小型球磨机设计及关键零部件分析.pdf

165工 艺 与 装 备小型球磨机设计及关键零部件分析刘二博李永宏杨立权李光喜（平顶山学院 河南省超声技术应用工程研究中心，平顶山 467000）摘要：球磨机主要用于物料的破碎、研磨和加工，它在实现工业生产自动化和推动工业生产进一步发展方面发挥着重要作用。但是传统的球磨机仍存在一些缺点，如工作效率低、整体结构庞大、转速较慢等。基于此，在设计中首先应确定小型球磨机的总体设计方案，并计算球磨机的主要参数。其次，分别对小型球磨机的传动装置和回转装置进行设计选型及相应的校核。最后，使用 ANSYS Workbench 校核分析设备的主要零部件，以求解和优化满足设计要求的方案。关键词：球磨机；ANSYS Workbench；传动装置；回转装置Small Ball Mill Design and Key Parts AnalysisLIU Erbo,LI Yonghong,YANG Liquan,LI Guangxi(Henan Engineering Research Center of Ultrasonic Technology Application,Pingdingshan University,Pingdingshan 467000)Abstract:The ball mills are mainly used for crushing,grinding,and processing materials,and play an important role in achieving industrial production automation and promoting further development of industrial production.However,traditional ball mills have some drawbacks,such as low work efficiency,large overall structure,and slow speed.Based on this,the overall design scheme of the small ball mill should be determined first in the design,and the main parameters of the ball mill should be calculated.Secondly,design,select,and verify the transmission and rotation devices of small ball mills.Finally,use ANSYS Workbench to verify and analyze the main components of the equipment to solve and optimize solutions that meet design requirements.Keywords:ball mill;ANSYS Workbench;transmission device;rotating device制造和研发高品质、高性能材料一直都是各个领域的共同追求。得力于科学技术和现代工业的高速发展与突破，小型球磨机通过机械力作用将物质分散并研磨成微米和纳米级的颗粒，从而得到高品质的产品1-2。传统的大型球磨机在制备和加工小批量材料方面存在效率低、精度差等问题3-4，而小型球磨机具有体积小、结构紧凑、灵活、精准和可控等特点，能够满足实验室制备小尺寸、小批量材料的需求。小型球磨机在制造过程中存在缺乏标准化和规范化制造标准的问题，导致制作和使用效果较差5-6，因此需要研究其设计、制造和加工工艺，以提高生产效率和产品精度。1整体参数设计本设计的小型球磨机主要包括动力装置、传动机构和回转机构，其中：动力装置由电机提供整个装置运转的机械动力；传动机构由减速器、联轴器、齿轮及附着在筒体上的齿圈组成；回转机构由中空轴和筒体组成7-9。1.1小型球磨机的基本参数经过初步计算，本设计中小型球磨机的基本参数如表 1 所示。1.2电动机的选型球磨机所需功率为 0.810.222wGkPVDnV=（1）式中：V为罐体容积；D为罐体内直径；n为额定工作转速；G1为研磨介质额定装量；k为电动机的储备系数，取 1.1；为电动机至外齿轮的传动总效率，取 0.885 6。代入数据可得，Pw=0.925 kW。电动机所需的工作效率为 wdPP=（2）基金项目：河南省科技攻关计划项目（212102210349）。*通信作者：杨立权。表 1小型球磨机基本参数罐体容积/m3罐体内直径/m罐体长度/m球磨机额定转速/（rmin-1）额定研磨介质装量/N额定研磨物料装量/N0.297 60.680.8245.1106004 280现 代 制 造 技 术 与 装 备1662023 年第 7 期总第 320 期代入数据可得，Pd=1.044 kW。根据计算结果，综合实际需求选取电动机型号为Y90L-4。2传动部分与回转部分设计传动部分主要由减速器、联轴器以及传动齿轮组成。回转部分主要由磨机筒体和中空轴组成，其中筒体是回转部分的主体，中空轴起支撑作用。2.1齿轮结构参数设计标准直齿圆柱齿轮的压力角为 20，精度为 7 级。小齿轮材料为 45 号钢，齿面硬度为 280 HB。大齿圈材料为 ZG310-570，齿面硬度为 280 HB。由于球磨机的工作状况为重载低速，且大齿圈连接在筒体外表面，拟定齿轮模数m=8，小齿轮齿数z1=20，大齿轮齿数z2=141。小齿轮分度圆直径为d1=z1m（3）大齿轮分度圆直径为d2=z2m（4）代入数据可得，d1=160 mm，d2=1 128 mm。中心距为 122dda+=（5）代入数据可得，a=644 mm。齿轮宽度为b=dd1（6）式中：d为齿宽系数，取 1。代入数据可得，b=160 mm。考虑不可避免的安装误差，为了保证设计齿宽，尽量节省材料，一般将小齿轮加宽 5 10 mm10，可取小齿轮齿宽b1=165 mm，大齿轮齿宽b2等于设计齿宽，即b2=b=160 mm。2.2筒体及中空轴设计2.2.1筒体设计筒体是球磨机的主体，是主要的工作部件之一。筒体的外形是薄壁圆筒状，选择 16Mn 钢作为筒体材料，筒体直径为 0.68 m，筒体外径为 0.70 m，筒体重量G0为 2 800 N。满负荷工作时，研磨介质重量G1为 600 N，物料重量G2为 4 280 N，整体重量G为 7 680 N。根据球磨机现实工作情况，绘制回转机构承受的弯矩图、剪力图和扭矩图，如图 1 所示。计算出筒体所受的弯矩和扭矩，并进行相应的校核分析。扭矩图剪力图RALRB弯矩图Xmax图 1回转部分的受力图按照物料均匀分布计算，筒体单位长度上的受力为q=G/L=9 366 N m-1，两端主轴承的支反力RA=RB=G/2=3 840 N，球磨机筒体所受的最大弯矩为 2max18MqL=（7）式中：Mmax为球磨机筒体所受的最大弯矩，Nm；q为筒体单位长度上的受力，Nm-1；L为筒体长度，m。将数据代入式（7）得，Mmax=784.22 N m。磨机筒体所受的扭矩为9550wkpMn=（8）式中：Mk为球磨机筒体所受的最大弯矩，N m；Pw为球磨机功率，kW。将数据代入式（8）得，Mk=196.3 N m。球磨机筒体所受当量弯矩为()22maxkMMM=+（9）式中：M为当量弯矩，N m；为折合系数，取为 0.5。将数据代入式（9）得，M=808.41 N m。球磨机筒体抗弯断面模数为()44eaRRWR=（10）式中：W为筒体抗弯断面模数，m3；Re为磨机筒体的外半径，取 0.35 m；Ra为磨机筒体的内半径，取 0.34 m。将数据代入式（10）得，W=0.029 m3。167工 艺 与 装 备球磨机筒体所受的弯曲应力为 MCW=（11）式中：为筒体所受的弯曲应力，Pa；C为筒体断面削弱系数，取 0.8。将数据代入式（11）得，=34 845.25 N m-1=0.035 MPa。球磨机筒体的许用弯曲应力为 110.27()8sbn+=（12）式中：为许用弯曲应力，Pa；-1为筒体材料的疲劳极限，Pa；-1 为筒体材料的许用疲劳极限，Pa；s为筒体材料的屈服极限，取 330 MPa；b为筒体材料的抗拉强度极限，取 5 000 MPa；n为安全系数，取 8。将数据代入式（12）得，=28.015 MPa。由上述计算结果可知，球磨机筒体的弯曲强度满足要求。在计算球磨机的筒体许用弯曲应力时，安全系数的选择至关重要。因为筒体是整个磨机的主要部件，在使用期间不可更换，必须确保筒体的强度和安全性能够达到设计要求，避免在使用过程中发生意外事故，所以在计算筒体许用弯曲应力时，安全系数不应低于 611。除了安全系数的问题，筒体在使用过程中还受到其他因素影响。例如：沿衬板之间的环向缝隙会导致物料在运动时磨损筒体内壁，使筒体厚度逐渐减薄；磨门角处及螺栓孔处可能会出现应力集中的问题；由于筒体由多个段节组成，应考虑钢板及焊缝的非均质性对强度的削弱。因此，在设计和生产球磨机时，需要全方位考虑筒体的安全性能，并在设计和制造过程中采取有效措施保障筒体的强度和可靠性。2.2.2中空轴设计球磨机的中空轴相当于它的主轴，承受球磨机的重量和旋转力矩，同时是球磨机传递动力的重要部件之一。一般大中型球磨机的中空轴多采用ZG 270-500，而小型球磨机因受力较小，考虑成本低和取材容易，一般采用铸铁或球墨铸铁12。本设计的球磨机直径较小，考虑成本问题，采用球墨铸铁铸造。中空轴所受的弯矩为MW=RBL（13）式中：MW弯矩，Nm；RB为出料端处的支反力，N；L为主轴承中心线到危险断面处的长度，m。将数据代入式（13）得，MW=23.04 N m。中空轴环状断面模数为 4412112242ddWd=（14）式中：W1为断面模数，m3；d1为中空轴外径，m；d2为中空轴内径，m。将数据代入式（14）得，W1=0.014 m3。中空轴所受的弯曲应力为 1WMKW=（15）式中：K为应力集中次数，取 2.0。将数据代入式（15）得，1=0.003 MPa。中空轴弯曲强度验算公式为()111 0.27sbn=+（16）式中：为中空轴许用弯曲应力；-1为中空轴材料的疲劳极限；n1为安全系数，取 7；s为中空轴材料的屈服极限；b为中空轴材料的抗拉强度极限。将数据代入式（16）得，=49.3 MPa。可见1，满足要求。在球磨机的设计和制造中，中空轴是一个至关重要的部件。它不仅支撑着筒体和磨体，还承受来自电机和减速器的转矩和力矩，因此需要具有较高的强度和可靠性。在计算中空轴的设计参数时，需要严格考虑安全系数的取值13，保障设备的正常运行，提高生产效率的同时延长设备的使用寿命，从而为企业带来更多的经济效益。3关键零部件性能分析3.1传动齿轮基于 ANSYS Workbench 分析使用 UG 软件建立齿轮齿圈传动模型，并将其导入 ANSYS Workbench Geometry 中，对齿轮齿圈划分网格14，在齿圈中心线施加一个 196 N 的瞬时力矩。对传动齿轮的传动进行静力学分析，分析结果如下：最大主应力为 0.331 54 MPa，最大变形量为 9.782 3 10-5 mm，最大弹性应变为 1.532 210-6，验证了结构的合理性。分析云图分别如图 2、图 3 和图 4 所示。3.2中空轴基于 ANSYS Workbench 分析使用 UG 软件建立中空轴实体模型，并将其导入ANSYS Workbench Geometry 中，对中空轴进行网格划分15。在中空轴与筒体连接处施加绕Z轴方向的力现 代 制 造 技 术 与 装 备1682023 年第 7 期总第 320 期矩 196 N，并添加相应约束。对该中空轴进行静力学分析，分析结果如下：最大等效应力为 0.597 28 MPa，最大变形量为 2.089 310-3 mm，最大弹性应变为2.280 210-6，验证了结构的合理性。分析云图分别如图 5、图 6 和图 7 所示。A：静态结构最大主应力类型：最大主应力单位：MPa时间：1 s2023/5/17 8:160.331 54 最大 0.286 25 0.240 96 0.195 67 0.150 38 0.105 10 0.059 80 0.014 51-0.030 77-0.076 06 最小 图 2齿轮机构最大应力分析云图A：静态结构总变形类型：总变形单位：mm时间：1 s2023/5/17 8:159.782 310-5最大 8.695 410-5 7.608 510-5 6.521 510-5 5.434 610-5 4.347 710-5 3.260 810-5 2.173 810-5 1.086 910-5 8.405 610-23最小 图 3齿轮机构最大变形分析云图A：静态结构最大主弹性应变类型：最大主弹性应变单位：mm/mm时间：1 s2023/5/17 8:161.532 210-6最大 1.405 110-6 1.228 910-6 1.052 810-6 8.766 410-7 7.005 010-7 5.243 610-7 3.482 210-7 1.720 810-7-4.056 510-9最小 图 4齿轮机构弹性应变分析云图A：静态结构最大主应力类型：最大主应力单位：MPa时间：1 s2023/5/17 8:260.597 28 最大 0.518 21 0.439 15 0.360 08 0.281 02 0.201 96 0.122 89 0.043 82-0.035 23-0.114 30 最小 图 5中空轴最大应力分析云图A：静态结构总变形类型：总变形单位：mm时间：1 s2023/5/17 8:000.002 089 3 最大 0.001 857 2 0.001 625 0 0.001 392 9 0.001 160 7 0.000 928 5 0.000 696 4 0.000 464 3 0.000 232 1 0.000 000 0 最小 图 6中空轴最大变形分析云图A：静态结构最大主弹性应变类型：最大主弹性应变单位：mm/mm时间：1 s2023/5/17 8:012.280 210-6最大 2.025 510-6 1.770 910-6 1.516 210-6 1.261 510-6 1.006 810-6 7.521 810-7 4.975 110-7 2.428 410-7-1.183 410-8最小 图 7中空轴最大弹性应变分析云图4结语综合比较分析现有的方案类型，设计了卧式边缘传动球磨机，根据需要确定总体方案和相关构件，并校核计算了传动机构。为了确保关键零部件的机械性能，基于 ANSYS Workbench 对其进行有限元仿真分析，结果表（下转第 172 页）现 代 制 造 技 术 与 装 备1722023 年第 7 期总第 320 期按下开门按钮，开门电机正转，屏蔽门向左运动，两个链板收放电机正转，PLC 根据距离传感器传回的信号调节电机的转速，保证系统平稳运行。PLC 系统根据屏蔽门两侧距离传感器传输的距离信号，实时调整两边电机的转速。假设链板收放装置一距离屏蔽门为L1，链板收放装置二距离屏蔽门为L2。当L1Lmin时，电机 1 保持正转并增加转速；当L1Lmax时，电机 1 保持正转并降低转速；当L2Lmin时，电机 2保持正转并降低转速；当L2Lmax时，电机 2 保持正转并提高转速。按下停止按钮，开门电机、链板收放电机 1 和链板收放电机 2 停止转动。按下关门按钮，开门电机反转，屏蔽门向右运动，两个链板收放电机反转，PLC 根据距离传感器传回的信号调节电机的转速，保证系统平稳运行。PLC 系统根据屏蔽门两侧距离传感器传输的距离信号，实时调整两边电机的转速。当L1Lmin时，电机 1 保持反转并降低转速；当L1Lmax时，电机 1 保持反转并增加转速；当L2Lmin时，电机 2 保持反转并增加转速；当L2Lmax时，电机 2 保持反转并降低转速。按下停止按钮，开门电机、链板收放电机 1 和链板收放电机 2停止转动。3结语该屏蔽门轨道槽随动保护机构在设计时，充分考虑了应用场合的情况，并以满足实际需求为导向不断完善设计。该机构能够跟随屏蔽门的运动自动完成对轨道槽的遮盖，不仅能够防止人员失误掉进轨道槽，还极大地方便了人员与物料的进出。参考文献1.辐射的种类和辐射的防护J.安全生产与监督，2013（2）：61-62.2 李静.中国核能发展如何适应“双碳”时代 J.能源，2022（6）：41-46.3 金美华.基于 PLC 的滑块自动分拣系统 J.制造业自动化，2011（22）：138-140.4 张磊.一种开箱自动剪带机构 J.机械工程与自动化，2022（2）：116-117.5 刘迪，王成刚，王晶，等.基于 PLC 和变频器控制电机转速的设计与分析 J.电子设计工程，2022（14）：165-169.6 刘晔，徐赟，亢旭辉，等.基于 PLC 和模糊 PID 的温度控制系统的设计 J.工业控制计算机，2021（9）：110-111.7 许赟.水箱水位 PLC 自动控制系统的设计 J.科技风，2019（27）：8.8 李鑫.浅谈西门子 PLC 的 PID 参数整定 J.科技视界，2014（14）：89.明结构设计合理，既提高了设计效率，又节约了制作成本。参考文献1 蓝天宝.新型高效节能间歇式球磨机的设计 J.佛山陶瓷，2022（11）：39-41.2 朱跃华，姜利珍.基于绿色设计理念的球磨机设计 J.居业，2020（10）：58-59.3 吕亚彪，李继开，陈晓忠.湿式溢流型球磨机进料系统优化设计 J.云南冶金，2020（2）：30-32.4 杨康.传统长筒球磨机筒体轴承的改造及应用 J.黄金，2019（2）：46-48.5 杜寄勇，邱健，张亚东.MQY5585 溢流型球磨机筒体设计 J.现代制造技术与装备，2018（9）：25-27.6 朴香兰，刘怀礼.基于 Ansys Workbench 的球磨机筒体设计 J.煤矿机电，2018（4）：26-29.7 郑云广.无齿轮球磨机的永磁同步直驱电机设计与控制 D.成都：西南交通大学，2018.8 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