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摘 要
雙圓盤式氣流粉碎機(jī)具有單圓盤氣流粉碎機(jī)中高速氣流對(duì)粒子的沖擊和摩擦作用，而且能使超高速運(yùn)動(dòng)、能量巨大的粒子產(chǎn)生碰撞，廣泛應(yīng)用于各種非金屬礦等原料的超微粉碎，與傳統(tǒng)的氣流粉碎相比生產(chǎn)效率更高。
本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)雙圓盤式氣流粉碎機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，通過對(duì)圓盤式氣流粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行分析，在此分析基礎(chǔ)上提出了總體結(jié)構(gòu)方案；接著，對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算選擇；然后，對(duì)各主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了雙圓盤式氣流粉碎機(jī)裝配圖及主要零部件圖。
通過本次設(shè)計(jì)，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識(shí)，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了普通機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對(duì)今后的工作于生活具有極大意義。
關(guān)鍵詞：雙圓盤；氣流粉碎；噴嘴；設(shè)計(jì)
Abstract
High lift device called weight lifting device, a top heavy machinery, lifting machine is a with relatively small force can the weight lifting, descending or shift of simple tools, can also be used to correct the deformation of the equipment installation and the deviation of the component such as. Electric lifting device is a lifting device for lifting heavy objects by screw drive. The motor is composed of a motor, a belt drive, a turbine vortex rod drive, a screw, a nut, a lifting rod, etc..
This design first, based on the structure and the principle of electric lifting device of high analysis, this analysis based on put forward the overall structure scheme of and then, the design and verification of main technical parameters of the main parts is discussed; then, through the three-dimensional design software Pro / E design the electric lifting device and motion simulation is carried out. Finally, draw the electric lifting device assembly and major parts of the map.
Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance.
Keywords: Lifting equipment; Turbine; Spiral; Design; Simulation
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1.緒 論 1
1.1選題背景 1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1氣流粉碎工藝參數(shù)的研究 1
1.2.2氣流粉碎理論的研究 2
2.總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1主要技術(shù)參數(shù) 4
2.1.1設(shè)計(jì)參數(shù)選定 4
2.1.2總體方案選定 4
2.2設(shè)計(jì)思路 5
2.3設(shè)計(jì)方案流程圖 5
2.4本章小結(jié) 5
3.主要部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算 6
3.1粉碎系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 6
3.1.1加速規(guī)律研究 6
3.1.2粉碎規(guī)律的研究 10
3.1.3噴嘴的設(shè)計(jì)和計(jì)算 13
3.1.4粉碎腔的設(shè)計(jì)和計(jì)算 14
3.2加料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 15
3.3分級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 17
3.3.1分級(jí)理論 17
3.3.2分級(jí)設(shè)備 17
3.3.3分級(jí)器設(shè)計(jì) 18
5.參考文獻(xiàn) 21
6.致 謝 22
23
1.緒 論
1.1選題背景
許多材料加工成超微狀態(tài)，會(huì)得到許多非微粒產(chǎn)品無法得到的特殊功能；如提高其在化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)速率，改善其著色率、遮蓋力、色度，增強(qiáng)其分散、流變性、補(bǔ)強(qiáng)性等。因此，超微產(chǎn)品已廣泛的用于化工、醫(yī)藥、涂樹、農(nóng)藥、染料、電子等行業(yè)中，成為這些行業(yè)高性能高技術(shù)產(chǎn)品不可缺少的材料。
目前我國的超細(xì)粉碎設(shè)備，基本上己與世界上定型機(jī)種處在同一水平線上，國際上成熟的機(jī)種，我國都能生產(chǎn)，如氣流磨、攪拌磨、塔式磨、振動(dòng)磨、各類機(jī)械式高速?zèng)_擊磨等。但是由于我國在粉體技術(shù)的研究方面較世界先進(jìn)國家起步晚，故設(shè)備研制也晚，基礎(chǔ)差，起點(diǎn)低，引進(jìn)消化后所生產(chǎn)的各類設(shè)備，質(zhì)量難免良萎不齊，有些只是在低水平上重復(fù)，甚至有些概念含混不清。基于以上情況不僅可以看到超微粉碎的重要作用，也可以看到我國超微粉碎的薄弱之處。
雙圓盤式氣流粉碎機(jī)具有單圓盤氣流粉碎機(jī)中高速氣流對(duì)粒子的沖擊和摩擦作用，而且能使超高速運(yùn)動(dòng)、能量巨大的粒子產(chǎn)生碰撞，廣泛應(yīng)用于各種非金屬礦等原料的超微粉碎，與傳統(tǒng)的氣流粉碎相比生產(chǎn)效率更高。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1氣流粉碎工藝參數(shù)的研究
氣流粉碎機(jī)的參數(shù)研究包括幾何參數(shù)和工藝參數(shù)。幾何參數(shù)包括噴嘴直徑、噴嘴與噴嘴（或靶）間的軸向距離、粉碎室直徑等，工藝參數(shù)主要包括：原料初始粒度、分級(jí)輪頻率、工質(zhì)壓力（氣流速度）、引射壓力（進(jìn)料速度）等。
陳海焱、Arnaud Picot等的研究表明：工質(zhì)壓力提高使顆粒獲得的動(dòng)能增加，碰撞能量增加，產(chǎn)品粒度更細(xì)。但是工質(zhì)壓力增加到某一值時(shí)，粒度減少的趨勢變緩。這是因?yàn)閲娮鞖饬魉俣扰c工質(zhì)壓力并非線性關(guān)系，當(dāng)工質(zhì)壓力超過一定值時(shí)，打破了噴嘴前后的壓力比，在粉碎室產(chǎn)生激波，氣相穿過激波時(shí)速度下降而固相速度幾乎不變，氣固相的速度差導(dǎo)致固相撞擊速度下降而影響了粉碎效果。因此，工質(zhì)壓力應(yīng)有一個(gè)最優(yōu)值。
Rudinger認(rèn)為，氣流粉碎過程中，顆粒濃度越高，加速過程中能量損失會(huì)更少。要使顆粒有效地粉碎，碰撞時(shí)的速度必須足夠高，即使在高顆粒濃度下，也可以通過提高噴嘴的壓力而使顆粒加速，但是，壓力不能無限地增大，因?yàn)殡S著壓力的增加，壓縮機(jī)的能耗將以非線性的方式快速地增加。
進(jìn)料速度是影響粉碎效果的重要參數(shù)之一，進(jìn)料速度主要由粉碎區(qū)的持料量決定。進(jìn)料速度的大小決定粉碎室每個(gè)顆粒受到的能量的大小。當(dāng)加料速度過小，粉碎室內(nèi)顆粒數(shù)目不多時(shí)，顆粒碰撞機(jī)會(huì)下降，顆粒粒徑變大；當(dāng)進(jìn)料速度過大時(shí)，粉碎室內(nèi)的顆粒濃度增加，每個(gè)顆粒所獲得的動(dòng)能減少，導(dǎo)致由碰撞轉(zhuǎn)變成顆粒粉碎的應(yīng)變能變小，顆粒粒徑增加，顆粒粒度分布大，因此尋找最佳進(jìn)料速度是很重要的。
1.2.2氣流粉碎理論的研究
根據(jù)氣流粉碎原理，其基礎(chǔ)理論研究主要包括了以下方面：高速氣流的形成，顆粒在高速氣流中的加速規(guī)律，顆粒沖擊粉碎規(guī)律，氣流粉碎機(jī)參數(shù)的研究。
氣流粉碎中物料粉碎的能量來源于高速氣流，高速氣流則是依靠噴嘴將氣流的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而形成的。氣流粉碎的噴嘴可分為收縮型和縮擴(kuò)型(Laval型)，目前主要采用縮放型噴嘴。在氣流粉碎機(jī)研制之初，在計(jì)算方法的確定、型面曲線修正、起始擴(kuò)散角控制等方面，研究人員依據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，在噴嘴的設(shè)計(jì)理論和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究方面作了一定的工作。
葉菁等利用定常二維無旋超音速流的數(shù)值方法——特征線法，結(jié)合氣流粉碎機(jī)的流動(dòng)特征，分析了噴嘴管壁特征線的設(shè)計(jì)方法，提出了等流能噴嘴設(shè)計(jì)的方法與步驟。
陳志敏等對(duì)超音速氣流粉碎機(jī)的噴嘴流動(dòng)狀態(tài)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，探討了獲得有效噴射速度的超音速噴嘴的設(shè)計(jì)方法。
金鈴采用Fluent軟件對(duì)流化床氣流粉碎機(jī)噴嘴位置進(jìn)行了數(shù)字模擬，分析粉碎機(jī)腔體中的流場，分析結(jié)果表明，在噴嘴位置的設(shè)計(jì)上，存在最佳的安裝位置，使得粉碎性能達(dá)到最佳。這與金振中的研究結(jié)果相一致。
M Grujicic 等人通過對(duì)噴嘴流場分析，優(yōu)化了噴嘴內(nèi)型，使得氣體的拖曳力增加，顆粒的加速度增大，在相同的距離速度進(jìn)一步提高，這樣增大了物料顆粒的速度，不但可以將顆粒更加細(xì)化，而且提高了系統(tǒng)的效率。
Hiroshi Katanoda等對(duì)顆粒在超音速噴嘴內(nèi)部和外部的流動(dòng)流場做了數(shù)值模擬和分析，并對(duì)顆粒的速度和溫度分布做了預(yù)測和分析。
楊軍瑞等為解決傳統(tǒng)氣流粉碎能量利用率不高、物料加速效果差、粉碎效果差等問題，通過對(duì)氣流粉碎中噴嘴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型環(huán)形復(fù)合噴嘴。通過Fluent數(shù)值模擬，表明新型環(huán)形復(fù)合噴嘴比常規(guī)噴嘴具有射流速度快、射流相對(duì)集中和射程遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
王利文等對(duì)氣流粉碎裝置的噴嘴結(jié)構(gòu)和參數(shù)運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，采用流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)所設(shè)計(jì)噴嘴進(jìn)行流場模擬，應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，討論了入口直徑、入口穩(wěn)定段長度、喉部臨界截面和內(nèi)腔造型對(duì)噴嘴性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，入口壓力3.5MPa，入口直徑為6mm的噴嘴為設(shè)計(jì)的最佳噴嘴．內(nèi)腔錐角在8°-12°之間變化時(shí)，對(duì)噴嘴的性能影響不大，內(nèi)腔造型為光滑曲面時(shí)噴嘴性能最佳。
何楓、謝峻石等人根據(jù)可壓縮流體軸對(duì)稱n-s方程，利用RA Nκ-ε湍流模式和有限體積法，采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)不同內(nèi)部流道型線的噴嘴自由射流進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：軸對(duì)稱等直徑圓管噴嘴，進(jìn)口處的流道型線對(duì)射流流道參數(shù)的分布影響較大；軸對(duì)稱收縮噴嘴的收縮角大小主要影響射流出口附近的流動(dòng)，對(duì)流動(dòng)具有不同的阻滯效果，并據(jù)此提出收縮噴嘴內(nèi)部流道型線采用維多辛斯基曲線可以獲得優(yōu)良的流動(dòng)特性。
2.總體方案設(shè)計(jì)
2.1主要技術(shù)參數(shù)
2.1.1設(shè)計(jì)參數(shù)選定
設(shè)計(jì)一雙圓盤式氣流粉碎機(jī)，要求原料粒度：0.5-5mm，粉碎成品粒度<10-25μm。
2.1.2總體方案選定
通過分析現(xiàn)有氣流粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)及原理得出了本雙圓盤式氣流粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)方案如下圖：
圖2-1 雙圓盤式氣流粉碎機(jī)方案圖
2.2設(shè)計(jì)思路
通過分析現(xiàn)有氣流粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)及原理得出了本雙圓盤式氣流粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)方案，再根據(jù)現(xiàn)有氣流粉碎理論計(jì)算總體結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，然后采用AutoCAD軟件結(jié)合總體結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)繪制本雙圓盤式氣流粉碎機(jī)總體裝配圖，最后拆畫各主要零部件圖紙。
2.3設(shè)計(jì)方案流程圖
分析現(xiàn)有氣流粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)及原理→本雙圓盤式氣流粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)方案→計(jì)算總體結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)→繪制總體裝配圖→拆畫各主要零部件圖紙。
2.4本章小結(jié)
本章主要完成了本雙圓盤式氣流粉碎機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)。
3.主要部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.1粉碎系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.1.1加速規(guī)律研究
目前氣流粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)中，一直依據(jù)射流軸心速度衰減速度在10de~20de，確定噴嘴距粉碎中心點(diǎn)的距離。沒有考慮顆粒加入噴射氣流后對(duì)氣流速度的影響，也未考慮顆粒在氣流中加速的距離要求。
對(duì)于不同的工質(zhì)，噴嘴出口速度的表達(dá)式不同。壓縮空氣工質(zhì)噴嘴出口速度為：
式中，p0，pp1——噴嘴進(jìn)口、出口處的壓力；
ν0——進(jìn)口處的比容；
k——定熵指數(shù)，空氣的k =1.4。
而過熱蒸汽工質(zhì)噴嘴出口速度是：
式中，i ———比焓，J/kg。
這兩個(gè)公式對(duì)物料不通過噴嘴的情況進(jìn)行計(jì)算是比較準(zhǔn)確的，而對(duì)物料通過噴嘴的情況則需要進(jìn)行修正，因?yàn)闅饬髦械念w粒對(duì)氣體的速度有影響。
固體顆粒在氣流磨中的加速過程包括兩個(gè)階段：氣固混合時(shí)的加速和氣固流在噴嘴中的加速。目前，對(duì)物料和壓縮氣體一起通過噴嘴的情況下顆粒的加速規(guī)律研究得比較多。氣體壓入混合室與物料混合，由于混合室的壓力稍低于噴射氣流的壓力，所以混合是在低速下進(jìn)行的，能量損失較少。經(jīng)過動(dòng)量傳遞和能量轉(zhuǎn)換，混合物成為氣固均質(zhì)二相流。物料以一定角度進(jìn)入氣流，致使運(yùn)動(dòng)為非一維流動(dòng)。
令u為x方向的氣流速度，υp 為顆粒的速度，τV為速度松弛時(shí)間。假設(shè)顆粒以x方向的速度分量up ，0，y方向速度υp，0進(jìn)入氣流，拖曳力系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的拖曳力系數(shù)，則：
（3）
（4）
式中，D ——顆粒的粒徑；
ρ——?dú)怏w密度。
此式中前一項(xiàng)參數(shù)代表與顆粒初速度相關(guān)的雷諾數(shù)。
令，對(duì)公式（3）積分，得
（5）
所以當(dāng)Z = 0 時(shí)，獲得顆粒的最大滲透量ymax ：
（6）
同理，可得
（7）
從單一顆粒出發(fā)，假定氣流沿其行程的速度是時(shí)間的一次函數(shù)，即u(t)=ue+bt，從理論上推導(dǎo)出了單個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)速度與噴嘴氣流出口速度之間的關(guān)系為：
（1-1）
式中，us——顆粒速度隨時(shí)間變化的值；
ue、u(t)——?dú)饬鞒隹谒俣群蜌饬魉俣入S時(shí)間變化的函數(shù)值；
τV——運(yùn)動(dòng)的速度松弛時(shí)間；
t——時(shí)間；
ρs——顆粒密度；
ds——顆粒直徑；
ug——?dú)饬鞯恼承韵禂?shù)。
氣流粉碎中噴嘴氣流速度出口通常是減速的。但是當(dāng)氣流速度為時(shí)間的二次函數(shù)時(shí)，求解顆粒的氣流速度較為困難。在實(shí)際工作中，求解顆粒在不同氣流運(yùn)動(dòng)速度曲線下的空間位置的變化更為重要。根據(jù)斯托克斯阻力定律推導(dǎo)出顆粒在一定氣流速度下所獲得的運(yùn)動(dòng)速度與加速距離之間的關(guān)系為：
（1-2）
噴嘴中氣固兩相流的情況在一定的假設(shè)條件下用7個(gè)方程進(jìn)行了描述，即氣體的連續(xù)性方程、固體顆粒的連續(xù)性方程、氣固混合物的動(dòng)量方程、由于氣體與固體的速度差而產(chǎn)生的曳力(其相互作用的力)方程、熱傳遞方程、狀態(tài)方程。對(duì)于可壓縮流體流動(dòng)的描述，還補(bǔ)充能量方程和與壓力、溫度、密度相關(guān)的狀態(tài)方程。而且，氣流粉碎希望能將動(dòng)能盡可能大地用于固體顆粒的粉碎，減小能耗，因此能量問題是研究的重點(diǎn)之一。
在氣流粉碎中，用噴嘴的膨脹氣流加速顆粒，由于噴嘴壁面的摩擦，氣體與顆粒之間的滑移以及在噴嘴出口的氣流未消耗動(dòng)能，能量并未完全轉(zhuǎn)化為顆粒的動(dòng)能。他們用噴嘴出口的顆粒動(dòng)能與所施加的總能量之比定義噴嘴的加速效率，推導(dǎo)出Laval噴嘴內(nèi)所加速顆粒的加速效率為:
（1-3）
式中，η——噴嘴加速效率；
use——噴嘴末端氣顆粒速度；
L——噴嘴長度
D——噴嘴直徑
μ——?dú)夤虧舛?
λ、λs——純氣流和有顆粒加入時(shí)的摩擦因子。
可見，噴嘴出口的氣流速度與顆粒速度之比、氣固濃度和噴嘴的幾何尺寸對(duì)顆粒的加速效率均有影響。由于能量損失，輸入的能量只有部分能用于接下來的粉碎過程，能量損失主要包括:噴嘴出口處氣體動(dòng)能的損失;氣體與器壁摩擦引起的能量損失;固體顆粒與器壁摩擦引起的能量損失;氣體與顆粒之間存在的速度差產(chǎn)生的滑移引起的能量損失。
氣流粉碎氣固混合流的動(dòng)力學(xué)模型，建立不同顆粒濃度的條件下氣流粉碎的性能分析與設(shè)計(jì)。通過模擬分析表明:固體顆粒的質(zhì)量流量和顆粒尺寸對(duì)能量的損失有很大的影響，從而影響噴嘴中顆粒的加速過程。固氣質(zhì)量流量比μ是決定流動(dòng)過程中顆粒速度的重要參數(shù)之一。顆粒與噴嘴內(nèi)壁的磨擦的模型雖然還進(jìn)一步的研討，但都可以估計(jì)動(dòng)能損失的范圍。根據(jù)能量和動(dòng)量守恒，假設(shè)氣固流在噴嘴中的流動(dòng)過程為等壓過程、進(jìn)料速度為0，從而估算出氣固的非彈性氣固作用而引起的氣體動(dòng)能的損失為:
（1-4）
式中:Eloss——?dú)怏w的動(dòng)能損失；Ekin一氣體流過噴嘴的動(dòng)能
式(1-4)表明，對(duì)于高μ值的氣固流，噴嘴加速效率不高，能量損失大。因此噴嘴氣流粉碎機(jī)效率的降低主要是由顆粒的加速過程引起的。
Eskin還提出了一維單分散模型，它考慮了流體的多分散性和顆粒與噴嘴壁的摩擦，提出了最一般的方程組。由于噴嘴中的能量損失主要是由氣固流的粘性引起的，因此他根據(jù)流動(dòng)模型估計(jì)了能量損失:
（1-5）
建立了一個(gè)簡單的顆粒與噴嘴壁摩擦能損失的估算的計(jì)算模型。摩擦被認(rèn)為是顆粒與噴嘴壁碰撞引起動(dòng)能損失的過程。假定加速顆粒的偏心碰撞引起了徑向顆粒運(yùn)動(dòng)。這個(gè)模型符合一般的動(dòng)能定律，不同的是在產(chǎn)生階段假定了平均徑向速度。為了獲得一個(gè)方向的近似值，摩擦動(dòng)能損失分配在過流橫斷面所有的顆粒上。數(shù)值研究表明如果噴嘴壁面粗糙，顆粒的摩擦?xí)O大地降低顆粒速度。
應(yīng)用CFD軟件，利用Lagrangian法模擬計(jì)算了管道和擴(kuò)散段中的氣固流。在軟件中加入計(jì)算顆粒相互干擾，顆粒與管壁的碰撞以及顆粒角速度的子程序后，模擬計(jì)算管道中的軸向顆粒速度和氣固濃度，結(jié)果與采用激光測速(PDA)技術(shù)測試結(jié)果非常吻合。
3.1.2粉碎規(guī)律的研究
顆粒碰撞比較復(fù)雜的問題是顆粒的碰撞概率，顆粒在加速后能否相互碰撞及碰撞幾率對(duì)氣流粉碎機(jī)的能效比有較大的影響。
1959年，RumPf應(yīng)用Hertz理論分析了顆粒碰撞的應(yīng)力分布與沖擊速度的關(guān)系，結(jié)出了兩顆粒以一定的速度碰撞所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為：
（1-6）
式中，m1、m2——兩顆粒的質(zhì)量，kg；
r1、r2——兩顆粒碰撞部位的曲率半徑，m；
μ1、μ2——兩顆粒的泊松比；
Y1、Y2——兩顆粒的彈性模量；
——顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s。
在特殊情況下，
其中，
——介質(zhì)中聲速
當(dāng)σmax超過顆粒在一定粒級(jí)下的強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生破壞，RumPf據(jù)此計(jì)算出了不同沖擊速度下，球與球、球與平板相撞時(shí)的σmax/Z值。并對(duì)玻璃球和石灰石進(jìn)行的高速?zèng)_擊粉碎試驗(yàn)證明:從能耗的角度來說，不同的物料以及不同粒度的同一物料都存在著一個(gè)最優(yōu)的沖擊速度，使粉碎的能耗最低。當(dāng)速度大于該值時(shí)，能得到更細(xì)的產(chǎn)品，但能量利用率降低。
借用分子論中自由平均行程來表示顆粒間的平均距離:
(1-9)
式中，λ——顆粒間的平均距離；（1-ε）——固體容積濃度。
λ越小，碰撞幾率越大。當(dāng)顆粒的減速路程大于其λ時(shí)，顆粒才能碰撞，否則，顆粒未能相撞已停止運(yùn)動(dòng)。因此氣流粉碎實(shí)際研究中，主要間接地從加料速度與粉碎效果的關(guān)系上，摸索顆粒的容積濃度的大小，保持比較理想的顆粒碰撞幾率，同時(shí)不因顆粒容積濃度太大而影響顆粒在氣流中的加速。
考慮了單向流動(dòng)和顆粒在靜止氣體中的減速，對(duì)氣流粉碎區(qū)進(jìn)行了分析。規(guī)定95%的顆粒與其相反方向運(yùn)動(dòng)的顆粒碰撞的區(qū)域在噴嘴軸向上的長度為I95：
（1-10）
由式(l-10)計(jì)算可知，I95很短。因此，顆粒在粉碎區(qū)的碰撞頻率很高，而強(qiáng)烈的碰撞過程必然導(dǎo)致顆粒的減速，所以粉碎區(qū)中的顆粒濃度和水力阻力會(huì)有很大的提高，與在自由噴射中的μ值相比，其μ值也將提高。
另外一個(gè)重要的問題是氣體對(duì)顆粒碰撞過程的影響。Eskin為了建立一個(gè)模型，做了如下假設(shè)：a 高速氣固流流進(jìn)靜止的粉碎區(qū)；b 高顆粒濃度的區(qū)域在粉碎區(qū)中心形成，而且假設(shè)氣體和固體顆粒在粉碎區(qū)的速度都為0；c 在粉碎區(qū)入口處，氣體和固體的速度相等，u = us；d.粉碎區(qū)的u值與在噴嘴中的u值相等；e顆粒碰撞模型與用于計(jì)算噴嘴中氣固流的模型相同。假設(shè)噴射流中的顆粒進(jìn)入粉碎區(qū)時(shí)未改變方向，通過與粉碎區(qū)靜止的顆粒碰撞和靜止氣體流動(dòng)產(chǎn)生的摩擦而減速。顆粒與顆粒間的碰撞可看作是一個(gè)力對(duì)顆粒的作用，這個(gè)力可進(jìn)一步認(rèn)為在自由程內(nèi)是個(gè)常數(shù)，可計(jì)算為：
（1-11）
式中，k——顆粒與顆粒碰撞的復(fù)位系數(shù)。
如果假設(shè)碰撞的顆粒是極好的塑性物料，碰撞的力與粉碎區(qū)入口處的摩擦力之比為
（1-12）
式中，Re——雷諾數(shù)，可根據(jù)顆粒速度計(jì)算，因?yàn)轭w粒是在靜止氣體中運(yùn)動(dòng)。
這個(gè)公式在0.5≤Re≤10000范圍內(nèi)是有效的。
如果物料是極好的彈性材料，則上式中的乘數(shù)2必須變?yōu)?，即
上述對(duì)顆粒沖擊粉碎的探討，有一定的局限性，包含大量缺陷的顆粒破碎遠(yuǎn)比理論上建立的力學(xué)過程復(fù)雜。顆粒粉碎后的粒徑是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題。同時(shí)，顆粒粉碎的環(huán)境不同，顆粒的狀態(tài)、性能、設(shè)備及工況不同，顆粒的破碎與能耗關(guān)系也不同，很難有一個(gè)通用的表達(dá)式，而且許多參數(shù)必須采用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行確定。但在單顆粒的基礎(chǔ)上研究了顆粒的比粉碎能與顆粒碰撞強(qiáng)度的關(guān)系，認(rèn)為顆粒的粉碎粒徑與顆粒自身的一些性能有較大關(guān)系，由此給出顆粒粉碎所需碰撞速度的大小，對(duì)以沖擊破碎為機(jī)理的氣流粉碎而言，有一定的指導(dǎo)作用。若能從微觀角度和顆粒間的相互作用出發(fā)，研究顆粒碰撞過程中裂紋的發(fā)生、發(fā)展和聚集過程，以及顆粒的運(yùn)動(dòng)，碰撞受力、能量傳遞等，能更明確顆粒斷裂的本質(zhì)。
對(duì)粉碎過程的能量利用率進(jìn)行了研究。粉碎過程的能量效率隨顆粒尺寸的減小、粉碎時(shí)間的增加、輸入能的增加而減小。粉碎介質(zhì)的動(dòng)能用于顆粒的粉碎，表現(xiàn)為顆粒尺寸的減小。Y.Kanda從斷裂力學(xué)出發(fā)，并考慮顆粒強(qiáng)度尺寸效應(yīng)，在碰撞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出顆粒粉碎能與顆粒粒徑的關(guān)系和顆粒破壞所需求的沖擊速度和顆粒粒徑的關(guān)系為
（1-7）
式中，Es——顆粒粉碎能，J；
Us——顆粒碰撞速度，m/s；
Y——顆粒的彈性模量，Pa；
ν——泊松比；
S0——單位體積顆粒的抗壓強(qiáng)度，Pa；
V0——單位體積；
m——威布爾均勻系數(shù)
一定沖擊速度下顆粒內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力值，而未考慮顆粒的強(qiáng)度隨其尺寸的減小而增大，而Y.Kanda的研究較全面，考慮到了顆粒強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，但實(shí)際問題遠(yuǎn)非如此簡單，如顆粒碰撞時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力未能達(dá)到或超過其強(qiáng)度值，或顆粒碰撞速度未能達(dá)到Y(jié).kanda所推導(dǎo)的顆粒破壞速度值，二人均未給出全面的回答，當(dāng)顆粒碰撞后未產(chǎn)生破壞，一定在其內(nèi)部產(chǎn)生損傷，使下一次碰撞要求速度值相應(yīng)降低，但降低的值有多少，顆粒連續(xù)碰撞下能量如何吸收及多次碰撞的顆粒強(qiáng)度值如何考慮，國內(nèi)外學(xué)者尚未對(duì)此給出解釋。
等在實(shí)驗(yàn)室中利用氣壓槍加壓單顆粒的聚合物沖擊在靶上，研究了顆粒的沖擊破壞機(jī)理。驗(yàn)證了Hertz在顆粒沖擊破壞情況的合理性?？偰芰科胶庠頌楦鶕?jù)，通過測量碰撞顆粒的沖擊速度、反彈速度、變形和沖擊力，計(jì)算了一定粒度聚合物顆粒沖擊破壞的最小速度，單位斷裂能、在一定沖擊速度下單位斷裂能的最小值。
將顆粒在噴嘴中加速到120m/s到250m/S，然后碰撞到一個(gè)靶上，通過測量顆粒碰撞前后的速度來看評(píng)估沖擊的能量損失。其采用了二種不同的顆粒速度測量系統(tǒng)，一種在極低的濃度下，可以認(rèn)為顆粒為單顆粒碰撞靶，采用高速攝影(HSSV)測量速度，顆粒的軌跡采用圖像分析儀分析，第二種在中等到高濃度狀態(tài)下，采用二套發(fā)射一接收光纖(Veotor)來測試速度。試驗(yàn)研究了氣流粉碎工作機(jī)理、氣流速度、氣固濃度、噴嘴與靶的距離、沖撞靶的材料性質(zhì)與排列方向影響因素對(duì)氣流粉碎的影響。
通過實(shí)驗(yàn)得出粉碎速率與顆粒生成新表面速率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：
（14）
式中，R ——粉碎速度，kg/h ；
df、dp ——進(jìn)料和產(chǎn)品的平均顆粒直徑；
m、X、C——與物料相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。
由于粉碎區(qū)域的速度很高，直接測量有一定的困難，以上的研究基本上是理論分析推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此還有許多問題值得進(jìn)一步探討。
3.1.3噴嘴的設(shè)計(jì)和計(jì)算
經(jīng)上述計(jì)算噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：
圖3-1 噴嘴
3.1.4粉碎腔的設(shè)計(jì)和計(jì)算
經(jīng)上述計(jì)算噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：
圖3-2 粉碎腔
3.2加料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
已知：P(表壓)=4kgf/cm2=0.4Mpa 即P1=0.5Mpa
P2=0.1Mpa
φ2=5mm
根據(jù)一元穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)性方程
m1=m2= = 式中： m1 m2—截面1、2的質(zhì)量流量 kg/s
A1 A2—截面1、2的面積 m2
C1 C2—截面1、2處工質(zhì)的速度 m/s
V1 V2—截面1、2處工質(zhì)的比容m3/kg
截面1處
P1V1=RT
其中 P1=0.5Mpa=5×105Pa
R=287.1
T=293K
V1==(287.1×293)÷ 5×105=0.168m3/kg
截面2處
Pc 為臨界壓力
對(duì)于空氣 K=1.4 β=0.528
Pc=0.528P1=2.64×105Pa
由于P2
0.05mm）的分級(jí)。
b．粗分級(jí)機(jī)
粗分級(jí)機(jī)也稱粗分離器，它是空氣一次通過的外部循環(huán)式分級(jí)設(shè)備。
c．離心式選粉機(jī)
離心式選粉機(jī)（內(nèi)部循環(huán)式）屬第一代選項(xiàng)粉機(jī)，也稱內(nèi)部循環(huán)式先粉機(jī)。
d．旋風(fēng)式選粉機(jī)
旋風(fēng)式選粉機(jī)屬第二代選項(xiàng)粉機(jī)，也稱外循環(huán)式選項(xiàng)粉機(jī)。其內(nèi)部設(shè)計(jì)保持了離心式選項(xiàng)粉機(jī)的特點(diǎn)，但外部設(shè)有獨(dú)立的空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，它取代了離心式選粉機(jī)的大風(fēng)葉。細(xì)粉分離過程在外部旋風(fēng)分離器中進(jìn)行。
3.3.3分級(jí)器設(shè)計(jì)
在研究分級(jí)理論，查閱相關(guān)分級(jí)器資料后結(jié)合分級(jí)特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中分級(jí)部分優(yōu)先考慮葉輪旋轉(zhuǎn)式分級(jí)。這種分級(jí)原理在其他分級(jí)器中有著普遍應(yīng)用，所以其理論是很成熟的。由于本設(shè)計(jì)的可分級(jí)粒度較寬，可調(diào)節(jié)性較強(qiáng)，暫且稱之為連續(xù)可調(diào)分級(jí)器--完全分級(jí)器。
（1）完全分級(jí)理論
如圖示在分級(jí)器內(nèi)，分體可力隨氣流作渦旋運(yùn)動(dòng)，顆粒切線方向的分速度
為 v，顆粒受沿旋流半徑向外的離心力Fr的作用，另一方面，按切線方向進(jìn)入的氣流與物料的混合狀態(tài)左旋回運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，有向心分速度vr，產(chǎn)生相內(nèi)的作用力FR，顆粒與氣流的相對(duì)速度為wr.。
當(dāng)Fr>FR時(shí)顆粒向外運(yùn)動(dòng)成為粗粉，
當(dāng)Fr
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