立式胶体磨说明书

目录

摘要 .................................................... I Abstract ............................... 错误！未定义书签。第一章前言 . (1)

1．1 研究的目的与意义 (1)

1．2 国内外研究现状 (1)

1．3 研究内容和方法 (2)

第二章分析与论证 (3)

2．1 胶体磨的原理与结构 (3)

2．2 胶体磨的功能与工作范围 (4)

2．3 方案论证 (5)

第三章主要零部件的设计与计算 (8)

3．1 电动机的选择 (8)

3．2 联轴器的选择 (9)

3．3 传动轴的结构设计与计算 (10)

3．4 轴承的选择与计算 (15)

3．5 定磨盘与动磨盘的设计 (16)

3．6 间隙调节装置 (17)

3．7 循环与冷却装置的设计 (18)

3．8 其他零部件的设计 (20)

3．9 密封的选择 (23)

第四章结论与建议 (24)

4．1 结论 (24)

4．2 意见与建议 (24)

致谢 ................................... 错误！未定义书签。参考文献 ............................... 错误！未定义书签。

摘要

本文研究了立式胶体磨的设计方法，介绍了其工作原理、结构特点、传动系统及主要技术参数。采用设计与改进相结合的方法进行主要零件的结构设计。本课题不仅完成了预期的设计任务，而且做出了较大改进，动、定磨盘等主要零部件均使用优质不锈钢制造，既解决了工作表面易磨损的缺点，也更符合卫生要求；此外本课题还设计了一般胶体磨所不具备的冷却装置和循环装置，使之成为一款更好的产品。

关键词：立式胶体磨，设计，卫生，冷却，循环

第一章前言

1．1 研究的目的与意义

胶体磨是一种磨制胶体或近似胶体物料的超微粉碎设备[1]。

胶体磨已经使人们逐步认识并被确定为食品工业中最优的加工机械设备。它具有各种搅拌机、粉碎机、磨浆机的机械性能，效率是上述设备的2-5倍，节约能耗，可实现密闭式连续生产，因此在食品加工行业，推广应用胶体磨有着深远的经济意义。

作为生产中重要的超微粉碎设备，胶体磨具有应用范围广、功能多等众多优点。同时，也存在着一些缺点：对应于不同粘性的物料其流量变化很大；转定子与物料间容易产生较大的热量，使物料变性；表面较易磨损，使细化效果显著下降。所以，对胶体磨的研究和改进是非常重要且必要的。

本课题不仅完成对立式胶体磨的设计，也对一般胶体磨中存在的流量、热量及表面材料等问题加以解决，使之成为一款好产品。

1．2 国内外研究现状

在过去的50多年中，胶体磨本身的超微粉碎能力经历了一个长远的发展过程。

全球关于粉碎问题的研究，从磨矿到超细粉碎兴起一个又一个高潮。1988年在法国Albi召开的欧洲联邦会议上曾作为主题讨论；特别是超微粉碎，它是加工到细粉、微粉和超细粉的粉碎方法。粉碎过程不仅是尺寸减少的过程，还伴随着晶体结构及表面性能的变化。从细粉、微粉尺度粉碎到超细粉是目前研究热点[2]。美国More-Bouse-Cowles公司生产的胶体磨已用于化工原料及非金属矿的细磨及分散[3]；近年IKA生产的MK 2000系列胶体磨也代表了目前国际先进水平[4]。

在我国，上海光正泵阀制造有限公司是全国生产胶体磨时间最早及规模最大的厂家之一,创办于1982年，专业生产JM系列胶体磨。经过多年发展，我国通过引进国外先进技术和自主开发，胶体磨技术和生产都达到了一定水平，目前已形成立式胶体磨、分体式胶体磨、卧式胶体磨、全封闭式胶体磨、可空转干湿两用胶体磨等多种系列，并远销东南亚、欧洲、非洲、阿拉伯等多个国家和地区：其中“M60”型胶体磨是我国企业新研制的小型胶体磨、解决了国内小型胶体磨因功率不足、密封性能差而不能长时间连续工作的问题，其整体结构精巧，尺寸小、重量轻、密封结构可靠，可长时间连续工作，电机电压为220V，特别适于小型企业及试验室工作。

但是国内生产的胶体磨仍存在着不少问题：首先，由于作离心运动，其流量是不恒定的，对应于不同粘性的物料其流量变化很大，举例来说，同样的设备，在处理粘稠的漆类物料和稀薄的乳类流体时，流量可相差10倍以上；其次，由于转定子和物料间高速摩擦，故容易产生较大的热量，使被处理物料变性；第三，表面较易磨损，而磨损后，细化效果会显著下降[5]；此外，国内小型胶体磨往往因功率不足、密封性能差而产生不能长时间连续工作。总体来说，我国胶体磨系列水平、配套性、专业适应性仍与先进国家相差尚远，须尽快引进先进技术并消化吸收，以自主开发更好的胶体磨产品。

针对胶体磨的特点，国内外目前都在积极地研究和改进：首先，研制区别于普通型的卫生型胶体磨，以符合21世纪的绿色环保理念；其次，定转子间的高速相对运动是使胶体磨工作获得物料微细度的主要保证，只有提高转子的线速度，才能达到较好的加工效果。但高速度运转必然会产生大量的热量，并要求各零件的制造精度、相互配合都必须相当精密[6]；此外，根据被处理的物料性质不同选型必须有所区别[7]。但材质均由不锈钢制成。立式胶体磨的电机根据型号不同需要作特殊设计，在电机凸缘端加装挡水盘，以防渗漏[8]。

1．3 研究内容和方法

本课题研究内容是立式胶体磨的设计。了解立式胶体磨的设计要点，根据设计要求确定整体方案，完成主轴的设计与计算、定盘与动盘的设计、定动盘间隙调节装置的设计、进出料循环系统设计等；选择适当的电动机与联轴器；对结构与参数进行优化设计，以获得更紧凑的总体尺寸和较高的效率，以期更好地满足生产需要。最后使用Auto CAD软件绘制装配图与零件图等，并完成设计说明书。

第二章分析与论证

2．1 胶体磨的原理与结构

2．1．1 工作原理

胶体磨又称分散磨，工作构件由一个固定的磨体（定子）和一个高速旋转的磨体（转子）所组成，两磨体之间有一个可以调节的微小间隙。当物料通过这个间隙时，由于转子的高速旋转（其线速度一般为13～40m/s[9]），使附着于转子面上的物料速度最大，而附着于定子面上的物料速度为零。这样产生了急剧的速度梯度，从而使物料受到强烈的剪切、摩擦和湍动，而产生了超微粉碎作用[3]。

由此可知，定转子间的高速相对运动是使胶体磨工作获得物料微细度的主要保证。只有提高转子的线速度，才能达到衣好的加工效果。但高速度运转必然会产生大量的热量，并要求各零件的制造精度相互配合都必须相当定精密，而且还要进行冷却。

2．1．2 结构组成

如图1所示，胶体磨其主要构造由磨头部件、底座传动部件、专用电机三部分组成。其中磨头部分的动磨盘与静磨盘是本机的关健部分，所以，根据被处理的物料性质不同选型必须有所区别。但材质均由不锈钢制成。连体式（又称立式）电机根据型号不同需要作特殊设计，在电机凸缘端加装挡水盘，以防渗漏。

2．1．3 结构特点

相对于压力式均质机，胶体磨首先是一种离心式设备，它的优点是结构简单，设备保养维护方便，适用于较高粘度物料以及较大颗粒的物料。

①可在极短时间内实现对悬浮液中的固形物进行超微粉碎，即微粒化，同时兼有混合、搅拌、分散和乳化的作用，成品粒径可达1μm；

②效率和产量高，大约是球磨机和辊磨机效率的2倍以上；

③可通过调节两磨体间隙，最小可达到1μm一下，达到控制成品粒径的目的；

④结构简单，操作方便，占地面积小。由于定磨盘和转磨盘之间间隙极微小，因此加工精度较高。

它的主要缺点也是由其结构引起的。首先，由于作离心运动，其流量是不恒定的，对应于不同粘性的物料其流量变化很大。举例来说，同样的设备，在处理粘稠的漆类物料和稀薄的乳类流体时，流量可相差10倍以上；其次，由于转定子和物料间高速摩擦，故容易产生较大的热量，使被处理物料变性；第三，表面较易磨损，而磨损后，细化效果会显著下降；此外，国内小型胶体磨往往因功率不足、密封性能差而产生不能长时间连续工作。

图1 立式胶体磨结构原理图

1-电动机 2-机座 3-密封盖 4-排料槽 5-离心盘 6-固定磨套 7-定磨盘 8-动磨盘

9-调节环 10-调节手柄 11-限定螺钉 12-联接螺钉 13-盖板 14-冷却水管 15-垫圈16-进料斗 17-中心螺钉 18-主轴 19-键 20-机械密封 21-甩油盘 22-密封垫 23-循环管 24-三通阀 25出料管

2．2 胶体磨的功能与工作范围

2．2．1 胶体磨功能

胶体磨属于超微粉碎设备，兼备粉碎、乳化、分散、搅拌等功能，可以代替石磨、砂磨机、球磨机、组织捣碎机等。胶体磨也可用于均质。一般来说，其细化作用要弱于均质机，但它对物料的适应能力较强（如高粘度、大颗粒），所以在很多场合下，它用于均质机的前道或者用于高

粘度的场合。在固态物质较多时也常常使用胶体磨进行细化。有时，胶体磨与均质机可以通用，但一般来说，在21Mpa条件下，胶体磨的能量水平小于均质机。表1所列为胶体磨与高压均质机的参数及适应范围。

表1 均质机与胶体磨参数及适应范围

2．2．2 工作范围

★食品工业：（芦荟、花粉破壁、菠萝、芝麻、果茶、冰淇淋、月饼馅、奶油、果酱、果汁、大豆、豆酱、豆沙、花生奶、蛋白奶、豆奶、乳制品、麦乳精、香精、饮料、乳化鸡骨泥、乳化猪皮及其他动物皮等）

★化学工业：（油漆、颜料、染料、涂料、润滑油、润滑脂、柴油、石油催化剂、乳化沥青、胶粘剂、洗涤剂、塑料、炸药、玻璃钢、皮革、乳化炸药等）

★日用化工：（牙膏、洗涤剂、洗发精、鞋油、高级化妆品、沐浴精、肥皂、香脂等）

★医药工业：（各型糖浆、营养液、中成药、膏状药剂、生物制品、鱼肝油、花粉、蜂皇浆、疫苗、各种药膏、各种口服液、针剂、静滴液、胰酶制剂、乳剂、牧药等）

★建筑工业：（各种涂料，包括内外墙涂料、防腐防水涂料、阻燃材料、冷瓷涂料、多彩涂料、陶瓷途料等）

★其它工业：（塑料工业、纺织工业、造纸工业、生物化工、环保节能、煤炭浮选剂、纳米材料、各大中院校、科研单位等）

2．3 方案论证

2．3．1.机型的选择

胶体磨分为卧式与立式两种。卧式胶体磨的转子随水平轴旋转，定子与转子之间的间隙通常为50～150μm，依靠转动件的水平位移来调节。料液在旋转中心处进入，流过间隙后从四周卸出。转子的转速范围为3000～15000r/min。这种胶体磨适用于粘性相对较低的物料。对于粘度相对较高的物料，可采用立式胶体磨。立式胶体磨的结构如图所示，固定磨盘用连接螺钉固定于盖板上，用调节手柄转动调节环可使盖板升降，从而使固定磨盘上下移动，以调节与旋转磨盘之间的间隙。旋转磨盘用键和螺钉固定在传动轴上，传动轴用联轴器与电动机联接，在电动机带动下，旋转磨盘高速旋转，转速达3000～10000r/min，由于磨片成水平方向转动，因此卸料和清洗都很方便。相比之下，立式胶体磨应用更广，结构比较简单，占地面积小，价格相对低廉。

所以本课题选择设计立式胶体磨。

2．3．2 材料的选择

由于胶体磨各工作表面较易磨损，而磨损后，细化效果会显著下降，影响生产效果；此外，出于卫生方面的考虑，材料的选择也很重要。因此，本设计拟定定、动磨盘等主要零部件及与物料接触的表面均采用优质不锈钢制造，以具有良好的耐腐性和耐磨性，使所加工的物料无污染、纯洁卫生。

2．3．3 循环与冷却

国内生产的胶体磨产品，大多不带有循环系统或冷却功能。由于立式胶体磨的转速很高，为了达到理想的均质效果，物料一般要磨几次，这就需要回流循环装置。本设计拟采用的回流循环装置是在出料管上安装一碟阀，在碟阀的稍前一段管上另接一条管通向入料口。当需要多次循环研磨时，关闭碟阀，物料则会反复回流。当达到要求时，打开碟阀则可排料。

对于热敏性材料或者黏稠物料的均质、研磨，往往需要把研磨中产生的热量及时排走，以控制其温升，本设计拟定在定盘外围开设的冷却液孔中通水冷却。

2．3．4 设计的步骤

在对立式胶体磨的原理、结构及功能有了深刻的了解之后，开始对立式胶体磨进行设计。具体设计步骤如下：

第一步：动力装置的选择——采用电动机作为主要的动力装置

第二步：传动装置的选择与设计与计算——本设计采用联轴器联接电动机与传动轴，动磨盘用键和螺钉固定在传动轴上，并在电动机带动下使动磨盘高速旋转；选择合适的联轴器，设计传动轴的结构尺寸并进行相关校核

第三步：主要零部件的设计——参考相关资料，完成对动定磨盘、离心盘、调节盖等的设计第四步：对循环和冷却装置的设计——采用循环管和设计冷却液孔、冷却腔来达到循环与冷却的目的

第五步：对总体机构进行设计——主要包括壳体、料斗等的设计，对所有零部件进行组合、优化

2．3．5 对作品的评价

综上述，由于只是基于一些理论上的分析与计算的设计结果，因此对所设计的机械的总体性能不能准确的表达。如果要想得到更好的产品，就必须把机械设计出来，做成样机。通过对样机的实验分析，可以采集到更多更准确的实验数据，对所设计的机械进行整体的性能改进，使之更适合于实际生产。但由于设计时间所限以及对设计成本的综合考虑，本设计只做理论上的设计，不做出真正的样机。

第三章主要零部件的设计与计算

3．1 电动机的选择

3．1．1 工作条件

①海拔不超过1000m

②环境温度不超过40℃

③额定电压为380V，额定功率为50HZ

④3kw以下为Y联接，4kw及以上为△联接

⑤工作方式为连续使用

立式胶体磨的电机需要一定的功率提供较大的转速，而工作环境也有一定要求，应能防止灰尘、杂质、水滴等，根据上述要求，选择Y系列（IP44）封闭式三相异步电动机，具体型号为Y132S2-2。

3．1．2 电动机简图

图2 Y132S2-2电动机简图

3．1．3 技术参数

技术参数如表2所示[10]：

表2 Y132S2-2型三相异步电动机技术参数

3．2 联轴器的选择

3．2．1 初步估算轴径 （1）初步估定外伸段轴径

选择轴的材料为45钢，经调质处理

根据[11]表19.3-1公式初步计算轴径，由于材料为45钢，由[11]表19.3-2选取A=115,则

mm n P A d 8.152900

5.711533

==≥ 由于轴通过联轴器与电动机轴联接，则外伸段轴径与电动机轴径不得相差很大，否则难以选择合适的联轴器。即外伸段轴径与电动机轴径均应在所选联轴器毂孔最大、最小直径的允许范围之内，因此，采用高速轴外伸段轴径d=(0.8~1.0)d 电机 。 3．2．2 选择联轴器 （2）选择联轴器

考虑动载荷及过载，取联轴器工作情况系数K=1.5，则联轴器计算转矩

m N KT T C ?=?==1.377.245.1

式中 T ——联轴器所传递的名义转矩

m N n P T ·7.242900

105.755.955.93

=??

== K ——工作情况系数，由[12]表11-1查得K=1.25~1.5，取K=1.5

根据工作要求选取HL3型柱销联轴器（GB5014-85）。 选取联轴器的型号为：

85501460

3860

38-??GB YA ZC

查HL3联轴器相关数据，公称转矩 T n =630N·m>T C =37.1N·m ，许用转速[n ]=5000r/min >n 0

=2900r/min ，轴孔直径d min =30mm ，d max =38mm 。

取高速轴外伸段轴径d=32mm ，可选联轴器轴孔d 1 =d=32mm,d 2 =d 电机 =38mm ，所以HL3联轴器能够满足要求。 3．2．3 联轴器简图

图3 HL3型柱销联轴器简图

3．3 传动轴的结构设计与计算

3．3．1 轴的结构设计

图4 传动轴的结构示意图

3．3．2 轴上受力分析

轴传递的转矩

m N m N T ·7.24·2900

9550

5.71=?=

动磨盘的圆周力

N d T F t 4941

.07

.242211=?==

动磨盘的径向力

N F F n t

r 184976

.0364

.0494cos tan =?==βа 动磨盘的轴向力

N F F t x 110223.0494tan =?=?=β

联轴器由于制造和安装误差所产生的附加圆周力F 0（方向不定）

N D T F 119125

.07

.2423.023

.0110=??== 3．3．3 求支反力

（1）在垂直面内支反力（图5c ）由

0=∑A M ，得

02

1

=?

-?-?d F b R a F x BZ r N b

d F a F R x r BZ 1720355

.021

.0110063.018421=?-?=?

-?=

0=∑Z ，得

N R F R BZ r AZ 12172184=-=-=

（2）在水平平面内的支反力（图5e ），由图e 可知

N F R R t By Ay 2472

494

21===

= （3）由于F 0 的作用，在支点A 、B 处的支反力（图5g ）

0=∑B M ，得

000=?-?c F b R A

N b c F R A 4310355

.01285

.011900=?=?=

N R F R A B 550431119000=+=+=

3．3．4 作弯矩和转矩图

(1) 动磨盘的作用力在垂直平面的弯矩图（图5d ）

m N a R M AZ DZ ?=?=?=76.0063.012

m N d F M M x DZ Z D ?=?+=?

+=26.62

1

.011076.021' 动磨盘的作用力在水平平面的弯矩图（图5f ）

m N a R M Ay Dy ?=?=?=6.15063.0247

由于动磨盘作用力在D 截面作出的最大合成弯矩

m N M M M Dy DZ D ?=+=+=58.156.1576.02222'

由于F 0 作用而作出的弯矩图（图5h ）

m N c F M D ?=?=?=3.151285.011900

该弯矩图的作用平面不定，但当其与上述合成弯矩图共面时是最危险情况。这时其弯矩为二者之和，则截面D 的最大合成弯矩为

m N M M M D D D ?=+=+=88.303.1558.150'

（2）作转矩图（图5i ）

m N T ?=7.241

图5 传动轴的受力分析

3．3．5 轴的强度校核 （1）确定危险截面

根据轴的结构尺寸以及弯矩图、转矩图，截面B 处的弯矩较大，且有应力集中；截面D 处的弯矩最大，且有动磨盘配合与键槽引起的应力集中，故属于危险截面。现对D 截面进行强度校核。

（2）安全系数校核计算

弯矩引起对称循环的弯应力，转矩引起的为脉动循环的切应力。 弯曲应力幅为

MP MP W M D a 98.19

.164

.33===

σ 式中 W ——抗弯断面系数，由[11]表19.3-17查得W=16.9cm 3 =16.9×10-6 m 3 由于是对称循环弯曲应力，故平均应力σm =0

根据式（19.3-2）

5.20

106.3081

.092.062

.21027066

1

=+????=

+=

-m

a K S σψσβεσσσ

σ

σ

式中 σ

-1 ——45

钢弯曲对称循环应力时的疲劳极限，由[11]表19.1-1查得σ

-1 =270Mpa ；

K σ ——正应力有效应力集中系数，由[11]表19.3-6按键槽查得K σ =1.5，按配合查

得K σ =2.62，故取K σ =2.62；

β —— 表面质量系数，轴径车削加工，按[11]表19.3-8查得β =0.92； ε—— 尺寸系数，由[11]表19.3-11查得ε=0.81 切应力幅为

MPa W T p m 4.01

.3027

.2421=?==

=αττ 式中 W p ——抗扭断面系数，由[11]表19.3-15查得W p =30.1cm 3=30.1×10-6m 3 根据式（19.3-3）

48.5103.1021.0103.1081

.092.089

.1101556

66

1

=??+????=

+=

-m

K S τψτβεττατ

τ

τ

式中 τ

-1 ——45钢扭转疲劳极限，由[11]表19.1-1查得τ-1 =155Mpa ；

K τ——切应力有效应力集中系数，由[11]表19.3-6按键槽K τ =1.62，按配合K τ =1.89，

故取K τ =1.89； β，ε——同正应力情况；

ψτ——平均应力折算系数，由[11]表19.3-13查得，ψτ =0.21。 轴D 截面的安全系数由式（19.3-1）确定

27.248

.55.248.55.22

2

2

2

=+?=

+=

τ

σ

τσS

S

S S S

由表[11]19.3-5可知，[S]=1.3~2.5 故S>[S]，该轴D 截面是安全的。

3．4 轴承的选择与计算

3．4．1 轴承的选择

已知主轴的转速n=2900r/min ，轴承所受的径向载荷F r1 =247N ，轴向载荷F a =196N ，根据工作条件初定选用7207AC 轴承，运转中有冲击载荷f p =1.5，正常工作温度。 3．4．2 轴承的寿命计算

查[13]表4.6-2滚动轴承样本可知角接触球轴承7207AC 的基本额定动载荷C=22500N ，基本额定静载荷C 0 =16500N 。

对于7207AC 型轴承，按[14]表13-7，派生轴向力F d =eF r1 （e=0.68），其中e 为[14]表13-5中的判断系数。

N eF F r d 96.16724768.01=?==

由于轴承处于紧边，则

N F F F a d a 96.36319696.1671=+=+=

因为

e F F r a >==47.1247

96

.36311 由[14]表13-5进行查表，得径向载荷系数X 和轴向载荷系数Y 为 X=0.41，Y=0.87

按[14]表13-6，f p =1.2~1.8，取f p =1.5。则当量动载荷

N YF XF f P a r p 87.626)96.36387.024741.0(5.1)(111=?+??=+=

h P C n L h 26574187.626225002900601060103

616=??

?

???=???? ??=ε

3．5 定磨盘与动磨盘的设计

这是一对运动部件，工作时物料通过定磨盘与动磨盘之间的圆环间隙，在动磨盘的高速转动下，物料受到剪切力、摩擦力、撞击力和高频振动等复合力的作用而被粉碎、分散、研磨、细化和均质。定、动磨盘均为不锈钢件，热处理后的硬度要求达到HRC70。动磨盘的外形和定磨盘的内腔均为截锥体，锥度为1:2.5左右。工作表面有齿，磨齿用高硬度耐腐蚀合金制成，硬度达HRC55左右，可粉碎较硬物料。齿纹按物料流动方向由粗到密排列，并有一定的倾角。物料的细化程度由齿纹的倾角、齿宽、齿间间隙以及物料在空隙中的停留时间等因素决定。 3．5．1 定磨盘设计

图6 定磨盘结构示意图

3．5．2 动磨盘设计

图7 动磨盘结构示意图

3．6 间隙调节装置

胶体磨根据物料的性质、需要细化的程度以及出料等因素进行调节。调节时转动调节手柄，由调节环带动定盘轴向位移而使空隙改变，若需要大的粒度比，调节定盘往下移；定盘向上移则为粒度比小。一般调节范围在0.005～1.5mm之间。在调节环下方设有限位螺钉，当调节环顶到螺钉时便不能再进行调节，避免无限度调节而引起定、动盘相碰。

调节磨盘间隙时，将两手柄旋松（反时针拧）然后顺时针转动调节环，当转动调节环感到有少许磨擦时马上停止。再反转调节环少许使磨间隙大于0。一般在满足加工物料细度要求的情况下，尽可能使磨盘间隙销大一些，这样可以使磨片使用寿命长一些。然后再顺时针旋紧手柄就锁紧了调节环，使磨盘间隙固定。

图8 调节环结构示意图