振动磨的发展及刚散耦合动力学.doc

振动磨的发展及刚散耦合动力学★秦志英彭伟候书军(河北科技大学机械电子工程学院石家庄05∞54)摘要振动磨是应用最广泛的机械式粉磨设各之一，本文介绍了振动磨的结构改进，以及动力学研究 的发展并介绍了一种新型的双刚体振动磨，以及刚散耦合动力学的一些研究成果关键词振动磨，刚散藕合，双剐体，自l量传递1引言’ 很大进展 随着现代工业的发展，粉体技术在国民经济 中占有越来越重要的地位振动磨是应用最广泛2振动磨内能量传递规律的研究及结构发展 的 机械式粉磨设备之一，具有高效节能、产品粒随着人类生产技术的不断发展，要粉碎物料 度分布窄、节省空间、适应性强等优点，从而在 的数量和种类越来越多，客观上要求振动磨向大 细磨及超细磨作业中得到广泛的应用型化方向发展然而，实际中发现设备的大型化 振动磨的基本结构型式如图1所示，磨筒在 并没有换来应有的高效率因此，振动磨内部的 偏心 激振下处于强烈的振动状态，筒内磨矿介质 能量传递状态开始受到质疑振动磨内部能量分 对物料进 行高频冲击、摩擦、剪切等作用，从而 布问题是近20年来国际上振动磨研究的核心问 快速有效地 将物料磨碎，获得高细度的粉磨产 题之一。

品由于振动磨的振动强度可以达到79(g为重 力加速度)以上，而球磨机仅有 19的加速度，2．1振动磨中低能区的存在且其撞击次数为球磨机的4—5万倍，故振动磨 的粉碎效率远高于回转式粉磨机厂 、 (“t、 ．．—UU ≮劣?卜简体2一激振器3一轴承4一弹簧5-电机6-弹性联轴嚣7一机架．图2振动磨磨腔内振动能量分布 图1振动磨的结构图 E．Gock借助高速影像及图像数据分析求得 振动磨于20世纪30年代起源于德国，至今其介质在磨腔中的能量分布状况如图2所示IIJ介 技术和发展仍然走在世界的前列英、美等国在引质能量主要集中分布在磨腔下部边缘一个狭窄 进德 国振动磨的同时，积极研制和发展本国的振动的区域内，从边缘向中心扩散过程中呈指数衰减 磨矿 设备日本的振动磨虽然起步较晚，但发展迅迅速降低从而在磨腔的中上部形成较大的低能速，目前在制造水平、理论研究及新产品研制方面量区 均处于世界领先地位其产品以MC、CH，RSH等 由于低能量区的存在，使其间的物料因能量 型号为代 表另外，法国、意大利、西班牙、加拿 不足而难以被磨碎，导致了磨矿介质无效碰撞增 大、瑞士等 国大多采用德国的振动磨专利发展本国 多，无用功增大。

系统能量利用率降低，产品粒 的振动磨俄 国也发展自己的振动磨我国的振动 度分布变宽，达不到高产量和窄粒级分布的要 磨研究起步比 较晚，五十年代末引入振动磨t七十 求因此低能量区的存在成为振动磨能量利用率 年代末才开始试 制，八十年代才用于工业生产，基 低和向大型化发展的“瓶颈”且低能量区的范 础理论的研究不多， 产品基本上也都是仿制但近 围随磨简直径的增大而增大，为此国际上传统振 年来，国内在振动磨理论 研究与机型研制方面取得 动磨的磨简直径一般限制在650ram以内河北省自然科学基金(E2004000299)项耳资助2．2改进磨腔形状均化能量分布在国内，温州矿山机械厂的王则胜通过研究 在这方面，最有代表性的成果之一是德国柏振动磨的双区内阻装置发现，在筒中心固接中心 林 大学E．Gock和E．Kurren等人于1985年提出的 圆管或设置径向的折流板均可有效活化低能量 “旋转腔式振动磨”[21，磨腔横截面如图3所示 区域，提高振动磨的效率，且中心管比图3的折 流板装置对低能区有更好的改善效果，但装置与 磨筒之间的连接强度等问题限制了其广泛应用 上述改进机型均未在实际中推广应用。

1995 年E．Gock等人又开发了“偏心式振动磨”¨J，图 5所示其实质是将激振器移出设备重心，使机 体产生一种主轴可变的椭圆运动轨迹，增大筒内 散体的转动速度，使低能区的散体迅速转移到能 量高的区域，从而改善磨腔内部的能量分布以减 小低能量区据资料看，这种机型开始在一些领 域应用2．3加大机体振动提高能量传递 Bemotat和我国 的王树林等人则重视正向挤 压碰撞作用，认为活化介质与提高能量利用率并 无自然联系，主张低频高幅，以提高能量传递的 接触面积和正向挤压碰撞作用，达到提高产量和 降低功耗的目的并研制出了MGz-一1型振动磨 机【4】，其生产能力高于同规格Pulla U型振动磨3 —4倍，比功耗降低30％但同时使激振器轴承 的负荷加大，能耗增加，整机可靠性降低．目前 该机也未见到实际推广应用2．4双向能量传递的双刚体振动磨 应当肯定， 上述的工作确实均化了提高了能 量输入，但均未改变能量单向从磨筒内壁向中心 通过介质间的碰撞逐层传输的方式，不可能从根 本上改变介质能量过于偏心分布的情况，难以真 正克服低能量区有的在改进工作的同时，又产 图4异型腔振动磨生了一些不希望出现的问题。

因此有效地克服低 能量区仍是振动磨研究的主要方向之一 鉴于旋转腔振动磨的缺点，Hoffl吸收了旋转 河北科技大学的侯书军将多刚体耦合振动 腔振动磨的优点，以固定结构代替旋转叶轮，于理论为引入到振动磨的改进设计，发明了双刚体1991年研制出“异型腔振动磨”【2】，如图4所示振动磨机【5l，它将中心管式振动磨中中心刚体与 在磨筒中添加两块挡板来改变腔型结构加在左磨管问的固定连接改为图6所示的弹性连接，使侧的平板叫滑板作用是使介质产生向下滑的加两刚体可以相对耦合振动，实现了从两个方向向速度：右侧的凸版为换向板，其作用是使介质产 腔内输入振动能量的目的，消除了中心低能区生指向筒体中心的加速度，从而激活心部介质初步试验证实，新结构的产率提高3倍，产品粒 该机采用异型板代替传统的均匀衬板，使能量输度更细、分布更窄入在简体的整个截面上分布更加均匀，来消除磨 机低能量区，提高了能量利用率黼2；徽黔燃婊图5偏心式振动磨图6双刚体振动磨3振动磨的刚散耦合动力学研究 3．2刚散耦合动力学研究 振动磨是一个复杂的 刚体(磨管和机体、中上述对振动磨能量研究主要从宏观角度分 心刚体)．散体(磨介)一颗粒多尺度刚散耦合振 析的，近年来，从微观颗粒角度深入研究磨碎机 动系 统．因此对振动磨的系统动力学研究是振动 理，通过调节宏观参数来影响颗粒的磨碎过程的 磨技术发展 的理论基础。

工作取得很大进展 高速摄象机一般用于实验研究磨介的运动 3．1刚体动力学研究信息，而对于散体介质系统动力学行为的研究则 即只考虑散体对于刚体系统的综合效应，将是利用离散单元法(Discrete element method简称 上述 刚散耦合振动系统简化为刚体振动系统，然DEM)进行数值模拟西安理工大学以郭天德为 后利用振动理论来建立激振力、磨机功耗等参数首的振动磨技术中心采用此方法分析传统振动 与振频、振幅、参振质量等参数间的关系磨，求解了磨介的运动规律，搞清散体各点的轨 Rose通过对小幅振动磨的试验研究发现，磨 迹但其研究是在给定磨筒的运动学参数的情况 腔内散体对机体振动的影响可以用一结合质量 下进行，忽略了散体对刚体系统的反作用 来替代，一般取磨介和物料的15％一20％，从而使 对于双刚体振动碎磨机这样一个刚一散．颗粒 磨机简化为机体的单自由度铅垂振动系统来研强耦合动力学系统，刚体尤其是中心刚体的运动 究嘲受到散体的巨大反作用时，就不能在假定刚体运 而E．Gock则发现，当振动强度较大时，散动的条件下而单纯研究散体的动力学的方法，而 体对机体振动系统的影响还应包括一个与激励必须建立刚．散．颗粒多尺度耦合动力学系统的统 同频同相位的冲击力；而且，由于磨机中非线性一模型。

因素的影响，系统存在亚谐和超谐振动，一定条侯书军领导的课题组对于双刚体振动磨，在 件下还出现倍周期分岔王树林则发现了耦合质充分考虑耦合的情况下进行了DEM数值仿真， 量的时变性和混沌性 如图8所示，初步验证了双刚体振动磨的双向能 而对双刚体振动磨的2自由度和6自由度系量传递 统的耦合动力学进行了初步研究，通过参数识别 发现，磨介和物料除了以上述方式影响机体的动 力学外，还使中心刚体的模态频率提高，相当于 使中心刚体与机体之间的连接弹簧的刚度提高 约30％，图7既是在计入当量刚度后双刚体中 心的运动规律；而且，当系统以中心刚体模态频 率共振时，原来同步的两个激振器失步运转因 此，中心刚体的引入，使刚散耦合的程度增强， 也使系统的稳定性问题更加突出 图8基于刚散耦合的碰撞力和能量传递4结论 本文对振动磨的结构发展，以及能量传 递规 律和刚散耦合动力学问题的研究进行了简要概 述由于磨矿介质和物料的存在，使得振动磨成 为一个远比刚体振动系统更复杂的多尺度刚散 耦合动力学系统，其内部的能量传递规律直接关 系到振动能量的利用和磨碎效果因此振动磨的图7两刚体中心的运动轨迹 技术发展与其动力学研究是密不可分的，技术的 发展离不开动力学问题的不断深入研究。

参考文献1．E．Gock,K-E．Kurrer．Effect of the operating conditions on motion and impact processes in vibration tube mill．1986．10．2．EGockK-E．Kuner．Development ofthe rotary charabervibrationmillforindustrialuse．1988．10．3．E．Gock．K-E．K1Ⅱrer．一种新型磨机—偏心式振动磨在工业中的应用．国外金属选矿，1999，1．4．王树林．高效率振动磨机功率吸收及其动力学特性．矿山机械·1987，3：24-294745．侯书军一种振动管磨机，专利号ZL01230529．46．张振祥，候书军等国外振动磨设计的基础理论与试验研究．石家庄矿山机械研究所．1994DEVELoPMENT oF VIBRATIoN MILL AND CoUPL玎叮G DYNAMICS oF RIGm—BoDIES AND BULKSQ／nZhiyiug HouShujtm PengWei Hebei Univcristy ofScience and Technology,School ofmechanical＆electronic engineering，Shijiazhuang，050054Abstract Vibration mill is the most widely applying mechanical grinding equipment．This paper introduces the structuredevelopment of vibration mill，and some results of dynamics research．A new double rigid-bodies vibration mill andcoupling dynamics ofrigid-bodies and bulks are also introduced．Keywords Vibration mill，Coupling dynamics ofrigid-bodies and bulks，Double rigid-bodies，Energy transmission475。