畢業(yè)設(shè)計（論文）-雙圓盤式氣流粉碎機設(shè)計說明書

摘要雙圓盤式氣流粉碎機具有單圓盤氣流粉碎機中高速氣流對粒子的沖擊和摩擦作用，而且能使超高速運動、能量巨大的粒子產(chǎn)生碰撞，廣泛應(yīng)用于各種非金屬礦等原料的超微粉碎，與傳統(tǒng)的氣流粉碎相比生產(chǎn)效率更高。本次設(shè)計主要針對雙圓盤式氣流粉碎機進行設(shè)計。首先，通過對圓盤式氣流粉碎機結(jié)構(gòu)及原理進行分析，在此分析基礎(chǔ)上提出了總體結(jié)構(gòu)方案；接著，對主要技術(shù)參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設(shè)計與校核；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了雙圓盤式氣流粉碎機裝配圖及主要零部件圖。通過本次設(shè)計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設(shè)計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產(chǎn)品的設(shè)計方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。關(guān)鍵詞：雙圓盤；氣流粉碎；噴嘴；設(shè)計AbstractHighliftdevicecalledweightliftingdevice,atopheavymachinery,liftingmachineisawithrelativelysmallforcecantheweightlifting,descendingorshiftofsimpletools,canalsobeusedtocorrectthedeformationoftheequipmentinstallationandthedeviationofthecomponentsuchas.Electricliftingdeviceisaliftingdeviceforliftingheavyobjectsbyscrewdrive.Themotoriscomposedofamotor,abeltdrive,aturbinevortexroddrive,ascrew,anut,aliftingrod,etc..Thisdesignfirst,basedonthestructureandtheprincipleofelectricliftingdeviceofhighanalysis,thisanalysisbasedonputforwardtheoverallstructureschemeofandthen,thedesignandverificationofmaintechnicalparametersofthemainpartsisdiscussed;then,throughthethree-dimensionaldesignsoftwarePro/Edesigntheelectricliftingdeviceandmotionsimulationiscarriedout.Finally,drawtheelectricliftingdeviceassemblyandmajorpartsofthemap.Throughthedesign,theconsolidationoftheUniversityoftheprofessionalknowledge,suchas:mechanicalprinciples,mechanicaldesign,mechanicsofmaterials,toleranceandinterchangeabilitytheories,mechanicaldrawing;masterthedesignmethodofgeneralmachineryproductsandbeabletoskillfullyuseAutoCADdrawingsoftware,forthefutureworkinlifeisofgreatsignificance.Keywords:Liftingequipment;Turbine;Spiral;Design;Simulation目錄摘要 IAbstract II1.緒論 11.1選題背景 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.2.1氣流粉碎工藝參數(shù)的研究 11.2.2氣流粉碎理論的研究 22.總體方案設(shè)計 42.1主要技術(shù)參數(shù) 42.1.1設(shè)計參數(shù)選定 42.1.2總體方案選定 42.2設(shè)計思路 52.3設(shè)計方案流程圖 52.4本章小結(jié) 53.主要部件的設(shè)計和計算 63.1粉碎系統(tǒng)的設(shè)計和計算 63.1.1加速規(guī)律研究 63.1.2粉碎規(guī)律的研究 103.1.3噴嘴的設(shè)計和計算 133.1.4粉碎腔的設(shè)計和計算 143.2加料系統(tǒng)的設(shè)計和計算 153.3分級系統(tǒng)的設(shè)計和計算 173.3.1分級理論 173.3.2分級設(shè)備 173.3.3分級器設(shè)計 185.參考文獻 216.致謝 221.緒論1.1選題背景許多材料加工成超微狀態(tài)，會得到許多非微粒產(chǎn)品無法得到的特殊功能；如提高其在化學反應(yīng)中的反應(yīng)速率，改善其著色率、遮蓋力、色度，增強其分散、流變性、補強性等。因此，超微產(chǎn)品已廣泛的用于化工、醫(yī)藥、涂樹、農(nóng)藥、染料、電子等行業(yè)中，成為這些行業(yè)高性能高技術(shù)產(chǎn)品不可缺少的材料。目前我國的超細粉碎設(shè)備，基本上己與世界上定型機種處在同一水平線上，國際上成熟的機種，我國都能生產(chǎn)，如氣流磨、攪拌磨、塔式磨、振動磨、各類機械式高速沖擊磨等。但是由于我國在粉體技術(shù)的研究方面較世界先進國家起步晚，故設(shè)備研制也晚，基礎(chǔ)差，起點低，引進消化后所生產(chǎn)的各類設(shè)備，質(zhì)量難免良萎不齊，有些只是在低水平上重復，甚至有些概念含混不清?；谝陨锨闆r不僅可以看到超微粉碎的重要作用，也可以看到我國超微粉碎的薄弱之處。雙圓盤式氣流粉碎機具有單圓盤氣流粉碎機中高速氣流對粒子的沖擊和摩擦作用，而且能使超高速運動、能量巨大的粒子產(chǎn)生碰撞，廣泛應(yīng)用于各種非金屬礦等原料的超微粉碎，與傳統(tǒng)的氣流粉碎相比生產(chǎn)效率更高。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1氣流粉碎工藝參數(shù)的研究氣流粉碎機的參數(shù)研究包括幾何參數(shù)和工藝參數(shù)。幾何參數(shù)包括噴嘴直徑、噴嘴與噴嘴（或靶）間的軸向距離、粉碎室直徑等，工藝參數(shù)主要包括：原料初始粒度、分級輪頻率、工質(zhì)壓力（氣流速度）、引射壓力（進料速度）等。陳海焱、ArnaudPicot等的研究表明：工質(zhì)壓力提高使顆粒獲得的動能增加，碰撞能量增加，產(chǎn)品粒度更細。但是工質(zhì)壓力增加到某一值時，粒度減少的趨勢變緩。這是因為噴嘴氣流速度與工質(zhì)壓力并非線性關(guān)系，當工質(zhì)壓力超過一定值時，打破了噴嘴前后的壓力比，在粉碎室產(chǎn)生激波，氣相穿過激波時速度下降而固相速度幾乎不變，氣固相的速度差導致固相撞擊速度下降而影響了粉碎效果。因此，工質(zhì)壓力應(yīng)有一個最優(yōu)值。Rudinger認為，氣流粉碎過程中，顆粒濃度越高，加速過程中能量損失會更少。要使顆粒有效地粉碎，碰撞時的速度必須足夠高，即使在高顆粒濃度下，也可以通過提高噴嘴的壓力而使顆粒加速，但是，壓力不能無限地增大，因為隨著壓力的增加，壓縮機的能耗將以非線性的方式快速地增加。進料速度是影響粉碎效果的重要參數(shù)之一，進料速度主要由粉碎區(qū)的持料量決定。進料速度的大小決定粉碎室每個顆粒受到的能量的大小。當加料速度過小，粉碎室內(nèi)顆粒數(shù)目不多時，顆粒碰撞機會下降，顆粒粒徑變大；當進料速度過大時，粉碎室內(nèi)的顆粒濃度增加，每個顆粒所獲得的動能減少，導致由碰撞轉(zhuǎn)變成顆粒粉碎的應(yīng)變能變小，顆粒粒徑增加，顆粒粒度分布大，因此尋找最佳進料速度是很重要的。1.2.2氣流粉碎理論的研究根據(jù)氣流粉碎原理，其基礎(chǔ)理論研究主要包括了以下方面：高速氣流的形成，顆粒在高速氣流中的加速規(guī)律，顆粒沖擊粉碎規(guī)律，氣流粉碎機參數(shù)的研究。氣流粉碎中物料粉碎的能量來源于高速氣流，高速氣流則是依靠噴嘴將氣流的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能而形成的。氣流粉碎的噴嘴可分為收縮型和縮擴型(Laval型)，目前主要采用縮放型噴嘴。在氣流粉碎機研制之初，在計算方法的確定、型面曲線修正、起始擴散角控制等方面，研究人員依據(jù)氣體動力學原理，在噴嘴的設(shè)計理論和基礎(chǔ)實驗研究方面作了一定的工作。葉菁等利用定常二維無旋超音速流的數(shù)值方法——特征線法，結(jié)合氣流粉碎機的流動特征，分析了噴嘴管壁特征線的設(shè)計方法，提出了等流能噴嘴設(shè)計的方法與步驟。陳志敏等對超音速氣流粉碎機的噴嘴流動狀態(tài)及結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了分析，探討了獲得有效噴射速度的超音速噴嘴的設(shè)計方法。金鈴采用Fluent軟件對流化床氣流粉碎機噴嘴位置進行了數(shù)字模擬，分析粉碎機腔體中的流場，分析結(jié)果表明，在噴嘴位置的設(shè)計上，存在最佳的安裝位置，使得粉碎性能達到最佳。這與金振中的研究結(jié)果相一致。MGrujicic等人通過對噴嘴流場分析，優(yōu)化了噴嘴內(nèi)型，使得氣體的拖曳力增加，顆粒的加速度增大，在相同的距離速度進一步提高，這樣增大了物料顆粒的速度，不但可以將顆粒更加細化，而且提高了系統(tǒng)的效率。HiroshiKatanoda等對顆粒在超音速噴嘴內(nèi)部和外部的流動流場做了數(shù)值模擬和分析，并對顆粒的速度和溫度分布做了預(yù)測和分析。楊軍瑞等為解決傳統(tǒng)氣流粉碎能量利用率不高、物料加速效果差、粉碎效果差等問題，通過對氣流粉碎中噴嘴結(jié)構(gòu)的改進，設(shè)計了一種新型環(huán)形復合噴嘴。通過Fluent數(shù)值模擬，表明新型環(huán)形復合噴嘴比常規(guī)噴嘴具有射流速度快、射流相對集中和射程遠等優(yōu)點。王利文等對氣流粉碎裝置的噴嘴結(jié)構(gòu)和參數(shù)運用均勻設(shè)計法進行設(shè)計與優(yōu)化，采用流體動力學軟件對所設(shè)計噴嘴進行流場模擬，應(yīng)用有限元分析軟件對噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力情況進行分析，討論了入口直徑、入口穩(wěn)定段長度、喉部臨界截面和內(nèi)腔造型對噴嘴性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，入口壓力3.5MPa，入口直徑為6mm的噴嘴為設(shè)計的最佳噴嘴．內(nèi)腔錐角在8°-12°之間變化時，對噴嘴的性能影響不大，內(nèi)腔造型為光滑曲面時噴嘴性能最佳。何楓、謝峻石等人根據(jù)可壓縮流體軸對稱n-s方程，利用RANκ-ε湍流模式和有限體積法，采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對不同內(nèi)部流道型線的噴嘴自由射流進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：軸對稱等直徑圓管噴嘴，進口處的流道型線對射流流道參數(shù)的分布影響較大；軸對稱收縮噴嘴的收縮角大小主要影響射流出口附近的流動，對流動具有不同的阻滯效果，并據(jù)此提出收縮噴嘴內(nèi)部流道型線采用維多辛斯基曲線可以獲得優(yōu)良的流動特性。2.總體方案設(shè)計2.1主要技術(shù)參數(shù)2.1.1設(shè)計參數(shù)選定設(shè)計一雙圓盤式氣流粉碎機，要求原料粒度：0.5-5mm，粉碎成品粒度<10-25μm。2.1.2總體方案選定通過分析現(xiàn)有氣流粉碎機結(jié)構(gòu)及原理得出了本雙圓盤式氣流粉碎機的設(shè)計方案如下圖：圖2-1雙圓盤式氣流粉碎機方案圖2.2設(shè)計思路通過分析現(xiàn)有氣流粉碎機結(jié)構(gòu)及原理得出了本雙圓盤式氣流粉碎機的設(shè)計方案，再根據(jù)現(xiàn)有氣流粉碎理論計算總體結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，然后采用AutoCAD軟件結(jié)合總體結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)繪制本雙圓盤式氣流粉碎機總體裝配圖，最后拆畫各主要零部件圖紙。2.3設(shè)計方案流程圖分析現(xiàn)有氣流粉碎機結(jié)構(gòu)及原理→本雙圓盤式氣流粉碎機的設(shè)計方案→計算總體結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)→繪制總體裝配圖→拆畫各主要零部件圖紙。2.4本章小結(jié)本章主要完成了本雙圓盤式氣流粉碎機的總體方案設(shè)計。3.主要部件的設(shè)計和計算3.1粉碎系統(tǒng)的設(shè)計和計算3.1.1加速規(guī)律研究目前氣流粉碎機的設(shè)計中，一直依據(jù)射流軸心速度衰減速度在10de~20de，確定噴嘴距粉碎中心點的距離。沒有考慮顆粒加入噴射氣流后對氣流速度的影響，也未考慮顆粒在氣流中加速的距離要求。對于不同的工質(zhì)，噴嘴出口速度的表達式不同。壓縮空氣工質(zhì)噴嘴出口速度為：式中，p0，pp1——噴嘴進口、出口處的壓力；ν0——進口處的比容；k——定熵指數(shù)，空氣的k=1.4。而過熱蒸汽工質(zhì)噴嘴出口速度是：式中，i———比焓，J/kg。這兩個公式對物料不通過噴嘴的情況進行計算是比較準確的，而對物料通過噴嘴的情況則需要進行修正，因為氣流中的顆粒對氣體的速度有影響。固體顆粒在氣流磨中的加速過程包括兩個階段：氣固混合時的加速和氣固流在噴嘴中的加速。目前，對物料和壓縮氣體一起通過噴嘴的情況下顆粒的加速規(guī)律研究得比較多。氣體壓入混合室與物料混合，由于混合室的壓力稍低于噴射氣流的壓力，所以混合是在低速下進行的，能量損失較少。經(jīng)過動量傳遞和能量轉(zhuǎn)換，混合物成為氣固均質(zhì)二相流。物料以一定角度進入氣流，致使運動為非一維流動。令u為x方向的氣流速度，υp為顆粒的速度，τV為速度松弛時間。假設(shè)顆粒以x方向的速度分量up，0，y方向速度υp，0進入氣流，拖曳力系數(shù)為標準的拖曳力系數(shù)，則：（3）（4）式中，D——顆粒的粒徑；ρ——氣體密度。此式中前一項參數(shù)代表與顆粒初速度相關(guān)的雷諾數(shù)。令，對公式（3）積分，得（5）所以當Z=0時，獲得顆粒的最大滲透量ymax：（6）同理，可得（7）從單一顆粒出發(fā)，假定氣流沿其行程的速度是時間的一次函數(shù)，即u(t)=ue+bt，從理論上推導出了單個顆粒運動速度與噴嘴氣流出口速度之間的關(guān)系為：（1-1）式中，us——顆粒速度隨時間變化的值；ue、u(t)——氣流出口速度和氣流速度隨時間變化的函數(shù)值；τV——運動的速度松弛時間；t——時間；ρs——顆粒密度；ds——顆粒直徑；ug——氣流的粘性系數(shù)。氣流粉碎中噴嘴氣流速度出口通常是減速的。但是當氣流速度為時間的二次函數(shù)時，求解顆粒的氣流速度較為困難。在實際工作中，求解顆粒在不同氣流運動速度曲線下的空間位置的變化更為重要。根據(jù)斯托克斯阻力定律推導出顆粒在一定氣流速度下所獲得的運動速度與加速距離之間的關(guān)系為：（1-2）噴嘴中氣固兩相流的情況在一定的假設(shè)條件下用7個方程進行了描述，即氣體的連續(xù)性方程、固體顆粒的連續(xù)性方程、氣固混合物的動量方程、由于氣體與固體的速度差而產(chǎn)生的曳力(其相互作用的力)方程、熱傳遞方程、狀態(tài)方程。對于可壓縮流體流動的描述，還補充能量方程和與壓力、溫度、密度相關(guān)的狀態(tài)方程。而且，氣流粉碎希望能將動能盡可能大地用于固體顆粒的粉碎，減小能耗，因此能量問題是研究的重點之一。在氣流粉碎中，用噴嘴的膨脹氣流加速顆粒，由于噴嘴壁面的摩擦，氣體與顆粒之間的滑移以及在噴嘴出口的氣流未消耗動能，能量并未完全轉(zhuǎn)化為顆粒的動能。他們用噴嘴出口的顆粒動能與所施加的總能量之比定義噴嘴的加速效率，推導出Laval噴嘴內(nèi)所加速顆粒的加速效率為:（1-3）式中，η——噴嘴加速效率；use——噴嘴末端氣顆粒速度；L——噴嘴長度D——噴嘴直徑μ——氣固濃度λ、λs——純氣流和有顆粒加入時的摩擦因子?？梢姡瑖娮斐隹诘臍饬魉俣扰c顆粒速度之比、氣固濃度和噴嘴的幾何尺寸對顆粒的加速效率均有影響。由于能量損失，輸入的能量只有部分能用于接下來的粉碎過程，能量損失主要包括:噴嘴出口處氣體動能的損失;氣體與器壁摩擦引起的能量損失;固體顆粒與器壁摩擦引起的能量損失;氣體與顆粒之間存在的速度差產(chǎn)生的滑移引起的能量損失。氣流粉碎氣固混合流的動力學模型，建立不同顆粒濃度的條件下氣流粉碎的性能分析與設(shè)計。通過模擬分析表明:固體顆粒的質(zhì)量流量和顆粒尺寸對能量的損失有很大的影響，從而影響噴嘴中顆粒的加速過程。固氣質(zhì)量流量比μ是決定流動過程中顆粒速度的重要參數(shù)之一。顆粒與噴嘴內(nèi)壁的磨擦的模型雖然還進一步的研討，但都可以估計動能損失的范圍。根據(jù)能量和動量守恒，假設(shè)氣固流在噴嘴中的流動過程為等壓過程、進料速度為0，從而估算出氣固的非彈性氣固作用而引起的氣體動能的損失為:（1-4）式中:Eloss——氣體的動能損失；Ekin一氣體流過噴嘴的動能式(1-4)表明，對于高μ值的氣固流，噴嘴加速效率不高，能量損失大。因此噴嘴氣流粉碎機效率的降低主要是由顆粒的加速過程引起的。Eskin還提出了一維單分散模型，它考慮了流體的多分散性和顆粒與噴嘴壁的摩擦，提出了最一般的方程組。由于噴嘴中的能量損失主要是由氣固流的粘性引起的，因此他根據(jù)流動模型估計了能量損失:（1-5）建立了一個簡單的顆粒與噴嘴壁摩擦能損失的估算的計算模型。摩擦被認為是顆粒與噴嘴壁碰撞引起動能損失的過程。假定加速顆粒的偏心碰撞引起了徑向顆粒運動。這個模型符合一般的動能定律，不同的是在產(chǎn)生階段假定了平均徑向速度。為了獲得一個方向的近似值，摩擦動能損失分配在過流橫斷面所有的顆粒上。數(shù)值研究表明如果噴嘴壁面粗糙，顆粒的摩擦會極大地降低顆粒速度。應(yīng)用CFD軟件，利用Lagrangian法模擬計算了管道和擴散段中的氣固流。在軟件中加入計算顆粒相互干擾，顆粒與管壁的碰撞以及顆粒角速度的子程序后，模擬計算管道中的軸向顆粒速度和氣固濃度，結(jié)果與采用激光測速(PDA)技術(shù)測試結(jié)果非常吻合。3.1.2粉碎規(guī)律的研究顆粒碰撞比較復雜的問題是顆粒的碰撞概率，顆粒在加速后能否相互碰撞及碰撞幾率對氣流粉碎機的能效比有較大的影響。1959年，RumPf應(yīng)用Hertz理論分析了顆粒碰撞的應(yīng)力分布與沖擊速度的關(guān)系，結(jié)出了兩顆粒以一定的速度碰撞所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為：（1-6）式中，m1、m2——兩顆粒的質(zhì)量，kg；r1、r2——兩顆粒碰撞部位的曲率半徑，m；μ1、μ2——兩顆粒的泊松比；Y1、Y2——兩顆粒的彈性模量；——顆粒的相對運動速度，m/s。在特殊情況下，其中，——介質(zhì)中聲速當σmax超過顆粒在一定粒級下的強度時，即產(chǎn)生破壞，RumPf據(jù)此計算出了不同沖擊速度下，球與球、球與平板相撞時的σmax/Z值。并對玻璃球和石灰石進行的高速沖擊粉碎試驗證明:從能耗的角度來說，不同的物料以及不同粒度的同一物料都存在著一個最優(yōu)的沖擊速度，使粉碎的能耗最低。當速度大于該值時，能得到更細的產(chǎn)品，但能量利用率降低。借用分子論中自由平均行程來表示顆粒間的平均距離:(1-9)式中，λ——顆粒間的平均距離；（1-ε）——固體容積濃度。λ越小，碰撞幾率越大。當顆粒的減速路程大于其λ時，顆粒才能碰撞，否則，顆粒未能相撞已停止運動。因此氣流粉碎實際研究中，主要間接地從加料速度與粉碎效果的關(guān)系上，摸索顆粒的容積濃度的大小，保持比較理想的顆粒碰撞幾率，同時不因顆粒容積濃度太大而影響顆粒在氣流中的加速?？紤]了單向流動和顆粒在靜止氣體中的減速，對氣流粉碎區(qū)進行了分析。規(guī)定95%的顆粒與其相反方向運動的顆粒碰撞的區(qū)域在噴嘴軸向上的長度為I95：（1-10）由式(l-10)計算可知，I95很短。因此，顆粒在粉碎區(qū)的碰撞頻率很高，而強烈的碰撞過程必然導致顆粒的減速，所以粉碎區(qū)中的顆粒濃度和水力阻力會有很大的提高，與在自由噴射中的μ值相比，其μ值也將提高。另外一個重要的問題是氣體對顆粒碰撞過程的影響。Eskin為了建立一個模型，做了如下假設(shè)：a高速氣固流流進靜止的粉碎區(qū)；b高顆粒濃度的區(qū)域在粉碎區(qū)中心形成，而且假設(shè)氣體和固體顆粒在粉碎區(qū)的速度都為0；c在粉碎區(qū)入口處，氣體和固體的速度相等，u=us；d.粉碎區(qū)的u值與在噴嘴中的u值相等；e顆粒碰撞模型與用于計算噴嘴中氣固流的模型相同。假設(shè)噴射流中的顆粒進入粉碎區(qū)時未改變方向，通過與粉碎區(qū)靜止的顆粒碰撞和靜止氣體流動產(chǎn)生的摩擦而減速。顆粒與顆粒間的碰撞可看作是一個力對顆粒的作用，這個力可進一步認為在自由程內(nèi)是個常數(shù)，可計算為：（1-11）式中，k——顆粒與顆粒碰撞的復位系數(shù)。如果假設(shè)碰撞的顆粒是極好的塑性物料，碰撞的力與粉碎區(qū)入口處的摩擦力之比為（1-12）式中，Re——雷諾數(shù)，可根據(jù)顆粒速度計算，因為顆粒是在靜止氣體中運動。這個公式在0.5≤Re≤10000范圍內(nèi)是有效的。如果物料是極好的彈性材料，則上式中的乘數(shù)2必須變?yōu)?，即上述對顆粒沖擊粉碎的探討，有一定的局限性，包含大量缺陷的顆粒破碎遠比理論上建立的力學過程復雜。顆粒粉碎后的粒徑是一個相當復雜的問題。同時，顆粒粉碎的環(huán)境不同，顆粒的狀態(tài)、性能、設(shè)備及工況不同，顆粒的破碎與能耗關(guān)系也不同，很難有一個通用的表達式，而且許多參數(shù)必須采用實驗的方法進行確定。但在單顆粒的基礎(chǔ)上研究了顆粒的比粉碎能與顆粒碰撞強度的關(guān)系，認為顆粒的粉碎粒徑與顆粒自身的一些性能有較大關(guān)系，由此給出顆粒粉碎所需碰撞速度的大小，對以沖擊破碎為機理的氣流粉碎而言，有一定的指導作用。若能從微觀角度和顆粒間的相互作用出發(fā)，研究顆粒碰撞過程中裂紋的發(fā)生、發(fā)展和聚集過程，以及顆粒的運動，碰撞受力、能量傳遞等，能更明確顆粒斷裂的本質(zhì)。對粉碎過程的能量利用率進行了研究。粉碎過程的能量效率隨顆粒尺寸的減小、粉碎時間的增加、輸入能的增加而減小。粉碎介質(zhì)的動能用于顆粒的粉碎，表現(xiàn)為顆粒尺寸的減小。Y.Kanda從斷裂力學出發(fā)，并考慮顆粒強度尺寸效應(yīng)，在碰撞實驗的基礎(chǔ)上，推導出顆粒粉碎能與顆粒粒徑的關(guān)系和顆粒破壞所需求的沖擊速度和顆粒粒徑的關(guān)系為（1-7）式中，Es——顆粒粉碎能，J；Us——顆粒碰撞速度，m/s；Y——顆粒的彈性模量，Pa；ν——泊松比；S0——單位體積顆粒的抗壓強度，Pa；V0——單位體積；m——威布爾均勻系數(shù)一定沖擊速度下顆粒內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力值，而未考慮顆粒的強度隨其尺寸的減小而增大，而Y.Kanda的研究較全面，考慮到了顆粒強度的尺寸效應(yīng)，但實際問題遠非如此簡單，如顆粒碰撞時產(chǎn)生的應(yīng)力未能達到或超過其強度值，或顆粒碰撞速度未能達到Y(jié).kanda所推導的顆粒破壞速度值，二人均未給出全面的回答，當顆粒碰撞后未產(chǎn)生破壞，一定在其內(nèi)部產(chǎn)生損傷，使下一次碰撞要求速度值相應(yīng)降低，但降低的值有多少，顆粒連續(xù)碰撞下能量如何吸收及多次碰撞的顆粒強度值如何考慮，國內(nèi)外學者尚未對此給出解釋。等在實驗室中利用氣壓槍加壓單顆粒的聚合物沖擊在靶上，研究了顆粒的沖擊破壞機理。驗證了Hertz在顆粒沖擊破壞情況的合理性。總能量平衡原理為根據(jù)，通過測量碰撞顆粒的沖擊速度、反彈速度、變形和沖擊力，計算了一定粒度聚合物顆粒沖擊破壞的最小速度，單位斷裂能、在一定沖擊速度下單位斷裂能的最小值。將顆粒在噴嘴中加速到120m/s到250m/S，然后碰撞到一個靶上，通過測量顆粒碰撞前后的速度來看評估沖擊的能量損失。其采用了二種不同的顆粒速度測量系統(tǒng)，一種在極低的濃度下，可以認為顆粒為單顆粒碰撞靶，采用高速攝影(HSSV)測量速度，顆粒的軌跡采用圖像分析儀分析，第二種在中等到高濃度狀態(tài)下，采用二套發(fā)射一接收光纖(Veotor)來測試速度。試驗研究了氣流粉碎工作機理、氣流速度、氣固濃度、噴嘴與靶的距離、沖撞靶的材料性質(zhì)與排列方向影響因素對氣流粉碎的影響。通過實驗得出粉碎速率與顆粒生成新表面速率的經(jīng)驗關(guān)系式：（14）式中，R——粉碎速度，kg/h；df、dp——進料和產(chǎn)品的平均顆粒直徑；m、X、C——與物料相關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)。由于粉碎區(qū)域的速度很高，直接測量有一定的困難，以上的研究基本上是理論分析推導和實驗驗證，因此還有許多問題值得進一步探討。3.1.3噴嘴的設(shè)計和計算經(jīng)上述計算噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：圖3-1噴嘴3.1.4粉碎腔的設(shè)計和計算經(jīng)上述計算噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：圖3-2粉碎腔3.2加料系統(tǒng)的設(shè)計和計算已知：P(表壓)=4kgf/cm2=0.4Mpa即P1=0.5MpaP2=0.1Mpaφ2=5mm根據(jù)一元穩(wěn)定流動的連續(xù)性方程m1=m2==式中：m1m2—截面1、2的質(zhì)量流量kg/sA1A2—截面1、2的面積m2C1C2—截面1、2處工質(zhì)的速度m/sV1V2—截面1、2處工質(zhì)的比容m3/kg截面1處P1V1=RT其中P1=0.5Mpa=5×105PaR=287.1T=293KV1==(287.1×293)÷5×105=0.168m3/kg截面2處Pc為臨界壓力對于空氣K=1.4β=0.528Pc=0.528P1=2.64×105Pa由于P2<Pc,這時噴管出口截面上氣流的壓力只能是臨界壓力Pc,出口處流速為臨界流速 Cc,即為音速。C2=Cc=2KRT[1-(Pc/P1)(K-1)/K]/K-1=2KRT/K+1=2×1.4×287.1×293÷(1.4+1)=313.3m/sV2=V1(P1/Pc)1/k=0.168×(5×105/2.64×105)1÷1.4=0.419m3/kg所以加料器的空氣質(zhì)量流量為m加=A2C2/V2=πd2C2/4V2=3.14×(0.005)2×313.3÷4÷0.419=0.01467kg/s3.3分級系統(tǒng)的設(shè)計和計算經(jīng)粉碎的物料通過管路進入分級器，分級器屬于本設(shè)計粉碎機的一部分，但在設(shè)計中采用相對獨立的設(shè)計思想，所以分級器是相對獨立的部分。不過分級器的設(shè)計要與整個粉碎要求相配合，結(jié)合設(shè)計特點，要有著方便的可調(diào)節(jié)性，這樣就可以針對不同的物料，不同的粒度進行要求不同的分級。3.3.1分級理論分離后獲得的某種成分的質(zhì)量與分離前粉體中所含該成分的質(zhì)量之比為分離效率。用下式表示H=(m/m0)*100%式中，m0,m分別為分離前粉體中某成分的質(zhì)量和分離后獲得的該成分的質(zhì)量；H為分級效率。經(jīng)粉碎后的的粉體處于一個大的粒度分布范圍，往往不能滿足對超細粉體一定粒度范圍的要求，而分級就是把合格的產(chǎn)品分離出來加以利用，把不合格的產(chǎn)品再進行粉碎，避免了能源浪費和產(chǎn)品過粉碎。粉體行業(yè)的關(guān)鍵問題，是物料的超細分級問題。分級在粉碎中起著重要的角色及時地把粉碎合格的細小顆粒分離出來，變成成品，而將大顆粒返回粉碎系統(tǒng)繼續(xù)粉碎。這種粉碎機與分級器相結(jié)合的形式可以組成開路貨閉路循環(huán)。粉碎-分級系統(tǒng)如圖示。3.3.2分級設(shè)備分級的理論很多，帶來的分級設(shè)備的種類也很多，分級的方法機設(shè)備如下。超細粉體分級按物料狀態(tài)分為：①干法分級，②濕法分級；③超臨界分級(介于干法和濕法之間)。細粉體分級按分級力場不同可分為：重力場分級，離心力場分級，慣性力場分級，電場力分級，磁場力分級，熱梯度力場分級，色譜分級。按使用設(shè)備類型分可分成旋流式分級(即常用的水力旋流器)，干式機械分級(常用的葉輪分級機，渦流分級機等)，碟式分級，臥螺式分級，靜電場分級，超界分級等。下面簡單介紹幾種用于分級方面的設(shè)備：a．篩分設(shè)備篩分一般適用于較粗物料（粒度>0.05mm）的分級。b．粗分級機粗分級機也稱粗分離器，它是空氣一次通過的外部循環(huán)式分級設(shè)備。c．離心式選粉機離心式選粉機（內(nèi)部循環(huán)式）屬第一代選項粉機，也稱內(nèi)部循環(huán)式先粉機。d．旋風式選粉機旋風式選粉機屬第二代選項粉機，也稱外循環(huán)式選項粉機。其內(nèi)部設(shè)計保持了離心式選項粉機的特點，但外部設(shè)有獨立的空氣循環(huán)風機，它取代了離心式選粉機的大風葉。細粉分離過程在外部旋風分離器中進行。3.3.3分級器設(shè)計在研究分級理論，查閱相關(guān)分級器資料后結(jié)合分級特點，本設(shè)計中分級部分優(yōu)先考慮葉輪旋轉(zhuǎn)式分級。這種分級原理在其他分級器中有著普遍應(yīng)用，所以其理論是很成熟的。由于本設(shè)計的可分級粒度較寬，可調(diào)節(jié)性較強，暫且稱之為連續(xù)可調(diào)分級器--完全分級器。（1）完全分級理論如圖示在分級器內(nèi)，分體可力隨氣流作渦旋運動，顆粒切線方向的分速度為v，顆粒受沿旋流半徑向外的離心力Fr的作用，另一方面，按切線方向進入的氣流與物料的混合狀態(tài)左旋回運動的同時，有向心分速度vr，產(chǎn)生相內(nèi)的作用力FR，顆粒與氣流的相對速度為wr.。當Fr>FR時顆粒向外運動成為粗粉，當Fr<FR時顆粒向內(nèi)運動成為細粉，F(xiàn)R=Fr時的半徑成為分級半徑dc。（2）分級器結(jié)構(gòu)分級其主要包括分級室，分級葉輪，傳動部分，電動機。（3）工作原理參見分級器簡圖，電動機是可調(diào)變速電動機，在電動機一定的轉(zhuǎn)速下，但動也輪在分級室內(nèi)，做軸向旋轉(zhuǎn)，帶動從進料口進入的粉碎后的物料一同回轉(zhuǎn)。滿足顆粒要求得物料會運動之中間經(jīng)出料口，進入收集裝置。為達到粒度要求的顆粒將運動至葉輪外部落至分級漆底部進行粗料的返回處理。本分級機，被分級粉體的某一粒級所受的向心力與轉(zhuǎn)速作用的離心力達到平衡時這就是理論上所謂的臨界分級點。而分級粒徑的大小，即最終獲得細粉粒徑的大小，取決于臨界分級點的控制。（4）分級器結(jié)構(gòu)設(shè)計線關(guān)于分級器的資料很多，可選用的分級器類型眾多，但為了使這個粉碎設(shè)備更具有整體性，本設(shè)計中自行設(shè)計分級器，從而使整個設(shè)備更加協(xié)調(diào)，適用。分級器的結(jié)構(gòu)中葉輪部分采用水平軸向，垂直切向進料，軸向出料。關(guān)于粗料收集部分，粗料收集可以直接返回進料器，也可以先收集儲存后在進入加料器。本設(shè)計中采用后者，該設(shè)備在加工成型后將用于試驗，先收集后可對粗料的質(zhì)量，粒度進行分析，更有利于對氣流粉碎的進一步研究。粗料收集器，在設(shè)計中將其連接在分級器下部，結(jié)構(gòu)參見圖紙。分級器和粗料收集器具體尺寸參見圖紙。4.總結(jié)畢業(yè)設(shè)計是對大學中所學知識的回顧，是對以往所學知識的綜合運用，鍛煉了我們的獨立思考能力、獨立解決工程實際問題的能力、畫圖能力，更是從課本中的理論知識到生產(chǎn)實際的轉(zhuǎn)變。在這之前，雖然經(jīng)過四年的學習學到