小型卧式球磨机结构设计及仿真分析

毕业设计说明书

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题目: 小型行星式球磨机结构设计

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我声明，本毕业设计说明书及其研究工作和所取得的成果是本人在导师的指导下独立完成的。研究过程中利用的所有资料均已在参考文献中列出，其他人员或机构对本毕业设计工作做出的贡献也已在致谢部分说明。

本毕业设计说明书不涉及任何秘密，南京理工大学有权保存其电子和纸质文档，可以借阅或网上公布其部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权保存、借阅或网上公布其部分或全部内容。

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本科毕业设计说明书第I 页

第一章绪论 (1)

1.1 前言 (1)

1.2 球磨机的应用现状 (2)

1.3 小型球磨机的发展趋势 (3)

1.4 研究内容 (3)

1.5 本章小结 (4)

第二章小型球磨机的总体设计 (5)

2.1 小型球磨机的工作原理 (5)

2.2球磨机的用途和分类 (5)

2．3 小型球磨机的总体设计方案 (6)

2．4 小型球磨机的主要技术参数 (7)

2．5 本章小结 (7)

第三章小型球磨机主要部件设计和校核计算 (8)

3．1 球磨罐的确定 (8)

3．2行星齿轮的设计和校核 (8)

3．3 电动机的选择 (12)

3．4 带传动设计 (12)

3．5 轴的设计和校核计算 (13)

3．7 本章小结 (16)

第四章小型球磨机附件的设计 (17)

4.1 球磨罐夹具设计 (17)

4.2 安全护罩设计 (17)

4.3本章小结 (18)

第五章 SolidWorks三维造型 (19)

5.1 三维造型软件SolidWorks简介 (19)

5.2 箱体造型 (19)

5.3 本章小结 (21)

第六章运动学仿真和力学仿真分析 (22)

6.1 运动学仿真 (22)

6.2 ANSYS仿真软件介绍 (23)

6.2 行星齿轮系的力学仿真 (23)

6.3 结果分析 (24)

6.4 本章小结 (25)

第II 页本科毕业设计说明书

结论 (26)

致谢 (27)

参考文献 (28)

本科毕业设计说明书第1 页

第一章绪论

1.1 前言

1.1.1 研究背景

随着社会的不断进步和发展，纳米技术逐渐成熟并被应用到各个领域。尤其是进入21世纪以后，随着3D技术的不断成熟完善，工业产品成本大大降低，从而更加促进了3D技术和纳米技术的进步。因此，超细材料（Ultrafine material）及纳米材料（Nano-material）在生物、化工、机械、材料等领域都有着更加广阔的发展空间[1-3]。而球磨技术作为生成超细材料和纳米材料的主要技术之一[4-6]，逐渐成为国内外学者和机构争相研究的热点。

球磨机[7]（BallGrindingMill）是一种传统物料研磨装置，至今已有一百多年的发展历史。19世纪初期出现了用途广泛的球磨机，1870年在球磨机的基础上发展出排料粒度均匀的棒磨机[8]，1908年又创制出不用研磨介质的自磨机[9]。20世纪30～50年代，美国和德国相继研制出辊碗磨煤机、辊盘磨煤机等立轴式中速磨煤机[10]。球磨机作为将固体物料细化制粉的重要设备，广泛应用于冶金、化工、水泥、陶瓷、建筑、电力、医药以及国防工业等部门，对各种矿石和其他可磨性物料进行干式或湿式粉磨。尤其是冶金工业中的选矿部门，磨矿作业更是具有十分重要的地位。近年来我国的房地产业发展迅速，城市化建设进程的加快也带动了相关行业的快速发展，其中一个突出的体现就是水泥制造业。总部位于英国的《InternationalCementReview》（国际水泥评论）刚刚发布其最新的《GlobalCementReport》（全球水泥报告），该报告覆盖了160多个国家。报告指出，全球水泥消费量2008年为28.3亿t，2009年为29.98亿t，2010年更是增至32.94亿t，2012年全球水泥消费量预计将达到38.59亿t。中国目前在全球水泥数据统计中独占鳌头，2010年的消费量为18.51亿t，几乎是2004年水平的两倍，水泥消费的旺盛增长趋势促进了国内对球磨机的需求量的增加。由于球磨机的处理能力和球磨后的粒度对后续作业的效率和整体生产流程的技术经济指标影响显著，有关球磨机的研究在国内外一直受到广泛的关注和高度重视。近几年来，由于能源费用的增长和矿石品位的下降，降低建设投资和生产费用是世界各国矿山工业面临的一个严峻问题，采用高效大型设备是现代选矿厂建设的主要倾向，球磨机的大型化已成为技术发展的方向。

1.1.2 研究意义

随着现代工业对超细物料需求量的日益增加，对品质要求的不断提高,新的超细粉磨设备及新型粉磨工艺不断出现。行星式球磨机在能耗、钢耗和效率等方面比常规圆筒形球磨机更

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有优势。90年代以来,机械合金化法已成为制备新型复合材料的热门课题。现已发现,MA通过行星式高能球磨机的高能研磨作用,可以引起材料原子尺度的结合与化学反应,可以实现非晶质化,可以将金属间化合物组元粉体固态下生成金属间化合物,可以使某些液态下并不互溶的体系实现较宽成分范围的固溶;另一方面,由于高能球磨机的强烈撞击与研磨作用,还可以制备出各种单质元素的纳米级粉体材料和金属陶瓷纳米材料等。行星式高能球磨机之所以能成功地实现上述新型材料的制备,主要取决于行星式高能球磨机的工作能力。本文通过对行星式高能球磨机工作原理的研究和分析,设计了一款卧式行星式陶瓷粉末球磨机，对现代工业粉末研磨行业中具有重要的实际意义。

1.2球磨机的应用现状

自20世纪开始，国内外对球磨机的研究工作从未停止。其中，依据球磨机的特征结构和球磨罐运动形式的不同，常用的高能球磨机主要分为三大类：振动式[11]、行星式[12-14]、搅拌式[15-16]。对于任意一种高能量球磨机[17-19]，微粒的细化程度主要取决于磨球和物料所获得的碰撞能量。碰撞能量越高，物料颗粒粒子在磨球的撞击下产生破碎的几率就越大，从而使物料颗粒细化的细化程度就越高。

随着应用市场的不断变化，行星式高能球磨机[20-22]逐渐被市场接受并且越来越受到社会的认可。因此，行星式高能球磨机在市场中所占份额最大，产品类型也最多。根据设备的布局方式的不同，我们可以把行星式高能球磨机分为立式和卧式两种方式。无论是立式球磨机还是卧式球磨机，均采用转盘离心的方式使球磨罐绕着旋转中心既做公转运动又做自转运动，从而使球磨罐中的磨球与物料碰撞形成粉末。对行星式球磨机的研究，我国起步较晚但是发展迅速。1996年，南京大学仪器厂生产的带有变频器的行星式球磨机[23-25]在当时已经代表了我国球磨机设计的先进水平。由于采用了同步齿形带的传动方式，传动精度得到大大的提升。图为北京金工生产的立式行星式球磨机，采用皮带传动机构和变频控制器控制，可根据用户需求自行调整运行转速。

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图1.1 北京金工立式行星式球磨机

1.3 小型球磨机的发展趋势

全球经济自20世纪60年代以来，由于我国工业发展迅速，以前所未有的发展速度迅速发展，但对环保概念的忽视，造成了全球环境严重污染，带来了严重的环境污染问题。工业废弃物的大量产生是造成环境污染的重要原因之一。正因如此，我国制定了一系列的环境保护措施以期望降低环境污染。与此同时，社会各行各业也积极想方设法为环保积极努力。但传统的环境治理方法是末端治理。对于加工制造业来说，充分利用原材料、节约能源、减少有害废物和有害气体的排放、安全操作的改进，是减轻环境污染问题的关键因素。而绿色制造也是在这样的背景下提出来的。它被看作是解决问题的根本方法和途径，也是现代企业获得竞争优势的主要来源。自提出环保概念开始，我国积极准备各种措施，为做好环境保护工业积极努力。工业方面，这就要求我们的产品逐渐向节能环保型“绿色产品”[26-27]转变。由于小型机械设备逐渐成为市场的主角。同样，小型球磨机也具有更加广泛的市场空间和发展潜力。

除此之外，智能化设计也成为设计工程师设计理念之一。近几年来，互联网以及移动互联网正不断的改变传统产业的发展路径。“互联网+”的概念也逐渐深入人心。智能家居、智能汽车等名词也不再是新鲜词语。由此可见，智能化时代已经到来，而我们要做的就是紧跟智能化时代的步伐。智能产品不仅能解决劳动力市场中劳动力紧张的问题，在提高生产效率的同时，又能保证生产产品的高质量性。因此，智能化产品成为人们肯定的产品，也是各生产企业追逐的目标。毫不例外，小型球磨机[28-29]作为小型产品的代表，也会逐渐成为智能化时代中不可缺少的设备之一。

1.4 研究内容

本次设计的主要技术指标为：

1) 传动方式：齿轮传动

2) 工作方式：两个或四个球磨罐同时工作

3) 球磨罐和磨球材质：陶瓷

4) 球磨罐容积：2L

5）转速比(公转：自转)：1:2

6）转速(自转)：0~580转/分

7）控制方式：变频无极调速、程序控制，手动、自动定时正反转，定时关机

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8）最大连续工作时间(满负荷)：48小时

9）转速允许误差：±5%

基于目前我国球磨机的市场需求和发展现状，本文拟研究的主要内容有：

（1）查阅球磨机的相关资料，了解高能球磨机的国内外发展现状及发展趋势，了解行星式球磨机的发展优势，确定了本课题的研究意义；

（2）了解高能球磨机内部传动机构的机械原理，设计卧式行星球磨机的传动机构，为后期做运动仿真提供了理论依据；

（3）根据实际需要确定电动机的选型，完成太阳轮、行星轮、齿轮、轴架等部件的结构设计；

（4）利用三维设计软件solidworks完成球磨机相关附件的结构设计，如：球磨罐、球磨罐夹具的结构设计；

（5）利用三维运动仿真软件对已完成的球磨机进行运动学仿真分析，为实际需要提供理论基础。

1.5 本章小结

本章主要阐述了高能球磨机的研究背景和研究意义，系统地介绍了高能球磨机的国内外发展现状，对高能球磨机的研究热点和趋势进行了概述。根据实际市场需求，并确立了本文的主要研究内容。

第二章小型球磨机的总体设计

2.1 小型球磨机的工作原理

图2.1 行星式球磨机机构原理图

小型行星式球磨机的工作原理是：在一转盘上装有4个球磨罐，当转盘转动时，球磨罐在绕转盘轴公转的同时又绕自身轴做行星式的方向自转运动，罐中磨球和材料在高速运动中相互碰撞、挤压、摩擦，达到粉碎、研磨与混合匀化样品的目的，其效率比传统的滚筒式球磨机要高出很多倍。目前，常见的球磨机的主要传动机构采用带传动的传动方式，行星转动机构采用行星齿轮机构或者带传动机构。

卧式行星球磨机是将四只球磨罐水平安装在一垂直平面的大盘上作行星运动。在这种运动过程中球磨罐没有固定的底面，罐内磨球和磨料在垂直平面内受到公转、自转两个离心力和重力的共同作用，相互之间猛力碰撞、挤压，将磨料快速粉碎、磨细。

2.2球磨机的用途和分类

球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。它广泛应用于水泥，硅酸盐制品，新型建筑材料、耐火材料、；化肥、黑有色金属选矿以及玻璃陶瓷灯生产行业，对各种矿石和其他可磨性物料进行干式或湿式粉磨。

目前常见的球磨机按冲击分类可分为轻型和重型两种。

按照长度可分为短磨机、中长磨机和长磨机三种。长径比在2以下时为短磨机，一般用于粗磨或一级磨，也可将2-3台球磨机串联起来使用；长径比在3左右时为中长磨机；长径比在4以上时为长磨机，用于水泥厂得较多。

按研磨介质形状分类可分为球磨机、棒磨机、棒球磨机和砾石磨。磨机内装入的研磨介

质主要是钢球或钢段的磨机称为球磨机，这种磨机使用最为普遍；磨机内装入直径为50-110mm 的钢棒作为研磨介质的磨机称为棒磨机；而棒球磨机通常具有2-4个仓，在第一仓内装入圆柱形钢棒作为研磨介质，以后各仓则装入钢球或钢段；磨机内装入的研磨介质为砾石、卵石、刺球等介质的磨机称为砾石磨，多用于白色或彩色水泥以及陶瓷生产。

按传动方式分类可分为中心传动磨机和边缘传动磨机两种。电动机通过减速机带动磨机卸料端空心轴而驱动磨机回转的磨机为中心传动磨机，减速机的出轴与磨机的中心线在一条直线上；电动机通过减速机带动固定在卸料端筒体上的大齿轮而驱动磨机筒体回转的磨机称为边缘传动磨机。

按照工艺操作过程又可分为干式磨机、湿式磨机、间歇磨机和连续磨机。连续磨机与间歇磨机相比，前者产量高、单位重量产品的电耗少、机械化程度高和所需操作人员少。但基建投资费用大，操作维护比较复杂。现在间歇式磨机极少使用，常用作化学实验室使用。2．3 小型球磨机的总体设计方案

目前，大多数的小型球磨机都采用“皮带—行星式齿轮”传动机构，主要是因为该传动机构具有传动效率高、加工成本低的优点。故本次设计也采用“皮带—行星式齿轮”传动机构，其传动原理如图3.1所示：

图2.1 小型球磨机行星式传动机构示意图

本实用新型卧式运动行星球磨机涉及的是一种适用于同时球磨多种磨料的卧式行星球磨机。动力传输机构由电动机1、小带轮3、传动皮带2和大带轮10组成。行星旋转机构由太阳轮9、托盘7、行星轮8、球磨罐5组成，其中球磨罐5和托盘8之间由深沟球轴承连接组成旋转副。托盘7、太阳轮9和大带轮10通过键连接的方式固连。小带轮3和电动机1通过键连接的方式固连。其工作过程为：由电动机1带动小带轮3按规定速度运动，再经皮带2

将动力传递到大带轮10，大带轮10与太阳轮9和托盘7通过键连接固连，从而使太阳轮9旋转，又由于行星外齿圈4固定在机体上，行星轮8只能绕太阳轮9进行公转和自转运动。从而使固连在行星轮8上的球磨罐5绕太阳轮旋转中心进行公转和自转运动。由于公转和自转的叠加使球磨罐旋转，球磨罐内的磨球在离心力及重力的作用下与磨料相互碰撞把磨料粉碎和磨细。

2．4 小型球磨机的主要技术参数

本次设计内容的主要技术参数请参照表2.1：

表2.1 小型球磨机行星式球磨机主要技术参数

2．5 本章小结

本章主要介绍了小型行星式球磨机的工作原理以及小型行星式球磨机的用途和分类。根据目前市场上的小型球磨机的结构，提出了小型球磨机的整体设计方案，并根据要求确定了小型球磨机的主要技术参数。为后面的具体设计内容提供依据。

第三章小型球磨机主要部件设计和校核计算

3．1 球磨罐的确定

3.1.1 球磨罐材质的选择

常见的球磨罐材质主要有尼龙、聚氨酯、刚玉、不锈钢、陶瓷等。其中不锈钢材质的球磨罐不耐磨，会带入杂质，不过耐腐蚀性强。聚氨酯耐磨性好，而且也具有很好的耐腐蚀性，同时不会带入无机物杂质。陶瓷罐无论在耐腐蚀性和耐磨性上都是最好的，但很难做成大尺寸的罐体。由于该设计的球磨机主要用于陶瓷粉末的研磨，又考虑到陶瓷具有很强的硬度，故选择陶瓷做为球磨罐的材质。同样，磨球的材质也是陶瓷材料。 3.1.2 球磨罐尺寸的确定

球磨罐均采用圆柱空心结构，故球磨罐的容积为：

h d V ⋅⋅=221

式中，d 代表球磨罐内孔直径，h 表示球磨罐内孔深度。

根据设计要求，球磨罐容积为2L ，由实际要求，定球磨罐内孔深度h 为100mm 。将mm V 6102⨯=和mm h 150=代入（1）式得

mm mm h V d 9213.92150102226

≈=⨯⨯=⋅=ππ

初步确定球磨罐壁厚t=10mm

每罐内陶瓷磨料按100g 计算，另外球磨罐端盖压头质量为500g ，研磨球质量为700g 当球磨罐空载时，球磨罐质量为

g h t d V M man

38401501029214.3106.222

32=⨯⎪⎭

⎫

⎝⎛+⨯⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛+==-ρπρ罐

当球磨罐满载时，球磨罐的总质量为

12338401005007005140g M M M M M =+++=+++=

3．2行星齿轮的设计和校核

3.2.1 机构简图的确定

由上述原理图得知，该行星式齿轮传动机构简图如图3.1所示，齿轮a为太阳轮，齿轮c为行星轮，齿轮b固定。齿轮c绕行星架X旋转。当主动齿轮a按一定速度旋转时，行星齿轮c按一定的减速比既绕齿轮a的中心轴做公转运动又绕自身中心轴线做自转运动。

图3.1 行星齿轮传动机构简图

3.2.2 齿形与精度

常见的齿轮传动主要有直齿齿轮传动和斜齿轮齿轮传动。与直齿轮相比，斜齿轮具有以

下优点：

（1）齿廓接触线是斜线，一对齿是逐渐进入啮合和逐渐脱离啮合的，故运转平稳，噪声

小。

（2）重合度大，并随齿宽和螺旋角的增大而增大，故承载能力高，适于高速传动。

（3）斜齿轮不发生根切的最少齿数小于直齿轮。

由于该行星齿轮传动属于低速传动，为了方便加工和装配，故齿轮齿形角确定为标准齿

形角20°，齿轮齿形采用直齿齿形。

3.2.3 齿形材料及性能

太阳轮和行星轮均采用硬齿面，内齿轮采用软齿面，以提高承载能力，减小尺寸。齿轮

材料及其性能参照下表。

表1 齿轮材料及其性能

3.2.4 齿轮设计计算

由于公转转速与自转转速的速度比为1:2，故

2=x

Z Z 式中，t Z 是指太阳轮的齿数；x Z 是指行星轮的齿数；查《机械设计手册》图3-7a 的17min =x Z ，取17=x Z 。

传动扭矩33

1445140109.81201018T Mg L N m --=⋅=⨯⨯⨯⨯⨯=⋅

式中L 为行星轮中心距太阳轮中心的中心距离，初步确定为120mm 。（1）按齿面接触强度计算太阳轮分度圆直径

用式[]32

11132.2⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛+⋅⋅=H E d Z u u KT d σφ进行计算，式中系数如下： 2==

Z Z u ,K=1.5，8.0=d φ，2.1289=E Z ,[]650=H σ 则太阳轮分度圆直径为：

[]50.1136502.9892128.010185.132.2132.232

11=⎪⎭

⎫ ⎝⎛+⋅⨯⨯⋅=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅⋅=H E d Z u u KT d σφ

现定太阳轮齿数40=t Z ，模数m=3。同样地，行星轮齿数20=x Z ，模数m=3。

经查《机械设计手册》图18-20得知，节点区域系数 2.43H Z = 端面重合度

12111

11.88 3.2cos 1.88 3.2cos90 1.64

4020Z Z αεβ︒⎡

⎤⎛⎫⎡⎤⎛⎫=-+=-⨯+=⎢⎥

⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎝⎭⎣

⎦

由于已经保证了安装条件，同心条件，具体计算如下表：

表2 行星传动齿轮计算结果

3.2.5 齿轮校核

经《机械设计手册》式18-27计算，螺旋角系数

经《机械设计手册》式18-27计算，重合度系数

0.78

===

校核齿面接触疲劳强度由《机械设计手册》式18-26计算，齿面接触应力

190 2.430.781376650

H E H

Z Z Z Z MPa MPa εβ

σ==⨯⨯⨯=

齿面接触疲劳强度足够。

3．3 电动机的选择

3．3.1 电动机的功率计算

初步设定带传动比为1:2。由以上计算得知，大带轮的转矩为m N T ⋅=18，大带轮的转速为min /2905802

21r n n z =⨯==

，则大带轮的传动功率为 kw n T P 55.029*******

195501=⨯⨯=⋅=

则电动机的传动功率为

kw 66.055.02.1=⨯=⋅=P K P A 电即电机功率选定为0.75kw 。

基于本次设计要求，选定台湾荣立创公司生产的单相交流电动机，该电动机主要技术参数见下表：

3．4 带传动设计

3．4.1 带型选择

根据传动带的截面形状，摩擦型带传动可分为平带传动、V 带传动和圆带传动。V 带传动又可分为普通V 带传动、窄V 带传动、联动V 带传动等。

V 带的横截面为等腰梯形，工作时其两侧面与轮槽的侧面相接触，而V 带与轮槽槽底并不接触。由于轮槽的楔形效应，楔形槽可以增大法向压力，在初拉力相同的条件下时，V 带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，故可传递更大的载荷，具有较大的牵引能力。因此，在本次设计中，采用V 带传动方式。 3．4.2 带传动设计

由以上计算可知，小带轮转速min /5801r n =，大带轮转速min /2902r n = 普通V 带型号，查《机械原理与机械设计》中表17-4，得2.1=A K

kw kw P K P A c 9.075.02.1=⨯==

根据c P 和1n ，选取Z 型V 带

查《机械原理与机械设计》中图17-11并参照表17-5，选取

mm d d 501=，mm n n d d d d 1002502

12=⨯=⋅= 带速s m s m n d v d /52.1/1000

60580

5011=⨯⨯⨯=

⋅⋅=ππ

中心距、带长及包角

根据式()()2102127.0d d d d d d a d d +<<+，()()100502100507.00+⨯<<+⨯a 即3001050<

()()()()m m m m a d d d d a L d d d d d