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中文翻譯(1): 獲得超光滑晶體表面的研磨拋光工藝 摘要: 在適宜的工作環(huán)境下,采用柔性拋光工具和優(yōu)良拋光介質(zhì)加工獲得光潔度為埃等級(jí)的晶體表面的超精密研磨拋光工藝正在被廣泛研究，并根據(jù)建立的基礎(chǔ)模型,通過分析拋光過程中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來研究材料的去除機(jī)制,提出了表面粗糙度的概念。在實(shí)驗(yàn)室里，已經(jīng)通過采用二氧化硅磨料和K3球形拋光粉獲得一個(gè)光潔度1-2埃的超光滑晶體表面。 1、簡介 隨著材料科學(xué)的顯著進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，各種各樣由最新研制的材料制造的設(shè)備的使用迅猛增加。但是在制作一個(gè)高性能的裝置時(shí),它往往必需采用研磨拋光工藝進(jìn)行處理。最近,對超精密加工技術(shù)的研究形成的先進(jìn)加工方法迅速發(fā)展,這對工業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)顯著。當(dāng)通過提升研磨和拋光等方法來實(shí)現(xiàn)超精密加工時(shí),則必須提高傳統(tǒng)的拋光工藝的穩(wěn)定性或添加新的工作機(jī)制，以此確保獲得高質(zhì)量高精度的工作表面。文獻(xiàn)[1]顯示了當(dāng)在研磨拋光的過程中遇到較大的研磨顆粒時(shí)，軟質(zhì)磨料可以減少表面粗糙度的惡化。這對于獲得一個(gè)理想平滑的工作表面是非常重要的。合理選擇研磨劑對于獲得超光滑表面也是極其重要的。文獻(xiàn)[2]表明了采用二氧化硅超細(xì)粉末研磨劑可以實(shí)現(xiàn)超精密晶體表面的加工。在這篇報(bào)告還討論了在適宜的工作環(huán)境,采用柔性拋光工具和優(yōu)良拋光介質(zhì)的條件下，如何通過研究拋光過程中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)制來獲得一個(gè)無損傷埃級(jí)表面粗糙度的晶體表面的過程。 2、研磨和拋光的機(jī)理 研磨的效果與研磨劑的作用效果以及研磨工具材料的性能有著密切的聯(lián)系。特別是采用旋轉(zhuǎn)鏡面切削方法加工晶體表面過程中采用的研磨劑。在晶體表面產(chǎn)生的裂紋也是由于研磨劑的作用。這是研磨過程去除晶體表面材料的主要途徑。由于微裂紋的裂紋擴(kuò)張以及交叉,使得裂紋區(qū)域破碎分離，以此達(dá)到去除晶體材料的目的。處于晶體表面下的有效微裂紋的長度是大致相同的。載荷越高，微裂紋的長度越大。一般結(jié)論是:晶體表面下的微裂紋的平均傳播深度是研磨顆粒的三分之一。 研磨材料的性質(zhì)及研磨劑粉末是確保超光滑表面的基本條件。柔性拋光工具可以降低表面粗糙度 [1]，但是，如果在研磨拋光過程中遇到大磨料或顆粒，研磨劑的選擇、選擇合適的柔性拋光工具對于獲得理想的超光滑表面是十分重要的。 一般情況下，在研磨拋光過程中，超硬的研磨劑顆粒將會(huì)在加工材料表面產(chǎn)生凹槽。然而,這個(gè)機(jī)制并不適用于超精密拋光那些與研磨顆粒硬度相當(dāng)?shù)牟牧稀Ｋ砻髁瞬牧先コ倪^程機(jī)制,包括隨機(jī)初始點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的微裂紋以及在原子尺度的二氧化硅顆粒在晶體表面的爆炸性作用，都被視為超精密研磨拋光機(jī)制不可或缺的一部分[2]。 3、實(shí)驗(yàn)過程 3.1、最優(yōu)研磨參數(shù)的確定 研磨的基本過程是機(jī)械加工去除晶體表面多余部分材料的過程,所以研磨效率將會(huì)對整個(gè)機(jī)加工時(shí)間產(chǎn)生重要影響。另一方面,經(jīng)過研磨加工的材料表面質(zhì)量對拋光加工的時(shí)間以及表面完整性都會(huì)產(chǎn)生影響。試驗(yàn)表明,影響表面粗糙度以及研磨效率的參數(shù)有：研磨顆粒的性能和尺寸、研磨液濃度、研磨速度以及研磨壓力等等。 為確保晶體表面的研磨加工精度，把最初的石英晶體樣本全部調(diào)整到粒徑不少于0.5毫米。那么，他們的表面粗糙度會(huì)隨著可調(diào)研磨機(jī)調(diào)環(huán)上他們對應(yīng)的氧化鋁粉末研磨劑#1000 、#2000 和#4000 依次升高。研磨參數(shù)(研磨速度和研磨壓力)的改變會(huì)影響晶體的切削用量,它與切削用量之間的關(guān)系如圖1和2所示。 圖1顯示研磨速度與切削用量成正比。這是因?yàn)?研磨速度越高，單位時(shí)間內(nèi)由研磨劑顆粒產(chǎn)生的機(jī)加工微裂紋就越長；因此，切削用量也就越大。實(shí)驗(yàn)還表明研磨速度越高，表面粗糙度越小。 圖1 研磨速度與切削用量之間的關(guān)系 圖2 研磨壓力與切削用量之間的關(guān)系 圖2顯示的是研磨壓力與切削用量之間的關(guān)系。這表明切削用量與研磨壓力之間成正比。這是因?yàn)?，隨著研磨壓力的增加，每一個(gè)研磨顆粒在單一試件表面的作用以及在試樣表面之下微裂紋的長度都相對增加;這一點(diǎn)也使切削用量增大。但提高研磨壓力并不是無限的,當(dāng)壓力增加太多時(shí)，晶體將會(huì)破碎。 圖3(1)-(c)顯示了相應(yīng)的#1000 # 2000 和#4000 氧化鋁磨料粒度的研磨劑研磨作用后的晶體試樣的表面粗糙度。 結(jié)果表明，研磨劑顆粒越細(xì)小,每一個(gè)單一的研磨劑顆粒在晶體表面的劃痕壓痕也越小，產(chǎn)生的表面微裂紋的長度也越小。因此，表面粗糙度越小，相應(yīng)的切削用量也越小。圖4顯示了磨料顆粒粒度、切削用量和表面粗糙度三者之間的關(guān)系。 為了獲得更高的質(zhì)量并保證較高的切削用量，研磨參數(shù)的合理選擇范圍如下：研磨液濃度20 - 30 wt. %，研磨速度80 - 170米/分鐘,研磨壓力100 -150克/平方厘米。 3.2、超精密拋光加工 研磨后,用蒸餾水將試樣擦拭干凈，將脫脂棉用丙酮濕透。然后把石英晶體樣本與不銹鋼夾具一起固定在可調(diào)環(huán)形拋光機(jī)器上。為獲得一個(gè)埃級(jí)光滑表面粗糙度的晶體表面，我們采用軟質(zhì)K3球形拋光劑(4毫米每槽)以及二氧化硅粉末作為拋光介質(zhì)來拋光晶體樣本表面。 首先,晶體試樣是由粒徑0.3 mmCeO2的拋光粉在拋光機(jī)的的作用下，經(jīng)過210分鐘去除受損的晶體表層所產(chǎn)生的。然后，由光潔度500埃的優(yōu)質(zhì)二氧化硅粉末拋光獲得超光滑晶體表面。 圖3 研磨后的晶體表面粗糙度輪廓 圖4 研磨劑顆粒粒度、切削用量和表面粗糙度的關(guān)系 圖5 拋光劑顆粒粒度、切削用量和表面粗糙度的關(guān)系 圖6 三氧化二鐵拋光后的表面粗糙度輪廓(Talystep) 這個(gè)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程都是在無塵環(huán)境下完成的。拋光條件如下：拋光壓力18 g /平方厘米,拋光速度快143.4米/分鐘。 4、結(jié)果和討論 為了研究相同拋光條件下幾種拋光粉粉末，我們對拋光結(jié)果進(jìn)行了對比。圖5顯示的是晶體在不同拋光粉作用下的切削用量。圖6 - 8顯示的是各自的表面粗糙度輪廓特性與Fe2O3, CeO2 and SiO2磨料之間的關(guān)系。 由圖5計(jì)算的相應(yīng)于Fe2O3, CeO2 and SiO2磨料的切削用量是1.4、7以及8.4埃/秒，最大粗糙度是15、25以及1 – 2埃。在由二氧化硅粉末拋光作用的表面上,最大粗糙度在1 – 2埃以內(nèi)。這個(gè)結(jié)論意味著獲得超光滑石英晶體表面是通過考慮拋光工序過程中相應(yīng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)而來的。材料的去除是在原子尺度上完成的。 圖7 由CeO2拋光后的表面粗糙度輪廓 圖8 由SiO2拋光后的表面粗糙度輪廓(Talystep) 5、結(jié)論 石英晶體的研磨參數(shù)的最佳選擇范圍是實(shí)驗(yàn)獲得的。傳統(tǒng)的光學(xué)拋光法已經(jīng)被改良以保證獲得超光滑晶體表面。軟質(zhì)K3球形拋光粉以及二氧化硅粉末被應(yīng)用于拋光實(shí)驗(yàn)以獲得一個(gè)埃級(jí)表面粗糙度的石英晶體表面： (1)晶體研磨過程中的研磨劑顆粒的機(jī)械運(yùn)動(dòng)包括滾動(dòng)和鏡面微切削。 (2)研磨劑顆粒的滾動(dòng)形成凹坑和微裂紋，它的鏡面微切削在晶體表面作用形成劃痕和裂縫。 (3)研磨速度和研磨壓力正比于晶體的切削用量。研磨顆粒粒度越小，產(chǎn)生的表面粗糙度就越小，切削用量也越低。 (4)確定研磨參數(shù)的選擇范圍：研磨液濃度20 - 30 wt. %,研磨速度80 - 170米/分鐘,研磨壓力100 - 150克/平方厘米。 (5)拋光材料和拋光粉的性能是確保獲得超光滑表面的必要條件。 (6)在給定試驗(yàn)條件下,可以獲得光潔度1 – 2埃的晶體表面。 (7)二氧化硅粉末拋光的材料去除率是1.4 埃/ 秒,這確定了其材料的去除是在原子尺度上的。 致謝 由衷感謝浙江省自然科學(xué)基金(501097)和浙江省青年科技人才培養(yǎng)專項(xiàng)資金項(xiàng)目 (RC RC02066)的大力財(cái)政支持。 參考文獻(xiàn) [1] T. Kasai, K. Horio, T. Karaki-Doy, Ann. CIRP 39 (1) (1990). [2] J.L. Yuan, Z.F. Tong, SME MR 91-193, 1991 中文翻譯(2): 降低超聲波切割骨骼時(shí)切削溫度的方法 摘要: 超聲波切割工藝廣泛應(yīng)用于食品加工以產(chǎn)生一個(gè)干凈整齊的切口。然而,它還沒有被采納作為醫(yī)療器械應(yīng)用于骨科手術(shù)中,主要由于它生成的切口位置具有較高的溫度,相應(yīng)的就要求使用額外的冷卻。例如,如果切削溫度達(dá)到55-60 C以上時(shí),特別是溫度持續(xù)期間,骨頭組織會(huì)發(fā)生壞死,危及術(shù)后康復(fù)。 最近，筆者的一項(xiàng)研究結(jié)果顯示,自然界中的熱響應(yīng)材料,例如木頭和骨骼,容易受到它所吸收的超聲波能量以及切口位置的熱傳導(dǎo)的影響。在這篇研究報(bào)告中，切削參數(shù)間的相關(guān)性,例如激波振動(dòng)速度、載荷頻率和耦合接觸調(diào)諧條件下對熱響應(yīng)進(jìn)行研究和報(bào)道,結(jié)果表明,通過控制切削參數(shù)使它在安全的切削溫度范圍內(nèi)工作是可以實(shí)現(xiàn)的。因此,作者提出了一種新穎的切削葉片輪廓以降低切口位置產(chǎn)生的摩擦熱。通過一系列利用新鮮的牛股骨頭切割實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明, 可以通過選擇合適的切割參數(shù)和葉片輪廓來降低切削溫度以及熱損傷。 1、簡介 骨骼切削工具,例如鉆頭、鋸子和鑿子，可為外科醫(yī)生提供有限的精度和機(jī)動(dòng)靈活性[1],并且經(jīng)常導(dǎo)致骨組織燃燒,形成的碎片對鄰近組織造成損傷。另一種骨骼切割裝置是超聲刀,圖1(a),是將縱向振動(dòng)模態(tài)頻率調(diào)節(jié)到低頻超聲波范圍(20 - 100千赫)。這項(xiàng)研究有利于超聲波切割壞硬組織包括消除切屑、降低反應(yīng)程度以及產(chǎn)生更精準(zhǔn)的切口。 超聲波骨科手術(shù)不是一個(gè)新概念,它的作業(yè)設(shè)備可以追溯到1957年[2]。然而,工具的限制和傳感器的設(shè)計(jì)以及缺乏合適的方法進(jìn)行功率微調(diào)控制,大大限制了早期技術(shù)的發(fā)展。在過去的15多年里,伴隨著傳感器的設(shè)計(jì)和改進(jìn),以及更復(fù)雜的機(jī)電一體化功率控制的發(fā)展，超聲外科手術(shù)設(shè)備得到了更新并快速發(fā)展[3]。 當(dāng)前的超聲骨切割手術(shù)的挑戰(zhàn)在于在不超過骨頭壞死溫度的情況下，可調(diào)諧系統(tǒng)能否為超聲切割刀具提供足夠的聲功率來切除壞硬組織。要克服組織燃燒問題、超聲波切割裝置通常需要加進(jìn)冷卻系統(tǒng),能為切口位置提供水（或鹽水)[3,4],但是這又提出了交叉感染的問題。這項(xiàng)研究顯示了如何控制切削溫度,通過研究切削參數(shù)以及切削刃幾何參數(shù)對切削溫度的影響，目的在于設(shè)計(jì)出有能力在骨骼切割中切割深切口而不需要冷卻系統(tǒng)的超聲波切割設(shè)備。 圖1 (a)超聲波切割系統(tǒng)的原理,(b)超聲波切割牛骨在不同靜負(fù)載下的溫度響應(yīng) 2、超聲波切割中的熱響應(yīng)特性 作者先前的研究表明, 時(shí)測的不同材料的超聲波切割熱響應(yīng),表現(xiàn)出兩個(gè)溫度峰[5,6]。圖1顯示一個(gè)典型牛股骨頭樣本(b)測量的熱響應(yīng)。人造股骨和幾個(gè)等級(jí)的木頭測定的熱響應(yīng)定性相似。 測量反應(yīng)時(shí)的第一個(gè)頂峰溫度是由于物質(zhì)樣品吸收葉片震動(dòng)產(chǎn)生的超聲波能量所產(chǎn)生的。溫度峰值的大小隨著作用在葉片上的靜載荷的增加而增加,因?yàn)殪o態(tài)負(fù)荷的增加提高了葉片和材料之間的耦合。時(shí)域響應(yīng)與測量傳感器在標(biāo)本上的位置無關(guān)[4]。 測量反應(yīng)是的第二個(gè)頂峰溫度是由于葉片滲入材料組織時(shí)葉片和標(biāo)本之間的摩擦熱的熱傳導(dǎo),導(dǎo)致溫度逐步增加,即在測量過程中測定溫度的衰退期。在這種情況下,反應(yīng)時(shí)間取決于傳感器在標(biāo)本中的位置。同樣的切削深度,測量溫度的峰值傳導(dǎo)的響應(yīng)隨著靜態(tài)載荷的降低而降低,主要因?yàn)檫@種切割出現(xiàn)的非常快。 3、葉片輪廓的設(shè)計(jì)對溫度的影響 為當(dāng)前研究設(shè)計(jì)制造四個(gè)鈦合金超聲波切割刀片，并將它們調(diào)節(jié)在兩種截然不同的縱向共振頻率(圖2)。使用有限的元分析(FEA)確定刀片的尺寸。刀身共振頻率基本調(diào)整為兩個(gè)19.5千赫和兩個(gè)35千赫。 雖然葉片被要求來調(diào)整成不同的長度，但是振動(dòng)幅度保持不變,設(shè)計(jì)的每一個(gè)刀片的輪廓也都保持一致。 先前的切割實(shí)驗(yàn)顯示,樣品溫度與吸收超聲能量可以達(dá)到的峰值溫度有關(guān),溫度高于正常會(huì)引用骨組織壞死。然而,眾所周知的是壞死溫度并不是一成不變的,它取決于骨組織經(jīng)歷高溫的持續(xù)時(shí)間。事實(shí)上,骨組織能承受高溫的時(shí)間如果很短的話是沒有熱損傷[7]。 圖2 35千赫(短)和19.5千赫(長)超聲波切割刀片(a)和(b)定切削刃的部分(簡介1)和(c),(d)鋸齒狀的尖端部分(側(cè)面2) 實(shí)驗(yàn)還表明,暴露的條件下切割股骨頭時(shí)，延長間隔的高溫會(huì)產(chǎn)生摩擦熱。這項(xiàng)研究旨在調(diào)查葉片輪廓對超聲波切割骨的期間切削溫度的影響,特別是不同輪廓的刀片和骨頭之間的關(guān)系對葉片結(jié)構(gòu)的影響。因此,兩個(gè)不同切割邊緣輪廓的刀具,一個(gè)具有刃部保持不變和尖端(刀片簡介1),另一個(gè)具有相同的尖端并呈鋸齒狀 (葉片輪廓2)。 3.1、 實(shí)驗(yàn)器材 該實(shí)驗(yàn)是切割牛股骨樣品，如圖3(a)所示。樣品被切碎并用金屬板夾緊綁在一個(gè)水平的導(dǎo)軌上。變頻控制器和刀組合安裝在一個(gè)可以沿著導(dǎo)軌自由滑動(dòng)的滑塊上。為了研究施加的靜態(tài)力的影響,采用一個(gè)由滑輪、纜繩和砝碼連接在滑塊的一側(cè)組成的系統(tǒng)。用千分尺記錄下每次剪斷后測得的深度。 采用六個(gè)熱電偶均勻分布來測量溫度，使其排成兩排，每排三個(gè)，放在切割線的兩側(cè),如圖3(b)描述。在每一行的三個(gè)熱電偶放在距離樣本頂部5、10和15毫米處。1 – 3號(hào)探測器和1和4 – 6號(hào)探測器相應(yīng)的放置在距離切割線的1毫米和2毫米處。 3.2、 切割邊緣輪廓、頻率調(diào)整以及振動(dòng)頻率對樣本溫度的影響 首先,利用兩個(gè)調(diào)諧到35 kHz的刀片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將兩葉片配置(型材1和2)的超聲波振幅調(diào)節(jié)到23微米,并經(jīng)行測試得到一組在20 - 75 牛范圍內(nèi)變化的靜態(tài)負(fù)載。對于每個(gè)切削實(shí)驗(yàn)樣品的溫度監(jiān)測時(shí)間為300秒,在未切割的時(shí)間里，允許標(biāo)本回到室溫。 圖4反映了放置在骨標(biāo)本的六個(gè)熱電偶探測到的結(jié)果,當(dāng)使用35千赫葉片和型材1和2和靜態(tài)負(fù)荷20 N的情況下,如下所示。可以明顯看到，當(dāng)采用鋸齒形刀片時(shí)，探測到的溫度明顯偏低，如圖4(b)所示,特別是探測器1探測的峰值溫度40 C明顯降低。 這些改進(jìn)源于熱力學(xué)條件切割過程中減少刀片和樣本之間的摩擦接觸面積。這也產(chǎn)生一個(gè)更快切割和便利地從切口位置去除骨碎片。作為一個(gè)結(jié)果,通過摩擦加熱碎片燃燒,先前被當(dāng)作損傷骨組織的主要原因是可以降低的[5,6]。 圖3 (一)超聲波切割實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)器材和(b)樣本中的熱電偶分布 圖4 使用兩個(gè)35千赫、葉片輪廓(a)和(b)1葉片輪廓2，六個(gè)熱電偶分布在樣本上測量的溫度顯示 圖5 不同切削刃輪廓1和2,都是35 kHz,尖端振動(dòng)幅值(a)和(b)為23微米和40微米的激光束，對應(yīng)的靜態(tài)負(fù)荷對峰值溫度的影響 應(yīng)用靜態(tài)載荷對溫度的影響,可以用圖5所示的刀片型材1和2，尖端振幅23微米和40微米的激光束。在本圖中, 葉片輪廓葉片1和2記錄的不同的切削溫度峰值與應(yīng)用靜載荷成反比。這些測量值一致記錄了當(dāng)使用葉片輪廓2時(shí)峰值溫度的下降。出現(xiàn)某些少量的趨勢偏離是由于探頭定位時(shí)的輕微錯(cuò)誤。 使用同樣的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行19.5千赫葉片在任意頻率時(shí)對應(yīng)的切削溫度。每個(gè)葉片都是40微米的振幅,像35千赫葉片在23微米的激光振幅下操作一樣給予同樣的激波振動(dòng)速度。在先前的研究中, 超聲波切割實(shí)驗(yàn)論證了振動(dòng)速度對振動(dòng)參數(shù)的影響 [6]。 通過比較圖6和圖5(a)可以看到，葉片輪廓1和2之間測量的結(jié)果要比35千赫刀片下測量的結(jié)果差別性很小,因此,19.5千赫切的削溫度的峰值并非如此依賴于切割邊緣輪廓的激波振動(dòng)速度。再次,在19.5 kHz時(shí),刀片輪廓2比刀片輪廓1的切割速度快得多。 4、改進(jìn)葉片振動(dòng)性能的設(shè)計(jì)方法 盡管切削刀片調(diào)整為縱向模式,它曾明確指出,切削性能與調(diào)諧后的刀片的振動(dòng)特性緊密相關(guān)。在這種情況下,我們發(fā)現(xiàn)將葉片輪廓2調(diào)諧為19.5千赫時(shí)，表現(xiàn)出來的切削效果比預(yù)期還要差，這表明35千赫和19.5千赫的葉片對于切削溫度有不同的影響。因此, 進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于葉片輪廓2調(diào)諧為19.5千赫下的振動(dòng)特性研究。 圖6 對不同靜載荷使用19.5千赫葉片和40微米幅值的激光束下測量的切削刃輪廓1和2的峰溫差 4.1、線性和非線性模態(tài)耦合 振動(dòng)特性可以通過三維激光的多普勒效應(yīng)（LVD）的模態(tài)分析(EMA)實(shí)驗(yàn)和LMS模態(tài)分析軟件來確定。圖7(a)顯示一個(gè)側(cè)面角度測量的調(diào)整模型,這對于揭示彎曲葉片的縱向模式具有重大貢獻(xiàn)。圖8(b)顯示了發(fā)生在非常接近縱向模態(tài)頻率的彎曲模式,而且它是調(diào)諧頻率下模態(tài)耦合的原因。 圖7 由(a) EMA和(b)FEA有限元分析確定調(diào)諧縱向模式 圖8 縱向耦合彎曲模式(a)和(b)彎曲模式的EMA的模態(tài)數(shù)據(jù) 圖9 19.5千赫縱向模式下的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 此外,當(dāng)這個(gè)裝置在調(diào)諧頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),大量的能量泄漏進(jìn)入一個(gè)內(nèi)在的模態(tài)來響應(yīng)調(diào)諧頻率的一半,這是主參數(shù)共振的特色[8],如圖9所示。9.9千赫下產(chǎn)生的內(nèi)部響應(yīng)模式與刀片的扭轉(zhuǎn)模式相呼應(yīng),如圖10。 4.2、通過輪廓變更來提高葉片調(diào)整響應(yīng) 我們已經(jīng)闡明了19.5千赫葉片的振動(dòng)測量反應(yīng)的特點(diǎn)是兩個(gè)線性的非線性模態(tài)之間的相互作用。這類能量泄漏會(huì)影響切削過程中的熱響應(yīng),因此,重新提出了消除這些影響的設(shè)計(jì)方法。要求是, 在不改變?nèi)~片長度并在葉片輪廓保持足夠的振幅從而允許刀片操作刀尖獲得必須的振幅的情況下將不調(diào)諧的彎曲模式以及扭轉(zhuǎn)模式和縱向模式分離開[9,10]。 將兩個(gè)鋸齒狀的刀片合并來改變?nèi)~片寬度,如圖11(b)(葉片輪廓3)所示。新刀片彎曲模式頻率下測量的EMA數(shù)據(jù)有一個(gè)重大轉(zhuǎn)折,將彎曲模態(tài)響應(yīng)與調(diào)諧縱向模式響應(yīng)分離。同時(shí),縮進(jìn)寬度輪廓明顯影響扭轉(zhuǎn)模式模態(tài)頻率,實(shí)現(xiàn)了頻率下降1.1 kHz,導(dǎo)致非線性模態(tài)耦合被剔除。改進(jìn)的葉片對刀尖的單一線性頻率響應(yīng)振幅達(dá)到55微米。 5、葉片輪廓3對溫度的影響 用19.5千赫的葉片輪廓3，40微米刀尖振幅進(jìn)行了進(jìn)一步的切削溫度測量。圖12顯示了隨著靜載荷的增加，19.5千赫切削刀片1號(hào)和3號(hào)的峰值切削溫差。盡管提高了切削速度,由于新設(shè)計(jì)型材3、消除模態(tài)相互作用 圖10 (a) EMA和(b)FEA有限元分析測定的內(nèi)部扭轉(zhuǎn)模式 圖11 頂視圖:(一)初始19.5千赫鋸齒狀葉片輪廓(葉片輪廓2),(b)新設(shè)計(jì)的具有額外寬度的呈鋸齒狀葉片輪廓(葉片輪廓3) 圖12 在19.5千赫和刀尖幅值:(a)微米和(b)55微米的情況下，不同切削刃輪廓1和3靜態(tài)載荷下的峰值差 振動(dòng)特性作為實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)影響因素,利用設(shè)計(jì)的這種刀片沒有顯著降低溫度。在一個(gè)更高的超聲波振幅，即55微米,樣本記錄了溫度的降低。結(jié)果表明,在19.5 千赫時(shí),影響切削刃結(jié)構(gòu)溫度在較高的超聲波振幅下更明顯(見表1)。 6、結(jié)論 葉片輪廓對切削溫度的影響正在被加以研究,以探討在超聲波切割骨頭時(shí)控制溫度的方法。結(jié)果表明減少葉片和樣本之間的接觸面積可以降低樣品溫度。特別是,在更高的調(diào)諧頻率下, 在靜態(tài)負(fù)荷變動(dòng)范圍內(nèi)呈鋸齒狀切割邊緣輪廓的刀片可以始終如一的降低切削溫度，而且兩個(gè)刀尖振幅滿足使用要求。然而,在較低的調(diào)諧頻率下,明顯的降低溫度只有更高刀尖的振動(dòng)振幅下獲得。葉片振動(dòng)對刀片的影響更加顯著,并且，它顯示了如何改變?nèi)~片輪廓可消除線性的非線性模態(tài)之間的相互作用,從而消除這些在切割實(shí)驗(yàn)中的影響。 參考文獻(xiàn) [1] J.Y. 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Lim, A novel multiple blade ultrasonic cutting device, Ultrasonics 42 (2003) 69–74. 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 指導(dǎo)教師： 職稱： 副教授 所在院（系）： 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 教研室（研究室）：機(jī)械設(shè)計(jì)教研室 題 目 干式格子型球磨機(jī)的傳動(dòng)部件及滾筒設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 08機(jī)制3班 學(xué)號(hào) 一、選題質(zhì)量：(主要從以下四個(gè)方面填寫：1、選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，能否體現(xiàn)綜合訓(xùn)練要求；2、題目難易程度；3、題目工作量；4、題目與生產(chǎn)、科研、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等實(shí)際的符合程度) 該生此次所選擇的題目為干式格子型球磨機(jī)的傳動(dòng)部件及滾筒設(shè)計(jì)，內(nèi)容涉及到球磨機(jī)筒體、傳動(dòng)部件及其主要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核，與專業(yè)課程緊密聯(lián)系，符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，在設(shè)計(jì)工作中，需要對所學(xué)知識(shí)綜合地加以運(yùn)用，使之能夠熟練應(yīng)用有關(guān)參考資料、計(jì)算圖表、手冊；熟悉有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了綜合訓(xùn)練的要求。工作量大，課題與礦山、化工等機(jī)械領(lǐng)域緊密相關(guān)，與生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等的結(jié)合緊密，選題質(zhì)量較高。 二、開題報(bào)告完成情況： 從適合實(shí)際工作環(huán)境出發(fā)，確定了明確的課題設(shè)計(jì)方向；并對干式格子型球磨機(jī)在使用中經(jīng)常出現(xiàn)的問題有一定的研究，且應(yīng)用在設(shè)計(jì)計(jì)算中；已經(jīng)開始對課題進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并有了突破性的進(jìn)展，設(shè)計(jì)過程已經(jīng)快速地展開，確定了工作的內(nèi)容和方法；同時(shí)，已完成了對相關(guān)資料的查閱，對課題有了總體的分析。開題報(bào)告順利完成。 三、階段性成果： 總體布置方案、傳動(dòng)方案和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)已確定，并完成一些標(biāo)準(zhǔn)件的選型及和大多數(shù)零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算工作。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核工作正在進(jìn)行中，部分零件圖的繪制已經(jīng)基本完成，英文翻譯工作已結(jié)束，已開始制作設(shè)計(jì)說明書的工作。 四、存在主要問題： 1.因?yàn)槟サV機(jī)在生產(chǎn)使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)筒體開裂現(xiàn)象，因此在保證生產(chǎn)效率的前提下，筒體厚度的設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度校核非常重要； 2.由于筒體襯板的結(jié)構(gòu)形狀不僅直接影響磨礦機(jī)的工作效率，而且影響磨礦機(jī)的作業(yè)效率，因此襯板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其參數(shù)選擇常重要； 3.因?yàn)榍蚰C(jī)是低速重載機(jī)械，工作條件較差，載荷有一定的沖擊，且有粉塵等，因此球磨機(jī)的傳動(dòng)方案及參數(shù)的選擇，以及零部件的參數(shù)選擇及強(qiáng)度校核也都具有一定難度，工作量大； 4.在整體結(jié)構(gòu)及零部件結(jié)構(gòu)上存在一定問題，在選用零件和確定結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)時(shí)缺少經(jīng)驗(yàn)和參考； 5.可供參考資料甚少，資料比較陳舊，設(shè)計(jì)時(shí)一些參數(shù)比較難確定。 五、指導(dǎo)教師對學(xué)生在畢業(yè)實(shí)習(xí)中，勞動(dòng)、學(xué)習(xí)紀(jì)律及畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展等方面的評(píng)語 指導(dǎo)教師： （簽名） 年 月 日 2 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 I 摘 要 礦用磨機(jī)由于其可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、處理能力大等特點(diǎn)，是相關(guān) 行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的磨礦設(shè)備，有著不可替代的作用。 本論文主要是針對礦用磨機(jī)在生產(chǎn)使用過程中出現(xiàn)的筒體開裂、強(qiáng) 度不足等問題，對球磨機(jī)的筒體、傳動(dòng)部件及其主要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 結(jié)合現(xiàn)有的理論，經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。對回轉(zhuǎn)部的主要零部件：筒 體進(jìn)行了較為詳細(xì)的計(jì)算。并根據(jù)它在不同載荷下的應(yīng)力和變形，運(yùn)用 簡支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了筒體強(qiáng)度的分析與計(jì)算。然后對傳動(dòng)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì) 與計(jì)算，包括電機(jī)的選擇以及減速器傳動(dòng)方式的選擇。并對本次采用的 減速器箱體及其附件進(jìn)行了介紹。 總之，本設(shè)計(jì)為對礦用磨機(jī)的更深入的研究提供了一定的基礎(chǔ)，同 時(shí)也為開展該方面的工作提供了有效的分析途徑和方法。為我以后的工 作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞： 球磨機(jī) 傳動(dòng)部 筒體 減速器 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 II Abstract Mine mill because of its high reliability, adaptability, processing capacity, related industries, the most widely used in grinding equipment, has an irreplaceable role This thesis in the production process for the mine mill cylinder cracking, lack of strength issues such as ball mill cylinder, transmission components, and its main components, the design calculations. Combination of existing theoretical, empirical formula to be redesigned. Turning part of the main components: cylinder in a more detailed calculation. And in accordance with the stresses and deformations under different loads, the use of a simply supported beam structure analysis and calculation of the cylinder strength.Gear design and calculation, including the choice of motor selection and reducer drive way. And the reducer used the box and its annex were introduced. In short, the design for a more in-depth study of the mine mill a certain foundation, but also to carry out the work of the aspects of effective ways and means. Laid a solid foundation for my future work and learning. Key words: ball mill ransmission part barrel body annex the reducer 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 1 目 錄 前言 .........................................................1 1 緒 論 .....................................................2 1.1 論文題目的選擇 ..........................................2 1.2 礦用磨機(jī)的發(fā)展及現(xiàn)狀 ...................................3 2 干式格子型球磨機(jī)介紹 .......................................5 3 筒體設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 .........................................8 3.1 筒體直徑和長度的設(shè)計(jì) ..................................8 3.1.1 長徑比的選擇 ......................................8 3.1.2 用磨礦機(jī)的生產(chǎn)率來反算筒體直徑和長度 ..............8 3.1.3 各參數(shù)的選擇和計(jì)算 ...............................12 3.2 筒體厚度設(shè)計(jì) .........................................13 3.2.1 裝球量計(jì)算 .......................................13 3.2.2 介質(zhì)直徑、質(zhì)量配比計(jì)算 ...........................14 3.2.3 厚度的確定 .......................................15 3.2.4 筒體厚度的驗(yàn)算校核 ...............................16 3.3 球磨機(jī)筒體設(shè)計(jì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)歸納 ............................23 4 球磨機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì) ............................................25 4.1 減速器的總體設(shè)計(jì) .....................................25 4.1.1 擬定傳動(dòng)方案 .....................................25 4.1.2 電機(jī)選型 .........................................25 4.1.3 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比及其分配 .......................27 4.1.4 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) .....................27 4.2 齒輪設(shè)計(jì) .............................................29 4.2.1 減速器內(nèi)斜齒輪設(shè)計(jì) ...............................29 4.2.2 低速級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ...........................36 4.3 軸的設(shè)計(jì) ...............................................41 4.3.1 減速器高速軸 1 的設(shè)計(jì) ...............................41 4.3.2 減速器軸 2 的設(shè)計(jì) ...................................47 4.3.3 安裝與滾筒大齒輪相齒合的軸 3 的設(shè)計(jì) .................53 5 減速器箱體的尺寸選擇 ......................................59 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 2 6 減速器附件的設(shè)置 ..........................................60 7 總結(jié) ......................................................61 致謝 ........................................................62 參考文獻(xiàn) ....................................................63 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 3 前 言 本設(shè)計(jì)是針對現(xiàn)存球磨機(jī)存在的問題以及使用過程中出現(xiàn)的問題， 例如筒體焊縫開裂，撓度過大，強(qiáng)度不足，齒輪的非正常磨損、折斷， 軸的疲勞破壞等，對球磨機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并通過本設(shè)計(jì)找出一整套的 計(jì)算方法，達(dá)到能夠應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的目的。本次設(shè)計(jì)給定的數(shù)據(jù)是： 有效容積 2.2 立方米；產(chǎn)量 1.4-4.5 噸/小時(shí);給礦粒度小于等于 25mm；排礦粒度 0.074-0.4mm;礦石硬度：中等硬度。 第一章主要介紹了論文題目的選擇及其意義，并對礦用磨機(jī)的現(xiàn)狀 及發(fā)展方向做了簡要的說明。 第二章主要對所選的干式格子型球磨機(jī)的各個(gè)組成部分進(jìn)行了簡要 的介紹。 第三章也是本設(shè)計(jì)的主要的一部分，主要對所選磨機(jī)的尺寸進(jìn)行選 擇計(jì)算，對筒體的厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，對筒體內(nèi)襯板進(jìn)行型式的選擇， 主要參數(shù)的計(jì)算以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最后對其所運(yùn)用的材料進(jìn)行了選擇。 第四章是本設(shè)計(jì)的另一重要部分，首先對傳動(dòng)方案進(jìn)行了選擇，電 機(jī)的選型，傳動(dòng)比的分配，傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算，其次，設(shè) 計(jì)計(jì)算了四個(gè)齒輪并對他們進(jìn)行了校核，之后又對三根軸進(jìn)行了力的分 析計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其校核，最后對所選用的軸承及其鍵進(jìn)行了校核。 第五、六兩章主要就是根據(jù)所設(shè)計(jì)的軸的尺寸及其齒輪的大小選擇 箱體的大小及其附件裝置。 由于設(shè)計(jì)水平的有限，本設(shè)計(jì)難免存在缺點(diǎn)和錯(cuò)漏，歡迎老師指正。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 4 1 緒 論 1.1 論文題目的選擇 礦用磨機(jī)廣泛用于冶金、有色、建材、陶瓷、化工、化肥、電力、 環(huán)保、國防、食品等國民經(jīng)濟(jì)部門。由于其可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、處理 能力大等特點(diǎn)，是相關(guān)行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的磨礦設(shè)備，有著不可替代的 作用。 目前礦用磨機(jī)主要存在問題是如何確定磨機(jī)筒體的工作轉(zhuǎn)速以及礦 用磨機(jī)的功率計(jì)算，磨介的填充率，筒體厚度確定問題等，這幾個(gè)因素 即相互獨(dú)立又相互影響?；诖水厴I(yè)設(shè)計(jì)選擇此題目，找出一套設(shè)計(jì)計(jì) 算方法，用最少的消耗來達(dá)到生產(chǎn)的需要。 現(xiàn)在正在服役的礦用磨機(jī)，特別是 90 年代前生產(chǎn)的礦用磨機(jī)，許 多強(qiáng)度不足，導(dǎo)致筒體焊縫開裂，撓度過大，影響使用；齒輪強(qiáng)度不足 導(dǎo)致輪齒非正常折斷等。還有的因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致進(jìn)出料襯套和 端蓋非正常磨損，把合螺栓非正常損壞等。這些問題的產(chǎn)生和動(dòng)力傳動(dòng) 以及減速器齒輪和筒體齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、強(qiáng)度計(jì)算有很大的 關(guān)系，同時(shí)與軸的設(shè)計(jì)計(jì)算以及附件的設(shè)計(jì)計(jì)算有關(guān)。因此在本次設(shè)計(jì) 中選擇對整個(gè)傳動(dòng)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，希望通過我的設(shè)計(jì)來改善球磨機(jī)的工 作狀態(tài)，延長其使用壽命。 在實(shí)際生產(chǎn)中，礦用磨機(jī)用于破碎之后選別之前，以符合工藝要求 的細(xì)粒，由于礦用磨機(jī)的產(chǎn)量與設(shè)計(jì)產(chǎn)量有較大的差距造成資源和投資 的浪費(fèi)；如果產(chǎn)量太低則整個(gè)系統(tǒng)的能力跟不上，使礦用磨機(jī)的能力受 到限制，能力發(fā)揮不出來，造成投資的無效擴(kuò)大，從而造成浪費(fèi)。而由 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 5 于礦用磨機(jī)的結(jié)構(gòu)不合理和強(qiáng)度不足造成的損失也十分驚人，例如：小 齒輪非正常斷齒、筒體和端蓋開裂、襯板過快磨損、螺栓折斷、大齒輪 張口、進(jìn)出料口漏料等，這些問題輕則造成設(shè)備停車檢修，降低勞動(dòng)效 率，消耗大量的人力財(cái)力和物力，重則造成嚴(yán)重的設(shè)備事故，使設(shè)備報(bào) 廢造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。因此有關(guān)各單位都迫切地希望 解決以上問題，以取得更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?；诖宋疫x擇球磨 機(jī)的傳動(dòng)部件和筒體設(shè)計(jì)來作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目，以求在設(shè)計(jì)的過程中 對原有的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，也為以后的工作和學(xué)習(xí)打下堅(jiān)固的基礎(chǔ)。 1.2 礦用磨機(jī)的發(fā)展及現(xiàn)狀 從第一臺(tái)礦用磨機(jī)出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年了，一百多年來，為 了提高磨礦的效率，適應(yīng)各種情況，人們對礦用磨機(jī)進(jìn)行了多方面的研 究，取得了許多進(jìn)步。特別是第二次世界大戰(zhàn)以后國外在礦用磨機(jī)方面 有了較大的發(fā)展。液壓技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及新材料、新工 藝、新方法的發(fā)展為礦用磨機(jī)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。 在礦用磨機(jī)制造方面，1904 年世界上第一臺(tái)以卵石作為介質(zhì)的礦 用磨機(jī)應(yīng)用于南非 Rand 金礦，1961 年，有人用 φ760×200mm 的錐形 礦用磨機(jī)對重晶石進(jìn)行了自磨實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。1959 年，加 拿大 D.Weston 設(shè)計(jì)了干式自磨機(jī)獲得了成功。此后，礦用磨機(jī)得到了 快速的發(fā)展，并出現(xiàn)了現(xiàn)代意義上的礦用磨機(jī)，其中由于球磨機(jī)由于具 有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、處理能力大等特點(diǎn)，是現(xiàn)在各行各業(yè)中應(yīng)用最 廣泛的磨機(jī)設(shè)備，有著不可替代的作用。 礦用磨機(jī)經(jīng)過多年的沉寂（1900—1960） ，最近幾年，隨著機(jī)械加 工技術(shù)、電氣控制技術(shù)、液壓技術(shù)的發(fā)展，以及許多新工藝、新材料的 應(yīng)用，礦用磨機(jī)也取得了巨大的進(jìn)步。例如，滾動(dòng)軸承的應(yīng)用，這是因 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 6 為礦用磨機(jī)中空軸直徑較大（φ2.7 米礦用磨機(jī)中空軸直徑在 1 米以上） ，礦用磨機(jī)的負(fù)荷和沖擊也很大，所以直到最近幾年出現(xiàn)了大直徑、高 負(fù)荷、耐沖擊的滾動(dòng)軸承以后，才開始應(yīng)用于礦用磨機(jī)。 從國內(nèi)外情況看礦用磨機(jī)的發(fā)展有以下幾大趨勢： 1.礦用磨機(jī)逐漸向大型化方向發(fā)展。 一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家如美國、日本、德國、加拿大、前蘇聯(lián)等在上世 紀(jì)六十年代末期已經(jīng)開始進(jìn)入礦用磨機(jī)大型化時(shí)代，這些在美國、澳大 利亞、加拿大、前蘇聯(lián)等的礦山設(shè)備中得到充分的體現(xiàn)。如 1968 年加 拿大塔斯馬尼亞薩瓦茲河選廠的自磨機(jī)直徑已達(dá) 9754 毫米，功率達(dá) 5000 千瓦，在追求規(guī)模效益和大型設(shè)備有點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)下，目前挪威 Hydralift Scanmec 公司為 Sydyarange 公司生產(chǎn)的 φ6.5×9.65m 球磨 機(jī)，功率達(dá) 8100KW，美卓礦機(jī)能夠提供的最大規(guī)格球磨機(jī)為直徑 φ7.93×11.4m，功率 15500KW，自磨機(jī)或半自磨機(jī)為直徑 φ12.8×6.7m，功率 25000KW，棒磨機(jī)直徑達(dá) φ4.7m。礦用磨機(jī)還有繼 續(xù)大型化的趨勢。 2.礦用磨機(jī)逐漸向自動(dòng)化、成套化方向發(fā)展。 許多大型礦用磨機(jī)配備有機(jī)械手以協(xié)助工人安裝和更換襯板；配備 手動(dòng)泵以協(xié)助人安裝和檢修軸瓦；配備慢速驅(qū)動(dòng)裝置以方便安裝和檢修； 配備聲光報(bào)警裝置和觸摸屏以實(shí)時(shí)監(jiān)控礦用磨機(jī)的工作狀況。這與以前 的礦用磨機(jī)相比在自動(dòng)化和配套方面有了質(zhì)的飛躍。 另外，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，國外公司在售前售后服務(wù)的概念已 發(fā)生了質(zhì)的變化，不僅對產(chǎn)品的質(zhì)量做出承諾，而且對設(shè)備的選型利用 他們強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為用戶提供選型和實(shí)驗(yàn).礦用磨機(jī)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā) 已是礦用磨機(jī)設(shè)計(jì)和最佳化得到了量的跨越，軟件計(jì)算磨礦負(fù)荷運(yùn)動(dòng)， 可在計(jì)算機(jī)屏幕上動(dòng)畫顯示，它所預(yù)示的礦用磨機(jī)功率，考慮了所有設(shè) 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 7 計(jì)參數(shù)，如磨礦粒度分布、襯板材料、襯板的幾何形狀和數(shù)量等因素的 影響。 2 干式格子型球磨機(jī)介紹 干式格子型球磨饑主要由給料器、中空軸頸、主軸承、前后端蓋、 扇形襯板、筒體、筒體襯板、進(jìn)人孔、格子板、中心襯板、提升斗、大 齒圈、小齒輪、減速機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、電動(dòng)機(jī)等構(gòu)成。如圖 2-1 所示 圖 2—1 格子型選礦設(shè)備- 球磨機(jī) 1—給料器；2—進(jìn)料管；3—主軸承；4—扇形襯板； 5—端蓋；6—筒體；7—筒體襯板；8—人孔；9—楔形壓條； 10—中心襯板；11—排料格子板；12—大齒圈；13—端蓋； 14—錐形體；15—楔鐵；16—彈性聯(lián)軸器；17—電動(dòng)機(jī)；18—傳動(dòng)軸 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 8 1—出料端蓋；2—傳動(dòng)接管；3—格子板；4—舉板； 5—出料螺旋葉片；6—圓筒篩；7—出料罩； I、II、III—第一、二、三倉室 給礦器是給磨礦機(jī)輸送原料的。按它們的形狀不同分為鼓式、蝸式 和聯(lián)合式等給礦器。 中空軸頸支承在主軸承上，其作用一是供磨礦進(jìn)料和出科，二是使 礦機(jī)的筒體能作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生磨礦作用。它的內(nèi)壁襯有料管來保護(hù)中 空軸頸。 主軸承基本上由下軸承座中的軸承底盤、球面瓦座、帶有自動(dòng)調(diào)位 的球面瓦(內(nèi)澆有軸承襯)和軸承蓋等組成。主軸承的各機(jī)件除軸承襯是 巴式合金外，其它的都是用鑄鐵制成。有的不是上述的滑動(dòng)軸承而是滾 子軸承。主軸承除了使磨礦機(jī)能作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，同時(shí)要承受磨礦機(jī)回轉(zhuǎn) 部分的全重量(磨礦機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件重量+介質(zhì)重量+物料和水的重量)。 由于磨礦機(jī)兩端軸承的距離都比較大，磨礦機(jī)制造本身也有誤差， 所以很難保證兩中空軸頸和筒體體的同心，在受到較大負(fù)荷的情況下， 難免要產(chǎn)生下?lián)献冃?。為避免上述情況，在軸承結(jié)構(gòu)上采用調(diào)整能力較 好的自動(dòng)調(diào)位軸面瓦，使作用在承壓面上的載荷均勻分布。為了防止球 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 9 面瓦在磨礦機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生大的移動(dòng)．在球面瓦座與球面瓦之間裝有定位 圓柱銷。 干式球磨機(jī)與濕式球磨機(jī)主軸承的區(qū)別是，后者用水冷卻，而前者 要用油潤滑即可。 端蓋分為前端蓋（排料端)和后端蓋(進(jìn)料端)、它們的作用是聯(lián)接 中空軸頸與筒體，固定格子板和筒體(前端蓋)。端蓋與筒體配合時(shí)接觸 精度要求很高，只能涂鉛油不許加墊子。同時(shí)要和筒體保持同心。 筒體，是磨礦機(jī)的主體，它用鋼板卷制焊接而成。它的作用是裝載 磨碎介質(zhì)和物料，在回轉(zhuǎn)過程中使介質(zhì)運(yùn)動(dòng)而粉碎物料。在筒體適當(dāng)?shù)?地方開有 l～2 個(gè)進(jìn)入孔，以便初裝球和倒球及物料，同時(shí)供人進(jìn)出安 裝和檢修襯板和格子板等用。在筒體兩端還焊有固定端蓋用的法蘭盤。 襯板，分為扇形襯板(在前后端蓋上)和筒體襯板。扇形襯板用高錳 鋼鑄成，格子型球磨機(jī)進(jìn)料端蓋上才裝有扇形襯板，目的是保護(hù)端蓋。 筒體襯板，它用螺栓固定在筒體上，其作用一是保護(hù)筒體；二是 在磨礦機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中提升磨碎介質(zhì)和被磨物料以及同介質(zhì)一道粉碎物料。 筒體襯板用錳鋼、鉻鋼、耐磨鑄鐵或橡膠等材料制成，目前高錳鋼運(yùn)用 較廣。橡膠襯板我國目前還處于試用階段，它具有輕便、耐磨和減輕噪 聲污染等優(yōu)點(diǎn)。但往往硬度不夠，影響磨礦效率。所以配方和加工工藝 還有待于研究改進(jìn)。 格子板，使用在格子型球磨機(jī)上，它安裝在排料端磨碎的物料通過 格子板上的孔進(jìn)入提升斗排出磨礦機(jī)外。格子板還起到篩子作用，能阻 止大塊物料和磨碎介質(zhì)。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 10 3 筒體設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 3.1 筒體直徑和長度的設(shè)計(jì) 3.1.1 長徑比的選擇 磨礦機(jī)的生產(chǎn)能力和功能消耗，近似地與磨礦機(jī)的筒體內(nèi)徑 D 的 2.5 次方和筒體長度 L 成正比.實(shí)踐結(jié)果表明，各種磨礦機(jī)的筒體內(nèi)徑 D 與 筒體長度上有如下關(guān)系。 格子型球磨機(jī)：L＝(0.7～2)D，當(dāng)磨碎比大、物料的可磨性差、產(chǎn) 品粒度要求小時(shí)，取大值，反之，取小值； 溢流型球磨機(jī)：Ｌ＝(1．3～2)D； 棒磨機(jī)：Ｌ＝(1．5～2)D； 管磨機(jī)；Ｌ＝(2．5～6)D;對于開路磨礦系統(tǒng)，?。蹋?2．5～1.5) Ｄ。 對于自磨機(jī)，筒體的內(nèi)徑較大，筒體長度較小，兩者的比值不是常 數(shù)，它隨筒體內(nèi)徑的變化而變化。對于干式自磨機(jī)，推薦采用 Ｄ／Ｌ＝２～４；對于濕式自磨機(jī)Ｄ／Ｌ≈３。 對于本設(shè)計(jì)中的格子型球磨機(jī)，選擇Ｌ＝2Ｄ 3.1.2 用磨礦機(jī)的生產(chǎn)率來反算筒體直徑和長度 由于設(shè)計(jì)任務(wù)中已知的是球磨機(jī)的生產(chǎn)率，所以用磨礦機(jī)的生產(chǎn)率 來反算筒體直徑和長度。 由于磨礦機(jī)生產(chǎn)能力的影響因素很多，而且變化大，因此，目前還 很難用理論公式來計(jì)算它的生產(chǎn)能力。一股都是根據(jù)“模擬方法”來計(jì) 算磨礦機(jī)的生產(chǎn)能力。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的磨 L 在接近最優(yōu)越的工作條件下 工作時(shí)的資料，再結(jié)合磨礦機(jī)的型式和尺寸、礦石的可磨性、結(jié)礦及產(chǎn) 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 11 品粒度等因素加以校正磨礦機(jī)生產(chǎn)：能力的計(jì)算一般按新形成級(jí)別的方 法進(jìn)行。此方法—般采用一 0.074mm(一 200 網(wǎng)目)作計(jì)算級(jí)別。 設(shè)計(jì)的磨礦機(jī)生產(chǎn)能力可按下列公式計(jì)算： 1VqQ???? 式中 V——設(shè)計(jì)的磨礦機(jī)有效容積，m3； ——產(chǎn)品中小于 0.074mm 級(jí)別含量，％；2? ——給礦中小于 0.074mm 級(jí)別含量，％；1 q——按新形成級(jí)別(0.074mm)計(jì)算的單位生產(chǎn)能力，t／(m3*h)。 q 值由試驗(yàn)確定，或采用礦石性質(zhì)類似、設(shè)備及工作條件相同 的生產(chǎn)指標(biāo) 數(shù)據(jù)與生產(chǎn)指標(biāo)時(shí)．可按下列公式計(jì)算： 01234qK? 式中 ——磨礦機(jī)按新形成(一 0.074mm)級(jí)別計(jì)算的實(shí)際單位生 產(chǎn)能力，t／(m3*h)。 ——礦石可磨性系數(shù)，可用實(shí)驗(yàn)方法確定。磨礦機(jī)研磨設(shè)計(jì)規(guī)1K 定處理 的礦石與研磨供比較用的礦石(即現(xiàn)場目前處理的礦石)時(shí)，按新形 成級(jí)別計(jì)算的生產(chǎn)率之比，就是系數(shù) ， 也可按表 3-5 選??；JK1 ——磨礦機(jī)型式校正系數(shù)(表 3-1)；2K ——磨礦機(jī)直徑校正系數(shù)， 。其中， 和 為3 0.5132()Db??1D2 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 12 設(shè) 計(jì)的和目前工作的磨礦機(jī)的直徑,單位 m, 和 為設(shè)計(jì)的和目前工1b2 作的磨礦機(jī)襯板厚度，m； ——給礦和產(chǎn)品粒度系數(shù)， 。其中， 、 是設(shè)計(jì)與4K142mK?12m 生 產(chǎn)的給礦和產(chǎn)品粒度按新形成(一 0. 074mm)級(jí)別計(jì)算的相對生產(chǎn) 能力。 、 值見表 3-21m2 表 3-1 磨礦機(jī)型式校正系數(shù) 2K 表 3-2 給礦粒度及產(chǎn)品粒度的相對生產(chǎn)能力 m 值 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 13 表 3-3 產(chǎn)品粒度中-0.074mm 級(jí)別含量 1? 表 3-4 給礦粒度中-0.074mm 級(jí)別含量 【2】2? 表 3-5 礦石硬度、可遂性系數(shù)和可磨性系數(shù)【2】 表 3-6 破碎產(chǎn)物粒度與-0.074mm 粒級(jí)含量的關(guān)系【3】 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 14 表 3-7 磨礦機(jī)直徑校正系數(shù) 3.1.3 各參數(shù)的選擇和計(jì)算 設(shè)計(jì)任務(wù)書中要求設(shè)計(jì)產(chǎn)量 1.4～4.5 噸/小時(shí)，根據(jù)產(chǎn)量公式，按 最大處理量 4.5 噸/小時(shí)來反算球磨機(jī)直徑 設(shè)計(jì)要求：產(chǎn)量 4.5 噸/時(shí) 給礦粒度 小于等于 25mm 排礦粒度 0.074～0.4mm 礦石硬度 中等硬度 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選作參照標(biāo)淮的現(xiàn)廠磨機(jī)為 2.1m x 3.0 m 球磨機(jī)， 待磨礦石與參照磨機(jī)磨礦石的可磨性相同，給礦粒度 20—0mm，其中- 0.074mm 粒級(jí)占 6％，磨礦產(chǎn)品中—0.074 毫米級(jí)占 62％，每小時(shí)處理 原礦 15t。計(jì)算和選擇待算磨機(jī)的規(guī)格和數(shù)量。,參數(shù)計(jì)算如下： 1、 (t/m3·h)0()15(0.62)0.948QqV??????? 2、 由表 4-5 選 =1.001K1K 3、 由表 4-1 =1.02 4、 以 φ2100mm×3000mm 干式格子型球磨機(jī)為參照，查表 3- 7 得 =0.81 3K 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 15 5、 由表 3-2 應(yīng)用插值法得： =1.117、 =0.987，于是4K1m2 =142m?.7.13098 6、 由表 3-3 查得 =6%1?1? 7、 由表 3-4 查得 =40%2 2 8、V 球磨機(jī)的容積 34DLV?? 把以上各參量帶入 1qQ???301234DqK 4Q???? 3 3..9.081..984%6D??? =4.5 解得 D=1.31m 由于球磨機(jī)的生產(chǎn)率的計(jì)算只是近似計(jì)算，為了保證生產(chǎn)能力，和 根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇 D=1.5m 3.2 筒體厚度設(shè)計(jì) 3.2.1 裝球量計(jì)算 裝球量的多少對球磨機(jī)的效率有一定的影響，裝球少，磨機(jī)效率低， 裝球多，內(nèi)層球運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干涉，破壞了球的正常運(yùn)行，磨礦效率因之也 要降低。 根據(jù)參考文獻(xiàn)所給的裝球量計(jì)算公式： 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 16 34GDL????球 式中 ——球的松散重度（噸/米3） ，對于軋制鋼球，取 ?=4.8 噸/米3 D、L——球磨機(jī)的筒體的內(nèi)徑和長度（米）D=1.5，L=1.5 ?——裝載系數(shù)，角螺旋球磨機(jī) ?=0.33 將以上各量代入公式得 33.144.80.01265LG??????球 噸 3.2.2 介質(zhì)直徑、質(zhì)量配比計(jì)算 介質(zhì)直徑與給料粒度相關(guān)，要具體算出各球的直徑，必須選一種滿 足設(shè)計(jì)要求的具體礦石，設(shè)計(jì)要求：給礦粒度小于等于 25mm 排礦粒度 0.074～0.4mm 礦石硬度 中等硬度 表 3-8 給礦與返砂粒級(jí)組成 粒 級(jí)/mm 2 5～20 2 0～16 1 6～10 1 0～5 5 ～1 1 ～0.5 小 于 0.4 合 計(jì) 備 注 新 給礦產(chǎn) 率/% 1 2.84 1 0.54 1 7.74 1 8.70 1 5.96 5 .63 1 9.13 1 00% 返 砂產(chǎn)率 /% — — — — 2 0.43 1 9 2 8.67 3 1.90 0 1 00% 全 給礦產(chǎn) 率/% 4 .28 3 .51 1 9.53 1 8.9 2 4.4 2 3.14 6 .38 1 00% 返 砂比 200% 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 17 剛球直徑計(jì)算，根據(jù)參考文獻(xiàn) 25.4Dd? 鋼球質(zhì)量分配計(jì)算，根據(jù)參考文獻(xiàn)計(jì)算，公式如下： 10%10i? ??某 粒 級(jí) 在 全 給 礦 粒 級(jí) 含 量 中 的 百 分 數(shù)扣 除 不 計(jì) 的 細(xì) 粒 級(jí) 在 全 給 礦 粒 級(jí) 含 量 中 的 百 分 數(shù) 按全給礦粒級(jí)組成中大于 0.4mm 的給礦組成對給料分組并計(jì)算相應(yīng) 的剛球直徑和質(zhì)量分配，計(jì)算結(jié)果列入表 3-9 表 3-9 分組 1 2 3 4 粒級(jí)范圍 25～15 15～5 5～1 1～0.4 平均粒度 20 10 3 0.7 分組 114 80 45 22 比例 8.3 40.1 26 24.6 按比例計(jì)算各種球的質(zhì)量 mGi?球 計(jì)算列表如下 表 3-10 球的質(zhì)量分配 分組 1 2 3 4 分組/mm 114 80 45 22 質(zhì)量/噸 0.52 2.53 1.64 1.55 3.2.3 厚度的確定 筒體是球磨機(jī)的關(guān)鍵部件，筒體厚度對整臺(tái)球磨機(jī)的使用壽命有很 大影響，所以對筒體的設(shè)計(jì)也提出了更高要求。 筒體厚度計(jì)算公式為： (510D???至 ） 式中 D——筒體直徑。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 18 根據(jù)此式可得筒體厚度 =20～30mm(510D???至 ） <3.5 可確定最小筒體厚度3.0215?L長 徑 比 =Dmin9.76m? 由于筒體受力復(fù)雜，球磨機(jī)運(yùn)行有一定的沖擊，考慮安全性，選筒 體厚度 30mm. 3.2.4 筒體厚度的驗(yàn)算校核 取筒體材料為 Q235 鋼。密度為 7.8×103kg/m3 （一）作用在筒體上的總載荷 Q 為了筒化計(jì)算，主要考慮以下幾種載荷： ——筒體重量 ——裝球量 ——襯板重量 ——物料1G2G34G 重量 P——?jiǎng)討B(tài)研磨體所產(chǎn)生的力 球磨機(jī)運(yùn)行時(shí)，作用于筒體的總載荷 Q 包括兩部分：一部分是球磨 機(jī)的回轉(zhuǎn)部分重量 ，另一部分是動(dòng)態(tài)研磨體所產(chǎn)生的力 P。球磨機(jī)回mG 轉(zhuǎn)部分的重量 為：1234??m 其中 21()GD??????［ ］ L ??2 33.143.07850.1?????????? 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 19 1.67t? 由 3.3 知 23G球 由 3.2 知 3.8t 物料重量：物料重量約為 的 14%，2421%0.82Gt?? 動(dòng)態(tài)研磨體所產(chǎn)生的力 P 為研磨體總重的 1.02 倍，即 21.PG? 包括物料在內(nèi)的動(dòng)態(tài)研磨體所產(chǎn)生的力為 ..4 21.63G? 球磨機(jī)運(yùn)行時(shí)的總載荷為 22(1.4)(1.4)cos(80)mmpQPGp???? 其中 為 與 1.14P 兩力的夾角，通常 =7o41p?00cos(8)cos(87')?? 所以筒體總載荷為： 22(1.4)(1.4)mmQGPp?? ? 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 20 圖 3-3 筒體受力 圖中 Q 力與鉛垂 y 軸的夾角為 β， 一般在 8o 以下， p? 根據(jù)上式計(jì)算總載荷 Q1.4mGP?? 23421.6? =1.67+6.3+2.78+0.882+1.163×6.3 =18.9589 t （二）邊緣傳動(dòng)時(shí)大齒輪的圓周力 1、筒體臨界轉(zhuǎn)速 /minr 42.LD? 42..3.615LDn? 根據(jù)參考資料，角螺旋球磨機(jī)的適宜轉(zhuǎn)速按以下公式計(jì)算： 3.9n? 將 D=1.5m 代入3.9.27./min15nrD?? 2、磨機(jī)需用功率計(jì)算 裝有角螺旋襯板磨機(jī)的需用功率可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 7.15ND? 其中：N——一噸鋼球所需的功率 千瓦 D——磨機(jī)的有效內(nèi)徑 米 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 21 將 D=1.5m 代入得7.15.1.587NDkw??? 球磨機(jī)需要功率： 18.756.3.17NkwG??球 3、邊緣傳動(dòng)時(shí)大齒輪的圓周力 1950cbNPnR? 式中： ——球磨機(jī)所需功率，kw;1 n——球磨機(jī)筒體轉(zhuǎn)數(shù)，r/min; ——大齒輪節(jié)圓半徑，m;bR V——大齒輪圓周速度，m/s; 由于還沒進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)，假設(shè)大齒輪節(jié)圓半徑 0.9m，則27.3140.93/0bnvms???? 所以 15cbNPnR.790291.3k?? （三） 、筒體強(qiáng)度校核 1、計(jì)算作用在筒體的彎矩時(shí)，作用力分布如 3-4 圖所示。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 22 圖 3-4 球磨機(jī)筒體作用力的分布 筒體重量、鋼球、襯板重量和物料重量可看作是沿著筒體長度 l 而 均勻分布的，其單位載荷為： 1234GqL?? 44.60.8/1Nm?? 物料和動(dòng)態(tài)研磨體所產(chǎn)生的力 1.14P，也是沿著筒體長度 L 而均勻 分布的，單位長度上的分布力為： 4421.4.1026.32./0pNmLq???? 2、軸承支反力與彎矩 123412 1..0pGF??? 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 23 =94.79 KN 距端點(diǎn) x 處的彎矩方程： ??21xxqMF??? 令 0 xd 解得 x=1m 將 x=1 代入彎矩方程 2max13()xMFq?????294.78.411KN???? 筒體所受扭矩 5.179509.02*Rcb kNmnP???? 磨機(jī)所受當(dāng)量扭矩 22max()kM??? ——折合系數(shù)，球磨機(jī)計(jì)算時(shí)取 =0.5～0.6。本設(shè)計(jì)取 ?=0.5 將 、 、 代入得axk22m()?? ?? 2274.80.519KN?? 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 24 3、球磨機(jī)的抗彎模量 將球磨機(jī)看作受彎曲作用的薄壁圓筒，抗彎模量 W 為：4()eaRW??? 式中|： e——筒體外半徑，cm； eR=1.53m a——筒體內(nèi)半徑 ,cm a=1.5m 將以上兩數(shù)代入得 443()3.1(.5.)21eaeRWcmR?????? 4、球磨機(jī)筒體所受彎曲應(yīng)力 ?210.8M??? M——磨機(jī)筒體所受當(dāng)量彎矩，N·m。 74.8MkNm?? W——磨機(jī)筒體抗彎模量，cm2,由于人孔和螺栓孔消弱了筒體的截 面，故公式中引入消弱系數(shù) 0.8. 將以上各量代入 2 274803.6/0.8.1Nc???? 5、磨機(jī)筒體的許用應(yīng)力 []? 磨機(jī)筒體在變載荷作用下長期工作，因此，筒體許用應(yīng)力 []?按筒 體材料的疲勞強(qiáng)度極限 1??來確定：10.4[]bK???b ——筒體材料抗拉強(qiáng)度極限， 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 25 對于 Q235 鋼， b?=（38～47）×103（N/cm2） 。取b? =40×103（N/cm2） K——安全系數(shù) K 大于等于 6，取 K=8， 將以上各量代入得 3210.4.01[] /8b Ncm?????? 筒體所受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。所以滿足強(qiáng)度要求。 6、筒體徑向剛度計(jì)算 筒體的徑向變形量，因?yàn)橥搀w內(nèi)經(jīng) D 比筒體壁厚 ?大很多，因此， 筒體易產(chǎn)生徑向變形，徑向變形超過一定數(shù)值將影響磨機(jī)的正常運(yùn)行。 圓柱形殼體一般用 來控制，C 為經(jīng)驗(yàn)值，一般為 150，將 D、 ?代D?? 入得 1503?? 滿足要求。 3.3 球磨機(jī)筒體設(shè)計(jì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)歸納 在本節(jié)要對以上幾節(jié)做一總結(jié)，列出本次球磨機(jī)筒體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵數(shù) 據(jù)。 1、磨礦流程 一段閉式 2、磨機(jī)規(guī)格 ￠1500×3000 mm 干式格子型 3、臨界轉(zhuǎn)速 34.6 r/min 4、適宜轉(zhuǎn)速 27.7 r/min 5、磨機(jī)功率 55.17 kW 6、鋼球總重 6.3 t 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 26 7、填充率 33% 8、襯板形式 角螺旋襯板 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 27 4 球磨機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì) 4.1 減速器的總體設(shè)計(jì) 4.1.1 擬定傳動(dòng)方案 球磨機(jī)是低速重載機(jī)械，工作條件較差，載荷有一定的沖擊，且有 粉塵等。與其它傳動(dòng)方式相比，齒輪傳動(dòng)有效率高，尺寸小，適應(yīng)性強(qiáng) 等優(yōu)點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)球磨機(jī)采用齒輪傳動(dòng)。設(shè)計(jì)球磨機(jī)工作二十年，每年 工作 350 天，每天連續(xù)工作 24h。根據(jù)齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，擬定采用兩級(jí) 傳動(dòng)，第一級(jí)采用閉式斜齒輪傳動(dòng)，第二級(jí)采用半開式直齒輪傳動(dòng)，如 圖 4-1 所示： 圖 4-1 球磨機(jī)運(yùn)動(dòng)方案見圖 4.1.2 電機(jī)選型 工業(yè)上一般用三相交流電源，無特殊要求，一般采用三相異步交流 電機(jī)，最常用的的是 Y 系列籠形三相異步交流電機(jī)，其效率高、工作的 靠、結(jié)構(gòu)筒單、維修方便、價(jià)格低， 由上一章的計(jì)算知，磨機(jī)所需功率為 73.50 kW，由此計(jì)算電機(jī)的 輸出功率： 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 28 wdP?? 式中： 為從電機(jī)到球磨機(jī)主軸之間的總效率，即?12345678??? 式中： ——電機(jī)與減速器之間聯(lián)軸器效率，取 0.99；1 ——減速器高速軸軸承效率，取 0.99；2? ——減速器斜齒輪嚙合效率，取 0.97；3 ——減速器低速軸軸承效率，取 0.99；4 ——減速器與小齒輪間聯(lián)軸器效率，其 0.99；5? ——小齒輪軸承效率，取 0.99；6 ——小齒輪與大齒輪嚙合效率。取 0.96；7 ——筒體軸承效率，取 0.99.8? 將以上各值代入得 12345678?????0.9.09.90.6?87 由效率計(jì)算電機(jī)的輸出功率 5.1762.908wdPkW?? 根據(jù)電機(jī)輸出功率，選擇電機(jī)型號(hào) Y315M-8 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 29 額定功率 75kW, 轉(zhuǎn)速 740r/min, 4.1.3 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比及其分配 計(jì)算總傳動(dòng)比，由電機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速和球磨機(jī)的工作轉(zhuǎn)數(shù)，計(jì)算總傳動(dòng) 比 74026.1.mwni? 分配傳動(dòng)比 12i 選 ，則 13.4i?216.7.834i? 4.1.4 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 1、各軸轉(zhuǎn)速 n 各軸標(biāo)號(hào)如圖 1740/minnr?212.6/i3.i 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 30 2317.6.9/min27./in8nrri?? 2、各軸功率 球磨機(jī)是專用機(jī)械，應(yīng)用電機(jī)的輸入功率來計(jì)算各軸的輸入功率， 電機(jī)的額定功率為 75kw，電動(dòng)機(jī)的效率為 ，所以電動(dòng)機(jī)的輸0.925?? 出功率為 69.375kw 各軸的輸入功率為： 11068.edPkW??23593467.k 3、各軸輸入轉(zhuǎn)矩 00195895.3edNmpTn???116..47P??22 5.995028.1TNn???336.437.Pm?? 將以上結(jié)果，整理列入下表 項(xiàng) 目 電動(dòng)機(jī)軸 軸 1 軸 2 軸 3 轉(zhuǎn)速（r/min） 740 740 217.6 27.7 功率（kW） 69.375 68.68 65.95 61.43 轉(zhuǎn)矩（N·m） 895.3 886.4 2894.4 21178.9 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 31 傳動(dòng)比 1 3.4 7.86 效率 0.99 0.96 0.93 4.2 齒輪設(shè)計(jì) 四個(gè)齒輪標(biāo)號(hào)如圖 4-1 圖 4-1 4.2.1 減速器內(nèi)斜齒輪設(shè)計(jì) 斜齒輪傳動(dòng)比較平穩(wěn)，沖擊、震動(dòng)、噪聲小，適用于高速重載傳動(dòng)， 所以球磨機(jī)傳動(dòng)裝置高速級(jí)選擇斜齒輪傳動(dòng)。 高速級(jí)傳動(dòng)位于減速器內(nèi)，屬閉式傳動(dòng)，所以按齒面接觸疲勞強(qiáng)度 計(jì)算，然后校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 1、齒輪材料、精度等級(jí)、齒數(shù)及螺旋角選擇 小斜齒輪都選擇 40Cr，調(diào)質(zhì)處理，HB=241～286 強(qiáng)度極限為 700Mpa,屈服極限為 50Mpa,齒面硬度為 260HBS。大齒輪材料選用 45 號(hào) 鋼，調(diào)質(zhì)處理，HB=217～255，選取硬度為：225 HBS 二者硬度差為： 35 HBS，精度等級(jí)為 7。 齒數(shù)選擇：小齒輪齒數(shù) ， ，取 7512Z?23.47.8?? 初選螺旋角 5?? 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 32 2.、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 ??1312()tHEtdKTZ??????? （1） 確定公式內(nèi)各計(jì)算量 1）選擇 =1.6。tK 2）選擇區(qū)域系數(shù) =2.42。HZ 3）計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩 5119.0PTn??5.68.74058.1Nm??? 4）齒寬系數(shù)，選 1d? 5）彈性影響系數(shù)， 1289.EZMPa 6）按齒面硬度查得小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限 ，大齒lim1520MPa?? 輪接觸疲勞強(qiáng)度極限 lim240?? 7）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 915926071(324)6.310.39.804hNnjL????? 8）查疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù) ；1.HNK20.9HN? 9）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 33 10）端面重合度，查得 ， ，于是10.74???20.8??12.54????? 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1 得??1lim10.82457.61HNKMPaaS????2li2.91.????12457.6.49.6H Pa?????? （2）計(jì)算 1）試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 的值.1td??H?2531.68403..489.135.16td m??????? ????? 計(jì)算圓周速度 V13.45.70.25606tv sn???? 3）計(jì)算齒寬 b 及模數(shù) 1tm 齒寬 135.dt?? 模數(shù) 1coscos5.92tntZ????? 齒高 2.5.5913.4nthm130.4b 4）計(jì)算縱向重合度 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 34 10.38tan0.3812tan51.87dz????????? 5）計(jì)算載荷系數(shù) K 經(jīng)查課本《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 10-2 得使用系數(shù) 根據(jù).AK v=5.25m/s,7 級(jí)精度,查圖 10-8 得動(dòng)載系數(shù) ，由表 10-3 查得12v? ；由表 10-4 用插值法查得 7 級(jí)精度、小齒輪相對支承1.2HFK?? 非對稱布置時(shí)，齒向載荷分布系數(shù) .4HK? 由 ， ，查圖 10-13 得 ,故載35.0.14bh1.??1.36FK?? 荷系數(shù)為: .52.42.9AVHK???? 6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑如下: 31165.2ttdmK? 7）計(jì)算模數(shù) n 1cos65.2cos17.25ndmz????? 3、按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì),使用以下公式: ??213cosFaSndKTYmz??????? (1)確定計(jì)算參數(shù) 計(jì)算載荷系數(shù). 1.52.1362.74AVFK?????? 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 35 2）根據(jù)縱向重合度 =1.875 查圖 10-28 得螺旋角影響系數(shù) ?? 0.87Y?? 3）計(jì)算當(dāng)量齒數(shù). 13324.1cos5vz????23378.vz? 4）查取齒形系數(shù) 查 10-15 表應(yīng)用插值法得 12.6FaY?2.14FaY? 5）查取應(yīng)力校正系數(shù) 查 10-15 表應(yīng)用插值法得 1.584Sa2.73Sa （2）其余參數(shù)選擇 查圖 10-20c 表得小齒輪的彎曲疲勞極限 ;大齒輪的彎180FE?? 曲疲勞極限 240FE?? 查圖 10-21 表選取彎曲疲勞壽命系數(shù) 1.2FNK2.86FN? 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 選取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4 ,利用公式 求得如??FES? 下: MPa??10.8241.FNEKS???? 22.60245.7FEMPa 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 36 4）計(jì)算大小齒輪的 并加以比較.??FaSY? ??12.6381.540.7265FaSY????2.7..9FaS 小齒輪的數(shù)值大 （3）設(shè)計(jì)計(jì)算 ??253 22.74860.870.17654.14cosnm???? ?? 對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù) 與由齒根nm 彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)相差較大，為保證齒輪的在使用期間能滿 足壽命要求，取較大值作為設(shè)計(jì)時(shí)的模數(shù)，取標(biāo)準(zhǔn)值 =7mm,取分度n 圓直徑 165.2md?1cos.cos2.871nz???? 取 23，則 取1?213.47.uz?2z 4、幾何尺寸計(jì)算 （1）計(jì)算中心距 ??12378()65.97coscos1nzma m??????? 將中心矩圓整為 366mm 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 37 （2）按圓整后的中心矩修正螺旋角 12()(2378)arcosarcos615.0nzm? ??????? 因 值改變不多,故參數(shù) 等不必修正.,HKZ??? （3）計(jì)算大、小齒輪的分度圓直徑 123716.cos5.08.3.nzmdm???? （4）計(jì)算齒輪寬度 173.9216.dbm???? 修正后取 B2=170mm,B1=175mm. (5) 計(jì)算大、小齒輪的基圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑 tant 0.3768cos????2.5t?12s1co29bttmd?7anh1.58.f20. aamd??2793114.ffh? 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 38 2547.8f fmdh?? 5.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 以大齒輪為例,因齒輪齒頂圓直徑大于 160mm, 所以選擇腹板式為 好.其他有關(guān)尺寸按圖表推薦用的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì). 4.2.2 低速級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 1.選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) (1)基本參數(shù) 根據(jù)傳動(dòng)方案，低速級(jí)選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，球磨機(jī)為一般工作 機(jī)械，速度不高，故選用 7 級(jí)精度。由表選擇小齒輪材料為 40Cr(調(diào)質(zhì))， 硬度為 280HBS,大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 240HBS，二者材料 硬度差為 40HBS。 (2) 初選小齒輪齒數(shù) ，大齒輪齒數(shù) 325z?432196.5z?? 取為 196。 （3）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) ?? 2231tEHtdKTzi????????????? (4)試選 =1.6tk (5)查表選擇齒寬系數(shù) 1?? (6)查表選取材料的彈性影響系數(shù) 1289.EZMPa? ,選取區(qū)域系數(shù) ， 2.4Hz? (7)根據(jù)齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 大齒lim360,H? 輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 .lim450HPa?? 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 39 (8)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù). 9326071.620342.710hNnjl?????9842..8i? (9）查圖表取接觸疲勞壽命系數(shù) 340.,.9HNHNK? (10）.計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力. 取失效概率為 1%,安全系數(shù) S=1,根據(jù)計(jì)算公式: ??3lim30.86528HNKMPaS???? 4li4.917H 2.計(jì)算 ????345282.5HMPa????? 1)計(jì)算小齒輪分度圓直徑 ,代入 的值.3d??H?2321.6894.107.86.4189.0.565td m??????? ????? 2)計(jì)算圓周速度 V32.140.56217.8460tv sn???? 3）計(jì)算齒寬 b 及模數(shù) 3tm 齒寬 320.56dt??? 4）計(jì)算齒高之比 h 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 40 模數(shù) 320.568.24ttdmz?? 齒高 3..1.05thm? 5）計(jì)算載荷系數(shù) K 經(jīng)查表得使用系數(shù) .5 根據(jù) v=2.284m/s,7 級(jí)精度,查圖表得1A? 動(dòng)載系數(shù) ，1.v? 直齒輪 HFK? 由圖表應(yīng)用插值法查得 7 級(jí)精度、小齒輪相對支承非對稱布置時(shí)， 1.456H?? 查圖表得 , 故載荷系數(shù)為:1.4FK?? 1.51.4562.AVH????? 6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑如下: 320.5ttKdm? 7）計(jì)算模數(shù) m 3.9.2145z? 3、按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì),使用以下公式: 20.618b? 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 41 23FaSdKmYT????????????? (1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算參數(shù) 1）由圖查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ，大齒輪的350FEMPa?? 彎曲疲勞強(qiáng)度極限 4380FEMPa?? 2）由圖取彎曲疲勞壽命系數(shù) ，3.8FNK4.9FN 3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) ,可取得1.4S???330853.286.FNEK???4494.1.FEMPaS? 4）計(jì)算載荷系數(shù). .5.231AVFK???? 5）查取齒形系數(shù) 由表查得 32.6FaY?42.1FaY? 6）查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表查得 31.59SaY?41.862SaY? 7).計(jì)算大小齒輪的 并加以比較.??F? 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 42 ??32.61590.32548FaSY???4...674FaS 大齒輪的數(shù)值大. 8）設(shè)計(jì)計(jì)算 32.18940.1674.025m???? 對比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)大于齒根彎曲 疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù),取 則可以滿足彎曲強(qiáng)度.但同時(shí)為了10nm 滿足接觸疲勞強(qiáng)度,需按接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑 mm320.5d? 來計(jì)算應(yīng)有的齒數(shù).于是由 320.53.1dzm?? 取 為了使大小齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過3423,7.86210.78iz? 程中每個(gè)齒接觸均勻，防止膠合，大小齒輪輪齒個(gè)數(shù)應(yīng)一個(gè)為偶數(shù)一個(gè) 為奇數(shù)，所以大齒輪齒數(shù)取 4? 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。 4、幾何尺寸計(jì)算 （1）計(jì)算分度圓直徑 32103mmdz??? 48 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 43 （2）計(jì)算中心距 ??3423180()15zmam???? （3）計(jì)算齒輪寬度 31203db?? 修正后取 B4=235mm,B3=240mm （4）分別計(jì)算大小齒輪的基圓、齒根圓、齒頂圓直徑 ??34*3433443344cos216.394501.2.5258017baaffaaf ff fmmdhdh??????? 5.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 以小齒輪為例,因齒輪齒頂圓直徑大于 160mm, 所以選擇腹板式為 好.因大齒輪是鑲嵌在滾筒上的，所以只有齒圈，其他有關(guān)尺寸按圖表 推薦用的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì). 4.3 軸的設(shè)計(jì) 4.3.1 減速器高速軸 1 的設(shè)計(jì) 1、選擇材料 由于傳遞中小功率，軸的轉(zhuǎn)速較高，為保持尺寸穩(wěn)定性和減少熱 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 44 處理變形可選用 40 ，rc 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，查得材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)為： ??170MPa??? 2、初步估算軸徑 由于軸的材料為 40Cr 鋼，調(diào)質(zhì)處理。 ，查參考文獻(xiàn)[機(jī)械設(shè)計(jì)] 選 取 ，則得：01A? 331068.149.70pdmn???? 此軸上有一個(gè)鍵槽，則軸徑增大 7%