机械合金化振动磨的动力学分析与应用研究

发布时间：2020-08-22 12:03

【摘要】：机械合金化是一种新型制备合金材料的方法,其工作原理是利用磨筒和磨球的高能碰撞、冲击运动,使得两种以上金属粉末发生相变。常用的机械合金化设备有行星球磨机、搅拌球磨机、振动球磨机(振动磨),其中振动磨的研磨效率最高,对振动磨刚体及散体的动力学分析是研究振动磨工作机理的关键,对选择合适的机械合金化参数具有重要的参考价值。本文将以QM-3A型高速摆振球磨机为研究对象,主要从刚体和散体两方面进行动力学仿真分析,并进行初步的实验研究。首先,从刚体角度建立磨筒的运动学和动力学模型,分别运用齐次坐标变换和Lagrange方法推导六自由度动力学方程,仿真分析了磨筒的振动形态和振动轨迹,发现磨筒的运动轨迹是椭圆形摆动,磨筒截面内径向各点的振动轨迹变化较大;其次,从散体角度建立磨筒和磨球的刚散耦合模型,针对不同配比组合的偏心轴转速、偏心距,及磨球大小、个数,仿真计算磨球的平均受力、磨筒的受力以及磨球的动能,发现磨筒在低转速、高振幅以及大小磨球组合的工况下有利于机械合金化的发生;最后,利用高速摄像的方法对球碰撞的微观过程进行实验研究,提取了单球自由落体时与桌面接触、弹出等瞬间的速度和位移,据此计算了磨球的法向接触刚度,与理论计算的法向接触刚度进行对比发现,刚度数据的量级相同但有数值误差,初步探讨了实验方法的可行性。本文从刚体和散体两方面对振动磨进行了动力学仿真分析,为机械合金化的机械参数设置提供理论依据;并应用高速摄像进行了初步的实验研究,计算了单球的法向接触刚度。其他机械参数如装球量、球料比等,可在后面的研究中继续进行仿真分析;实验部分可以通过增加实验数据、安装力传感器来减小实验误差,并继续使用高速摄像进行微观参数研究。
【学位授予单位】：河北科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF37
【图文】：

行星式球磨机

河北科技大学硕士学位论文是德国 RETSCH 公司和 FITSCH 生产的广泛用于工业生产、样品研究制备、颗分析等领域的一系列市场化产品[7]。国内典型的行星式球磨机有郑州东方机器厂的 LXM 系列螺旋行星球磨机、南京特轮新仪器有限公司销售的 BXQM 系列球、南京驰顺科技发展有限公司生产的 PMUW 系列高性能双向行星式球磨机以及大学仪器厂生产的适合科研和实验室小批量生产的 QM 系列球磨机。

搅拌式,球磨机

（a）JQM35-S 型（b）立式搅拌球磨机图 1-2 搅拌式球磨机图 1-2（a）所示的是咸阳金宏通用机械有限公司生产的 JQM-S 型升降式搅（Attrition ball milling，ABM）[29]。该类型球磨机安装有双速搅拌轴，对于磨物料可以选择适当的转速而达到最佳的研磨效率和研磨效果。针对球磨度急剧上升的问题，该类球磨机在球磨罐和内胆安装了冷却层并且在外部却器。图 1-2（b）是长沙天创粉末技术有限公司生产的一种实验室搅拌球磨机[30是操作简单，研磨效率高。这种立式搅拌球磨机的搅拌杆可以自动升降，的自由翻转可以使研磨更加剧烈。定时、调速等装置的安装更加为研磨工便利使操作更加容易，冷却装置为研磨温度提供了有效的控制而避免了意振动式球磨机振动球磨机是一种机械合金化常用的设备，也常被称为振动磨。其主要靠磨筒产生振动，从而带动磨球在磨筒内做高速自转和低速公转，磨球通过

球磨机,球磨,筒式球磨机,高速振动

（a）MTI 公司产品（b）QM 系列摆振球磨机图 1-3 振动式球磨机MSK-SFM-3 高速振动球磨机(Vibration grinding mill,VBM)[32]是由 MTI 公司生产制造的用于实验室研究和制造的振动球磨机，如图 1-3（a）所示。MSK-SFM-3 是一款紧凑型高速振动球磨机，适用于干式或湿式粉磨，内置机械计时器，可计时 0~12分钟。球磨过程会使球磨罐温度升高，MTI 公司为球磨机配置了便携式现场空调冷却机，以使球磨罐保持较低的温度，从而提高使用寿命。如图 1-3（b）所示，南京大学仪器厂的 QM 系列高速摆振球磨机[33]在电机高速运转下通过主轴、偏心轴在弹簧的作用下实现球磨罐的高速摆动和振动，罐内的磨料在磨球的高速撞击下短时间内磨细和混合。该系列球磨机结构简单、体积小、外观好、效率高、使用方便，是较为理想的实验室机械合金化制备设备。（4）滚动球磨机滚筒球磨机又可称为管式球磨机，主要靠球磨罐的高速转动使得磨球和物料碰撞以至物料粉碎并且混合。卧式筒式球磨机是矿山磨矿主要设备，卧式筒式球磨机具有很多优点，比如：结构简单、生产量大、运行平稳可靠等[34]。但是卧式筒式球

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