1、气流粉碎机的设计及计算目 录1.绪 论11.2.1气流粉碎工艺参数的研究21.2.2气流粉碎理论的研究22.总体方案设计42.1.1设计参数选定42.1.2总体方案选定43.主要部件的设计和计算53.1粉碎系统的设计和计算53.1.1加速规律研究53.1.2粉碎规律的研究73.2加料系统的设计和计算113.3分级系统的设计和计算123.3.1分级理论123.3.2分级设备134.展望与总结154.1展望154.2总结155.参考文献16181.绪 论1.1选题背景许多材料被加工成超级细微的状态，细微状态的材料会具有很多原状态材料不具备的性质，例如在很多化学反应中，细微材料不仅可以提高化学反应速
2、率，而且还可以提高原材料的显色性，分散性以及饱和度1。因此，超细微材料已不仅广泛的应用于化学领域，而且在制药，染料，电子等行业也有不同程度的应用，因此超微产品拥有着非常高的性能，是很多高科技产品必不可少的原材料2。在我国可以生产喷射磨，搅拌磨，塔式磨，振动磨和各种国际上成熟的粉碎机。但是，由于我国对粉末技术的研究要比世界先进国家要缓慢得多，因此基础非常薄弱，并且我国研制的起点很低，设备开发的进展也十分的缓慢，引入后的各种生产设备的质量不可避免地参差不齐，有些设备的使用水平较低，有些设备的概念不明确。从以上情况来分析，我们不仅可以看到超细微材料的重要应用，而且可以看到我国在许多在技术层面上的不足
3、与欠缺之处3。扁平式气流粉碎机在腔体内具有高速气流和较大的摩擦力。超高速运动会使高能粒子发生碰撞，从而使物料粉碎，因此被广泛使用，扁平式气流粉碎机可以用来精磨各种非金属矿物和其他原材料，与传统的气流粉碎机相比，扁平式气流粉碎机生产效率更高6。1.2国内外研究现状1.2.1气流粉碎工艺参数的研究气流粉碎机的研究参数包括几何参数和工艺参数。几何参数包括喷嘴直径，粉碎机粉碎腔的内径，喷嘴与喷嘴之间的轴向距离等。工艺参数主要是原材料的初始粒径，分选轮的频率，工作流体的气体压力以及材料的进入速度等7。陈海燕，Anopicte等人的研究发现表明，增加工作流体的压力会增加颗粒获得的动能，粒子碰撞能也会增加，
4、并且产品的粒径会更细。然而，随着工作流体中的压力增加到一定值，减小粒度的趋势减慢了。这是因为喷嘴的流速与工作流体的压力呈非线性关系，并且当工作流体的压力超过一定值时，喷嘴前后的压力比会发生很大改变。因此，工作流体的压力必须具有一个最合理的值8。鲁丁格认为，物料在气流粉碎过程中物料的的颗粒浓度越高，加速过程中损失的能量就越少，碰撞速度必须足够高才能有效地压碎颗粒。即使颗粒浓度很高，增加喷嘴压力也会使颗粒加速。然而，随着物料颗粒的增加，腔体压力不能无限地增加，因为扁平式气流粉碎机的能量消耗以非线性方式迅速增加9。物料的供给速度是影响粉碎效果的重要参数之一，它主要取决于粉碎区域的容量。进料速度决定了
5、研磨室内每个颗粒接收的能量，如果进料速度太低，则研磨室中的颗粒数量不多，颗粒碰撞的可能性降低，并且颗粒尺寸增大。如果进料速度太高，则研磨室中的颗粒浓度会增加。换句话说，找到最佳的进料非常重要，因为从每个颗粒获得的动能会降低，颗粒破碎机的冲击变形能会降低，颗粒尺寸会增加，并且颗粒分布就会减少10。1.2.2气流粉碎理论的研究根据气流粉碎机的粉碎原理，其基础理论研究主要包括高速气流的形成，高速气流中颗粒的加速规律，颗粒碰撞和颗粒破坏的规律。在气流粉碎过程中，被破碎物料的能量来自高速气流，该高速气流是通过喷嘴将气流的内能转换为动能而形成的，喷嘴可分为伸缩式和缩进式。当前，主要使用的是缩进式喷嘴。在气
6、流粉碎机发展的早期阶段，研究人员就喷嘴设计进行了研究计算，例如确定计算方法，修改轮廓和控制初始扩散角，并基于空气动力学进行了基础实验研究。叶静等人利用特征线法分析并提出了喷嘴壁特征线的设计方案。特征线法是结合气流粉碎机流动特性的非旋转二维超声速方法，并依据此提出了恒流能量喷嘴的设计方案11。陈志敏等人分析了超音速喷射磨机的喷嘴流动条件并进行了相应的结构设计，还讨论了如何设计超音速喷嘴以获得最优的喷射速度12。金陵公司使用Fluent软件对气流粉碎机的喷嘴位置进行了数值模拟，并分析了研磨室中的流场。从分析的结果可以看出，在设计喷嘴位置时，它是最佳的研磨安装位置，同时可以获得最佳性能13。Mcuj
7、icic等人分析了喷嘴的流场，并优化了喷嘴的内部形状，以增加气体阻力和颗粒加速度，并进一步增加相同距离下的加速度，材料颗粒和颗粒进一步细化，系统效率得到明显的提高14。Katanoda Hiroshi等人模拟并分析了超音速喷嘴内部和外部的粒子流场，并分析和预测了粒子速度和温度分布15。为了解决传统气流粉碎机能耗低，材料加速性差，磨削效果差的问题，杨俊瑞等人通过改进喷射磨机的喷嘴结构设计了一种新型的环形复合模具。流体的数值模拟表明，与常规喷嘴相比，新型环形复合喷嘴具有更快的喷料速度，相对集中的喷料和更长的喷料距离16。王立文等人采用一种集成设计方法来设计和优化喷嘴结构和喷嘴研磨设备参数，使用流体
8、动力学软件模拟分析喷嘴流场，并使用有限元分析软件分析内部受力结构。研究表明，入口压力为3.5 MPa且入口直径为6mm的喷嘴能达到最佳使用效果。当内腔的锥角在8到12之间变化时，它对喷嘴的性能影响很小，并且当内腔具有平滑的弯曲形状时，喷嘴的性能最佳17。根据可压缩流体的轴对称n-s方程，何峰，谢俊石等人使用RAN湍流模型和有限体积方法，使用非结构化四边形网格来量化具有不同内部通道轮廓的无喷嘴射流。结果表明，对于轴对称和等距的圆形喷嘴，入口通道的形状对射流通道参数的分布影响更大。轴对称收缩喷嘴的收缩角主要影响射流出口附近的速度。因此，建议在伸缩喷嘴的内部流动通道轮廓中使用曲线结构以获得良好的流动
9、特性18。2.总体方案设计2.1主要技术参数2.1.1设计参数选定参数表如下型号DAM-50（实验室*）DMA-100DMA-200DMA-250DMA-300DMA-350DMA-500DMA-600粉碎腔直径(mm)50100200250300350500600粉碎压力(MPa)0.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.0进料压力(MPa)0.2-0.50.2-0.50.2-0.50.2-0.50.2-0.50.2-0.50.2-0.50.2-0.5进料粒径允许进料10目，经济进料粒径为625目耗气量(Nm3/h)0.6-
10、0.80.6-0.85-67-105-67.2-10.817-1823处理量(kg/h)0.5-22-1030-7550-13020-7530-150200-500300-600空压机功率（kw）7.5153765-753765-75130190本文设计的一款扁平式气流粉碎机，要求原料粒度为0.5-5mm，粉碎成品粒度在10纳米至25纳米之间。2.1.2总体方案选定（喷嘴怎么选的，优缺点，加料的选择，优缺点，分级系统优缺点，加上简图）通过分析现有气流粉碎机结构及原理得出了本扁平气流粉碎机的总体设计方案如图2.1所示：图2.1 扁平气流粉碎机整体方案图2.2设计思路在分析了现有喷嘴的结构和原理之
11、后，得出了扁平喷嘴的设计方案。根据传统的喷射喷射原理，计算出扁平喷嘴的总体结构和性能参数，然后整体计算出扁平喷嘴的性能参数。AutoCAD软件可以将整个装配图和主要零件图进行多个方面的绘制19。2.3设计方案流程分析现有气流粉碎机结构及原理本扁平气流粉碎机的设计方案计算总体结构及性能参数绘制总体装配图拆画各主要零部件图纸。2.4 分级器设计在研究了分类理论之后，参考了分类器的相关信息并结合了分类功能，本设计的分类部分将叶轮旋转的分类置于优先地位。该分类原理已被其他分类器广泛使用，因此该理论非常成熟。此设计中的班级大小较大且可调整，因此它们称为连续可调式分类器（临时称为完全分类器）。（1）完全分
12、级理论图3.3 粒子分级运动效果图在分级器内，分体可随气流作涡旋运动，颗粒切线方向的分速度为 v，颗粒受沿旋流半径向外的离心力Fr的作用，当FrFR时颗粒向外运动成为粗粉，当FrFR时颗粒向内运动成为细粉，FR=Fr时的半径成为分级半径dc。（2）分级器结构分级机构主要包括分级室，分级叶轮，传动部分，电动机。（3）工作原理分级器中用到了电动机机构，当电动机达到一定速度时，可动轮被放置在分选室中并轴向旋转，从而驱动切碎的物料在进料口处一起旋转。为了满足颗粒的要求，物料通过流的出口进入收集装置。为了获得所需的颗粒尺寸，这些颗粒会从叶轮上移走，然后掉落到分级的叶子板上，以进行粗料回收处理。在该分级机
13、构中，作用在转速上的向心力和一定大小的粉末的向心力之间的平衡在理论上是所谓的关键分选点。分级粒度即是最终的细粉的粒度，取决于主分级点的控制。（4）分级器结构设计关于分级器相关的资料很多，扁平式气流粉碎机可以使用多个物料分级器，可以让物料分级更加具体和充分。但是，为了进一步整合材料分级设备，在本文的设计中特意设计了一个分级机，使整个设备更具可调节性和自适应性。在分级器的结构设计中，叶轮部分采用水平轴，物料垂直切向进给并且通过轴向排出。粗料收集部分可以直接返回给集料机，进行粗料收集，或者可以在进入给料机之前进行收集和存储，扁平式物料粉碎机构的设计正是用到了此项特点，该设备用于物料的加工成型。完成后
14、，可以对粗料的质量和粒度进行分析，这将有助于对扁平式气流粉碎机的进一步研究。分级理论和设备很多，分级方法和分级设备如下：超细粉尘分为干式分类，湿式分类，超临界分类（干式和湿式分类）。以下简要描述用于分级的各种设备。（1）筛选设备：筛分通常用于对粗体物料（粒度为0.05毫米）进行分类。（2）粗粉分离器：是一种外部循环式分选设备，空气可以通过该设备。（3）离心式集尘器：（内部循环式）是第一代可选集尘器，也称为内部循环式集尘器。（4）旋风选粉机：旋风分离器是第二代选配的粉末机，也称为外循环选配的粉末机。内部设计保留了离心式集尘器的特性，但外部有一个独立的空气循环风扇，代替了离心式集尘器的大叶片。3.
15、主要部件的设计和计算3.1粉碎系统的设计和计算/ 3.1.1加速规律研究在当前的气流粉碎机设计中，喷嘴与粉碎中心之间的距离由射流轴速度在10de与20de之间的阻尼率确定20。对于不同结构的喷嘴，喷嘴出口速度的表达式不同。压缩空气工质喷嘴出口速度为： （3-1）式中，p0，pp1喷嘴进口、出口处的压力；0进口处的比容；k定熵指数，空气的k =1.4。而过热蒸汽工质喷嘴出口速度是： （3-2）式中，i 比焓，J/kg。这两个公式可以更准确地计算出物料不通过喷嘴的时间，但由于气流中的颗粒会影响气体速度，所以在物料通过喷嘴时必须进行修正。令u为x方向的气流速度，p为颗粒的速度，V为速度松弛时间。假设颗粒以x方向的速度分量p ，0，y方向速度p，0进入气流，拖曳力系数为标准的拖曳力系数，则：
