六个扭曲叶片3-12均布于轴心盘3-11的外侧，扭曲叶片由内叶片3-121和外叶片3-122组成，内叶片3-121为扭转状，外叶片3-122为平面状，内叶片3-121的内侧与轴心盘3-11相连接，内叶片3-121的外侧与外叶片3-122的内侧相衔接，空间曲面涡轮3-1的内叶片3-121与轴心盘3-11呈10°倾角，当主轴转动时，内叶片与外叶片将颗粒旋转研磨，由于内叶片和外叶片的叶片形状不同，因此，内叶片和外叶片将颗粒从不同的方位研磨，使颗粒在研磨内腔内受强大的湍流，使颗粒充分研磨。
进一步地，空间曲面涡轮3-1为钢材质叶片，钢材质叶片的表面设有耐磨的立方氮化硼涂层，使空间曲面涡轮不易受局部受热致温差而造成变形，使其拥有更高的力学性能和表面稳定性，并且在空间曲面涡轮的高速运转下，使其保持良好的耐磨性；
当需要使用本实施例的超硬超微粉体立式液力湍流磨进行超硬超微粉体研磨时，参照图1和图3，首先将空间曲面涡轮式研磨机构3、主轴驱动机构4和机构底座1组装好，然后向盖筒2中部研磨内腔中倒入待研磨颗粒、磨介及液体，对超硬材料进行研磨时，将采用立方氮化硼作为磨介，且磨介有一定的配比以及粒径分级。然后将盖筒2组装在机构底座1上，启动电机，则电机通过主轴4-2带动空间曲面涡轮3-1在研磨内腔中高速转动，颗粒流体在环形封闭空间中，被空间曲面涡轮3-1带动的离心效应横向甩出，在空间曲面涡轮3-1外围形成一股漩涡状的液流，再受到盖筒2的空间限制，形成由下而上的涡流，从而产生液固湍流场，颗粒在湍流场中具有湍流的特性，以获得大能量变速湍流场，同时盖筒2的顶部内壁的扰流筋5可在研磨过程中扰乱筒内涡流场，大大提高了磨介与物料的碰撞概率，从而利用强力冲击产生的碰撞与振动力场实现超硬超微粉体的粉碎细化，空间曲面涡轮3-1采用离心式导流，盲区消失，改善了传统磨机底部乏能区的现象。
对上述研磨过程进行湍流粘性仿真测试，结果如图8所示，可见，空间曲面涡轮3-1中心处湍流粘性较高，且在盖筒2内部湍流粘性分布不均匀。湍流粘性是对流体流动状态的反映，其仿真测试云图反映出空间曲面涡轮3-1对盖筒2内部流体搅拌充分，有助于设备的研磨。
实施例2
一种超硬超微粉体立式液力湍流磨，本实施例与实施例1的区别在于，空间曲面涡轮3-1的内叶片与轴心盘呈30°倾角；盖筒2的筒顶内壁设有4个扰流筋5，4个扰流筋5相互间隔90°竖直均布在盖筒2的内壁顶部（如图7所示）。
采用本实施例的超硬超微粉体立式液力湍流磨进行湍流粘性仿真测试,结果如图9所示，可见，空间曲面涡轮3-1中心处湍流粘性较高，在空间曲面涡轮3-1上方两侧较上方中心位置较高，盖筒2内部的湍流粘性整体分布不均。湍流是因为涡流的扩散，涡流带动流体的随机运动，而湍流粘性的分布不均反映了流体流动不均，对颗粒相互碰撞、剪切起到一定作用。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨，其特征在于，包括机构底座（1）、盖筒（2）、空间曲面涡轮式研磨机构（3）和主轴驱动机构（4），所述盖筒（2）可拆卸安装于机构底座（1）上，盖筒（2）内腔与机构底座（1）围成研磨内腔，所述盖筒（2）的筒顶内壁设有扰流筋（5），所述主轴驱动机构（4）安装于机构底座（1）上，并驱动连接空间曲面涡轮式研磨机构（3），带动空间曲面涡轮式研磨机构（3）同步旋转，所述空间曲面涡轮式研磨机构（3）安装于研磨内腔中。
2.根据权利要求1所述的高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨，其特征在于：所述机构底座（1）的中部开设有安装孔（1-1），且安装孔（1-1）对应的机构底座（1）底部留设有主轴驱动机构容纳腔，所述安装孔（1-1）外周机构底座（1）顶部均布有下螺纹孔（1-2），所述盖筒（2）的底部外沿对应均布有上螺纹孔（2-1），所述盖筒（2）盖设于机构底座（1）上，且上螺纹孔（2-1）与下螺纹孔（1-2）孔位对齐，通过螺栓与上、下螺纹孔螺纹配合，所述盖筒（2）锁紧固定在机构底座（1）上。
3.根据权利要求2所述的高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨，其特征在于：所述下螺纹孔（1-2）和上螺纹孔（2-1）均设置有8个，且盖筒（2）与机构底座（1）之间增设有密封垫圈，所述盖筒（2）通过螺栓依次穿设上螺纹孔（2-1）和下螺纹孔（1-2）而密封锁紧在机构底座（1）上。
4.根据权利要求1所述的高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨，其特征在于:所述扰流筋（5）为三棱柱状凸棱，三棱柱状凸棱与盖筒（2）的顶部内壁一体成型，且三棱柱状凸棱设置有2～4个，竖直均布固定在盖筒（2）的内壁顶部。
5.根据权利要求4所述的高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨，其特征在于：所述三棱柱状凸棱在横向上由上至下逐渐向内收缩，在纵向上由盖筒（2）内壁顶部竖直向下延伸至盖筒（2）底部1/3高度处。
6.根据权利要求5所述的高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨，其特征在于：所述主轴驱动机构（4）包括电机、轴承转头（4-1）、主轴（4-2）和螺帽垫片（4-3），所述电机放置于主轴驱动机构容纳腔中，电机转速为6000～30000r/min，所述轴承转头（4-1）安装在电机输出轴上，所述主轴（4-2）底部螺纹连接在轴承转头（4-1）中心处，并通过螺帽垫片（4-3）限位锁紧，所述主轴（4-2）由安装孔（1-1）竖直向上穿入研磨内腔中。
7.根据权利要求6所述的高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨，其特征在于：所述空间曲面涡轮式研磨机构（3）包括空间曲面涡轮（3-1）、上橡胶垫圈（3-2）、轴瓦（3-3）、钢垫片（3-4）、下橡胶垫圈（3-5），刀片组卡簧（3-6）和刀片组轴承（3-7），所述轴瓦（3-3）固接于空间曲面涡轮（3-1）底部，所述刀片组轴承（3-7）安装在主轴（4-2）上且设置于轴瓦(3-3）内部，所述刀片组卡簧（3-6）设置于刀片组轴承（3-7）下端且刀片组卡簧（3-6）内侧端卡接在主轴（4-2）的上下螺帽（4-4）之间，所述上橡胶垫圈（3-2）设置于刀片组轴承（3-7）上端且密封设置于轴瓦(3-3中心处，所述下橡胶垫圈（3-5）设置于轴瓦（3-3）和刀片组轴承（3-7）之间,所述主轴（4-2）上端设有外螺纹段，所述空间曲面涡轮（3-1）中部设有内螺纹孔，通过外螺纹段穿设内螺纹孔并配合螺母锁紧，所述空间曲面涡轮（3-1）锁紧固定在主轴（4-2）上端，随主轴（4-2）同步转动。
8.根据权利要求7所述的高效的超硬超微粉体立式液力湍流磨，其特征在于：所述空间曲面涡轮（3-1）为钢材质叶片，所述钢材质叶片的表面设有立方氮化硼涂层；所述空间曲面涡轮（3-1）包括一体成型的轴心盘（3-11）和扭曲叶片（3-12），所述扭曲叶片由内叶片（3-121）和外叶片（3-122）组成，所述内叶片（3-121）为扭转状，所述外叶片（3-122）为平面状，所述内叶片（3-121）的内侧与轴心盘（3-11）相连接，所述内叶片（3-121）的外侧与外叶片（3-122）的内侧相衔接，所述空间曲面涡轮（3-1）的内叶片（3-12）与轴心盘（3-11）呈10～30°倾角。
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