球磨机的原理应用以及设计构造1

2. 球磨机的设计

2.1球磨机特点

一. 球磨机的组成

球磨机大致可分为立式和卧式两种。立式搅拌球磨机，由于采用新式设计，与滚筒式球磨机相比，具有自己独特的优点。它是通过电机驱动立式减速度，通过联轴节带动内转子研磨装置旋转，使介质球、磨料、水混合液悬浮研磨。设备运行过程中，桶体固定不动，仅仅搅拌器发挥强有力的作用，故可在不停机的情况下进行抽样检验和添加磨料。球磨机底部的过滤系统能够检验磨粒是否符合规格，以便于大颗粒的再次研磨，以达到研磨和分散的需要。

球磨机可分为搅拌设备和磨球两大部分。

二. 球磨机的搅拌设备

搅拌可以使用两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散，从而达到均匀混合；也可以加速传热和传质过程。搅拌操作的例子颇为常见，例如在化验室里制备某种盐类的水溶液时，为了加速溶解，常常用玻璃棒将烧杯中的液体进行搅拌。又如为了制备某种悬浮液，就要用玻璃棒不断的搅动容器中的液体，使固体颗粒不致沉下，而保持它在液体中的悬浮状态。在工业生产中，搅拌操作是从化学工业开始的，围绕食品、纤维、造纸、石油、水处理等，作为工业过程的一部分而被广泛应用[12]。

在工业生产中，大多数的搅拌操作均系机械搅拌，搅拌设备主要由搅拌装置、轴封、和搅拌罐三大部分组成。其中，搅拌设备分为：传动装置、搅拌器、搅拌轴；搅拌罐又分为：罐体和附件两种。

（一）搅拌设备在工业生产中的应用

搅拌设备在工业生产中的应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化学生产都或多或少的应用着搅拌操作。化学工艺过程的种种化学变化，是以参加反应物质的充分混合为前提的，对于加热，冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，也往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备在许多场合是作为反应釜来应用的[12]。搅拌设备的应用范围之所以这样广泛，还因搅拌设备操作条件（如浓度、温度、停留时间等）的可控范围较广，又能适应多样化的生产。

搅拌设备的作用不外乎：①使物料均匀混合。②使气体在液相中很好的分散。③使固体粒子在液相中均匀的悬浮。④使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化。⑤强化相间的传质。⑥强化传热。对于均匀相反应，混合的快慢，均匀程度和传热情况的好坏，都会影响效果。至于非均匀相系统，则还影响到相界面的大小和相间的传质速度，情况就更复杂，所以搅拌情况的改变，常很敏感的影响到产品的质量和数量。如果搅拌情况不好，就会造成传热系数下降或局部过热，使物料分散不均匀，影响到产品的质量，也容易导致物料粘壁，使反应不能很好的进行下去。

搅拌设备使用历史悠久，应用范围广，但对搅拌操作的科学研究还很不够。搅拌操作看起来似乎简单，但实际上，它所涉及的因素却极为复杂。对于搅拌器形式的选择，从工艺的观点以及力学观点来说，迄今都是研究得不够的。

过去有很多文献论述了搅拌设备的动力消耗，并给出了不少情况下的计算公式，但是由于介质操作条件的不同，物理化学性能的差异，容器形状及内部设施的不同以及各种搅拌器性质上的区别，正确确定搅拌功率并适当的选择驱动电机是十分困难的。在没有模拟试验的情况下, 设计新的搅拌设备时，常采用现有的设备数据的方法，宁大勿小，结果造成了不少浪费。国内有些单位对一些生产中的搅拌设备进行了功率测试，从测试的结果可以看到，由于功率消耗难以计算准确，电动机选用过大，造成了负荷率很低的的不合理的现象。

对于搅拌设备的研究，除功率问题外，有关搅拌的流体力学研究具有重要意义。这方面已做了许多工作，但尚需扩大和深入。在液体中进行搅拌时，搅拌器的功能不仅引起液体的整个运动，而且要在液体中产生湍动，湍动的程度与搅拌器使液体旋转而产生的旋涡现象有密切关系。这些旋涡因经常的互相撞击和破裂，使液体受到剧烈的搅拌。由此可见在搅拌操作中，对于流体力学理论的研究是极其重要的。

关于搅拌器，除非遇有特殊的任务，需要特殊设计之外，现有的各种搅拌器，尤其是常用的框式、平桨式、推进式和涡轮式等已足够应用。而且这些搅拌器已有相应的标准，所以对已有搅拌器性能的深刻了解，应予以更多地注意，以便使他们在使用中能够充分的发挥作用。涡轮式搅拌器现正被广泛使用，因为这种搅拌器在工业上适应性是很大的，它几乎能有效的完成所有的搅拌任务，并能处理那些特别是化学工业中经常遇到的各种粘度的物料。

（二）搅拌装置的安装形式

搅拌设备可以从各种不同的角度进行分类，如按工艺用途分、按搅拌器结

构型式分或按搅拌装置的安装型式分等等。从按搅拌装置的安装型式分，可以分为（1）立式容器中心搅拌（2）偏心式搅拌（3）倾斜式搅拌（4）底搅拌（5）卧式容器搅拌（6）旁入式搅拌六种，其中旁入式搅拌又可以分为角度固定的旁入式搅拌和角度可变的旁入式搅拌两种。

设计中选用立式容器中心搅拌。这种搅拌装置安装在立式设备筒体的中心线上，驱动方式采用皮带传动和齿轮传动，用普通电机直接连接或与减速机直接连接。

二. 球磨机的磨球

球磨机运转时，搅拌器带动磨球运动，从而粉碎物料颗粒，达到研磨的效果。

2.2球磨机主要结构的选型

2.2.1搅拌器的选择

一. 搅拌过程与搅拌器

搅拌过程有赖于搅拌器的正常运转，因此搅拌器的结构、强度也是不容忽视的问题。由于搅拌操作的多种多样，也是搅拌器存在着许多型式。各种搅拌器在配合各种可控制流动状态的附件后，更能使流动状态以及供给能量的情况出现多种变化，更有利于强化不同的搅拌过程。

搅拌器的功能概括地说就是提供搅拌过程所需要的能量和适宜的流动状态，以达到搅拌过程的目的。

搅拌器的搅拌作用由运动着的浆液所产生，因此搅拌器的形状、尺寸、数量以及转速就影响搅拌器的功能。同时搅拌器的功能还与搅拌介质的物性以及搅拌器的工作环境有关。另外，搅拌槽的形状、尺寸、挡板的设置情况、物料在槽中的进出方式都属于工作环境的范畴，这些条件以及搅拌器在槽内的安装位置及方式都会影响搅拌器的功能。

二. 搅拌器型式的选择

为了提供能量与造成液体的流动状态，搅拌器必须有合理的结构和足够的强度。所谓合理的结构，除了指桨叶的几何尺寸及安装位置要合理以外，主要还应符合以下几个原则：桨叶的制造工艺合理，桨叶与搅拌轴的连接方式稳妥可靠，桨叶安装检修方便等等。

一个好的选型方法最好具备两个条件，一是选择结果合理，一是选择方法

方便，而这两点却往往难以同时具备。

我们从搅拌操作的目的分析了对搅拌的要求，诸如某过程要求对流循环好或者某过程要求剪切力强等等，进而分析了搅拌器的功能，在此基础上就可根据搅拌的目的来选择搅拌器的型式。也可以从一种搅拌器的功能来分析判断它是用于哪些搅拌过程。

各种搅拌过程对搅拌的要求有共性，而各种搅拌器的性能也有共性，这样往往是适于某一种搅拌操作的可能有几种型式的搅拌器，而同一种搅拌器也可用于几种搅拌过程。当然严格的说，还是各有所长的，诸如粘度高低、容积大小、转速范围等等，都会影响搅拌器使用的效果。目前的选型方法多数是根据实践试经验，选择习惯应用的桨型，再在常用范围内决定搅拌器的各种参数。也有通过小型试验，取得数据，进行比拟放大的设计方法。不论哪种做法，都离不开最初的根据搅拌目的选择搅拌器类型这一步。

由于液体的粘度对搅拌状态有很大的影响，所以根据搅拌介质粘度大小来 选型是一种基本的方法。几种典型的搅拌器都随粘度的高低而有不同的使用范围。随粘度增高的各种搅拌器的使用顺序为推进式、涡轮式、桨式、锚式和螺带式等。设计中选用的搅拌器的型式为桨式平直叶。

桨式是结构最简单的搅拌器型式，桨叶一般采用扁钢制作，铸造桨叶已很少用。小型桨叶为简单计，常将桨叶焊在轮毂上，形成一个整体，然后用键、止动螺钉将轮毂连接在搅拌轴上。

关于搅拌器在搅拌轴上的安装层数，一般都是从桨叶的搅拌范围来考虑的，液层过高则要考虑设置多层桨叶，对于低粘度液体，径流型桨叶可搅动槽内上下范围为桨径的4倍，所以对于常用的液层深度，只要一层桨叶即可。对于高粘度液体，可增加搅拌器层数。

2.2.2传热部件的选型

一. 搅拌设备的传热

在容器中对被搅拌的液体进行加热或冷却是化工过程中一个经常遇到的操作，这对于在被搅拌的液体中进行化学反应极为重要。化学反应过程常伴有放热和吸热反应，而且常常需要向加热促使化学反应的进行，一旦反应开始往往又需要冷却，调节温度维持反应条件，直到反应完毕又需要散热。因此，搅拌器必须具备传热装置，以维持最佳的工艺条件，取得最好的反应效果。

二. 传热方式

反应器的加热和冷却有多种方式。可在容器外部或内部设置供加热或冷却用的换热装置，例如在容器外部设置夹套，在容器内部设置蛇管、散热器等。一般用得最普通的是采用夹套传热方式。

三. 夹套

传热夹套一般由普通碳钢组成，它是有一个套在反应器筒体外面能形成密 封空间的容器，既简单又方便。夹套上设有水蒸气，冷却水或其他加热、冷却介质的进出口。

在罐体的外侧，以焊接或法兰连接的方法装设各种形状的钢结构，使其与 罐体的外表面形成密闭的空间，在此空间内通入载热流体，以加热或冷却物料，维持物料的温度在预定的范围内，这种钢结构件统称之为夹套。根据夹套结构形式的不同，可分为多种类型。

搅拌罐上采用最多的夹套型式是整体夹套，由于应用广泛，工程上习惯简称 为夹套。这种夹套是在罐体的外面再套上一个直径稍大的容器。如果加热介质是水蒸气，则进口管应靠近夹套上端，冷凝液从底部排出；如果传热介质是液体，则进口管应安置在底部，液体从底部进入，上部流出，是传热介质能充满整个夹套空间。这种结构简单方便，基本上不需要维修。缺点是换热面积受到罐体几何形状的限制而不能做得太大。

（1）整体夹套的结构选型

选择常用的典型结构：这种是圆筒的一部分和下封头包有夹套。

（2）整体夹套的尺寸及连接形式

整体夹套和罐体有两种连接形式，即不可拆卸式和可拆卸式。

不可拆卸式夹套的结构简单，密封可靠，主要适用于碳钢制的搅拌设备。如果罐体材质是不锈钢而夹套为普通碳钢时，应在结构的处理上避免不锈钢罐体直接与碳钢件焊接，以防止在焊缝处渗入过量碳元素是不锈钢产生局部腐蚀。

（3）整体夹套的应力

由于夹套内流体压力的作用，夹套封口环处会产生局部应力，其数值的大小根据夹套的结构和安装方法而有所差异。

按照设计中所选用的夹套形式，则整体夹套的结构及强度可按下述关系进行考虑。

① 罐体与夹套间可采用拉撑件（即选用蜂窝形夹套），由于夹套中流体压力产

生的轴向载荷为罐体所支撑，故封口环的板厚也可取与夹套筒体的板厚相等。 ② 夹套筒体上产生底周向应力应大于许用应力的1/2时，必须将封口环处的结构加强或将封口环板加厚。此时封口环板的厚度应不小于按许用应力1/2所算出的夹套筒体厚度。

同时注意，封口环与筒体连接的焊缝必须给予特殊考虑。为了增大连接点 的强度，必须规定焊缝完全焊透。

（4）整体夹套附——进口接管

整体夹套的出口接管结构和一般容器一样，不需要进行特殊处理。进口接 管则因为夹套与罐体之间的距离较小，为了防止载热流体直接冲刷罐体外表面，影响罐体的局部强度，进口接管应采用侧开口或在夹套内安装挡板。进水管一般布置在夹套底部，以便于提高传热效率。

2.2.3搅拌罐结构设计

一、搅拌罐的概述

搅拌罐包括罐体和装焊在上面的各种附件。

常用的罐体是立式圆筒形容器，它有顶盖、筒体、和罐底，通过支座安装在基础或平台上。罐体在规定的操作温度和操作压力下，为物料完成其搅拌过程提供了一定的空间。

为了满足不同的工艺要求，或者因为搅拌罐本身结构上的需要，罐体上装有各种不同用途的附件。例如，由于物料在反应过程中常常伴有热效应，为了提供或取出反应热，需要在罐体的外侧安装夹套或在罐体的内部安装蛇管；为了与减速机和轴封相连接，顶盖上要焊装底座；为了便于检修内件及加料和排料，需要装焊人孔、手孔、和各种接管；为了在操作过程中有效的监视和控制物料的温度、压力和料面高度，则要安装温度计、压力表、液面计、视镜和安全泄放装置；有时为了改变物料的流型、增加搅拌强度、强化传质和传热，还要在罐体的内部焊装挡板和导流筒。但是随着附件的增加，往往会给设备的制造和维修带来很多麻烦，增加设备的制造和维修费用。所以在确定搅拌罐结构的时候应全面的综合考虑，使设备既满足生产工艺要求有做到经济合理，实现最佳化设计。

（一）罐体的长径比和装料量

在知道搅拌罐操作时盛装的物料的容积以后，首先要选择适宜的长径比（H ／D i ）和装料量，确定筒体的直径和高度。

（1）罐体的长径比

选择罐体的长径比应考虑的主要因素有3个方面，即长径比对搅拌功率的影响、对传热的影响以及物料搅拌反应特性对长径比的要求。

①罐体长径比对搅拌功率的影响

一定结构形式搅拌器的浆叶直径同与其装配的搅拌罐罐体内径通常有一定 的比例范围。随着罐体长径比的减小，即高度减小而直径放大，搅拌器浆叶直径也相应放大。在固定的搅拌轴转数下，搅拌器功率与搅拌器浆叶直径的五次方成正比。所以，随着罐体直径的放大，搅拌器功率增加很多，这对于需要较大搅拌作业功率的搅拌过程是适宜的，否则较小长径比只能无谓的损耗一些搅拌器功率，长径比则可以考虑选得大一些。

②罐体长径比对传热的影响

罐体长径比对夹套传热有显著影响。容积一定时，长径比越大，则罐体盛料 部分表面积越大，夹套的传热面积也就越大。同时长径比越大，则传热表面距离罐体中心越近，物料的温度梯度就越小，有力于提高传热效果。因此，但从夹套传热角度考虑，一般希望长径比取得大一些。

③物料特性对罐体长径比的要求

某些物料的搅拌反应过程对罐体长径比有着特殊要求，根据实践经验，一般 搅拌罐的长径比为1～1.3，设计中取H ／D i =1.3。

（2）搅拌罐的装料量

选择了罐体的长径比之后，还要根据搅拌罐操作时所允许的装满程度考虑选择装料系数η，然后经过初步计算、数值圆整及核算，最终确定筒体的直径和高度。

①装料系数

罐体全容积V 与罐体的公称容积（即操作时盛装物料的容积）V g 有如下关系：

Vg =V η（m 3） （2-1）

设计时应合理的选用装料系数η值，尽量提高设备利用率。通常η可取0.6～0.85. 取η=0.8。

V g =5L，所以V=6.25L

②初步计算筒体直径

知道了筒体的长径比之后，还不能直接算出筒体直径和高度，因为当筒体直 径不知道时封头的容积就不知道，罐体全容积也就不能最后确定。

先忽略封头的容积，认为：V ≈πD 2

i H/4(m2)

式中D I 及H 单位是m.

把罐体长径比代入上式为:

V ≈πD 3

i (H/Di )/4 (m3) (2-2)

将式（2-1）代入式（2-2）

整理：D i ≈[4Vg /π(H/Di ) η]1/3 （m ） （2-3）

D i ≈[4⨯5/π⨯1.3⨯0.8]1/3

D i ≈182 取D i =175

③确定筒体直径和高度

将式（2-3）计算出的结果圆整成标准直径，代入式（2-4）算出筒体高度：

H=(V-v)/(π/4) ⨯D i 2=(Vg /η-v)/(π⨯D i 2/4) （2-4）

H=4⨯6.25⨯106/⨯1752=259

取H=220

（二）搅拌罐结构选型

参看各种搅拌罐结构，选择所设计的搅拌罐。

（1）罐体的主要结构特征为椭圆形焊接的底和可以揭开的平盖。

（2）散热器的形式为整体夹套式。

二. 搅拌器的计算

查表可得： dj /Di =0.7

dj =0.7⨯175

=122.5 取d j =120

桨宽与桨径的比b/dj =0.15

b=0.15⨯ 120

=18 取b=18

两桨叶的距离h=0.3H=52 取h=55

2.2.4传动部件的计算

一. 几种传动方式

搅拌设备具有单独的传动机构，一般包括电动机、减速装置、联轴节及搅拌轴等。

在比电动机速度低得多的搅拌器上常用的减速装置是装在设备上的齿轮减 速机、涡轮减速机、三角皮带以及摆线针齿行星减速机等。其中最常的是固定和可移动的齿轮减速搅拌器，这是由于他们加工费用低、结构简单、装配检修

方便。有时由于设备条件的限制或其他情况必须采用卧式减速机时，也可利用一对伞齿轮来改变方向，但须注意由于只有一个轴承所以必须设置底轴承。这种结构因为伞齿轮不是浸在油箱内，故不能应用在有防火，防爆要求的场合。

减速机价格较贵，制造困难，因此，如果速比不大，可采用三角皮带减速， 但不要在有爆炸危险场合使用。我们所设计的设备是为实验所用，因此选用三角皮带减速。

二. 电动机的选择

（一）关于搅拌器功率的问题

当搅拌器由静止启动时，桨叶要克服自身的惯性，还要克服桨叶所推动的液体的惯性以及液体的摩擦力。这时桨叶与液体的相对速度很大，桨叶受液体阻力的作用面积最大，因而所需的功率值必然较大，这就是所谓的搅拌器的启动功率。

搅拌过程进行时需要动力，笼统地称这动力时就可叫做搅拌功率。但仔细进行分析时，就会发现所谓搅拌功率实际上包含了两个不同的而又有两系的概念，这就是搅拌器功率和搅拌作业功率。

具有一定结构形状的设备中装有一定物性的液体，其中用一定形式的搅拌器以一定转速进行搅拌时，将对液体做功并使之发生流动，这时为使搅拌器连续运转所需要的功率就是搅拌器功率。显然搅拌器功率是搅拌器的几何参数、搅拌槽的几何参数、物料的物性参数和搅拌器的运转参数等的函数。这里所指的搅拌器功率不包括机械传动和轴封部分所消耗的动力。

被搅拌的介质在流动状态下都要进行一定的物理过程或化学反应过程，即都有一定的目的，其中有的混合，有的分，有的传热，有的溶解等等。不同的搅拌过程不同的物性、物料量在完成其过程时所需要的动力不同，这是由工艺过程的特性所决定的。这个动力的大小是被搅拌的介质的物理、化学性能以及各种搅拌过程所要求的最终结果的函数。我们把搅拌器使搅拌槽中的液体以最佳方式完成搅拌过程所需要的功率叫做搅拌作业功率。

在处理搅拌过程的功率的问题时，最好是能够知道为了达到搅拌过程所要求的结果而必须用于被搅拌介质的功率即搅拌作业功率，同时运用搅拌器的功率的概念，来提供一套能向被搅拌介质中输入足够功率的搅拌装置。最理想的状况当然是脚板其功率正好就等于搅拌作业功率，这就可使搅拌过程以最佳方式完成。搅拌器功率小于搅拌作业功率时，可能使过程无法完成，也可能拖长操作时间而得不到最佳方式。而搅拌器的功率过分大于搅拌作业功率时，只能

浪费动力而于过程无益。遗憾的是目前无论搅拌器的功率也好，搅拌作业功率也好，都还没有很准确的求法，当然也很难评价最佳方式是否达到的问题。生产实践中搅拌器功率不足的问题易于察觉，而搅拌器功率过大造成浪费的问题则容易被忽视。

（二）电动机的选型

搅拌设备选用电动机的问题，主要是确定系列、功率、转速以及安装型式 和防爆要求等几项内容。

（三）Y 系列封闭式三相异步电动机

主要性能及结构特点：效率高，耗电少，性能好，噪声低，振动小，体积小，重量轻，运行可靠，维修方便。为B 级绝缘。结构为全封闭、自扇冷式，能防止灰尘、铁屑、杂物侵入电动机内部。冷却方式为IC411。

用途：适用于灰尘多. 土扬水溅的场合，为一般用途搅拌机。

工作条件：（1）海拔不超过1000m 。

（2）环境温度不超过40。C, 最低温度为-15。C 轴承允许温度不超

过95。C 。

（3) 最湿月月平均最高相对湿度为90％，同时该月月平均最低

温度不高于25。C 。

（4）额定电压为380V ，额定功率为50Hz 。

（5）3kW 以下为Y 接法，4kW 及以上为Δ接法。

（6）工作方式为连续使用（SI ）。

（四）根据以上条件，最终选择电动机为：机座带底角，端盖上无凸缘的电动机。

其中电动机的输出轴轴径为19mm 。

三. 皮带传动

（一）带传动的选择种类

带传动是由固连于主动轮上的带轮，固连于从动轮上的带轮和紧套在两轮上的传动带组成的。当原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦，便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力。带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲吸振等特点，因此被广泛应用。

在带传动中，常用的有平带传动、V 带传动、多楔带传动和同步带传动等。 平带传动结构最简单，带轮也容易制造，在传动中心距较大的情况下应用

较多。常用的平带有帆布芯平带、编织平带、锦纶片复合平带等数种，其中以帆布芯平带应用最广。

在一般机械传动中，应用最广的是V 带传动。V 带截面成等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽。传动时，V 带只和轮槽的两个面接触，即以两侧面为工作面。根据槽面摩擦原理，在同样的张紧力下，V 带传动较平带传动能产生更大的摩擦力。这是V 带传动性能上的最主要的优点。再加上V 带传动允许的传动比较大，结构较紧凑，以及V 带多以标准化并大量生产等优点，因而V 带传动的应用逼平带传动广泛的多。

多楔带兼有平带和V 带的优点：柔性好，摩擦力大，能传递的功率较大，并解决了多根V 带长短不一而使带受力不均的问题。多楔带主要用于传递功率较大而结构要求紧凑的场合。

综合上面各种带的优缺点，在设计中选择的带传动为V 带传动。

（9）带轮结构设计

①V 带轮设计的要求

设计V 带轮时应满足的要求有：质量小；结构工艺性好；无过大的铸

造内应力；质量分布均匀，转速高时要经过动平衡；轮槽工作面要精细加工（表面粗糙度一般应为3.2），以减少带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。

②带轮的材料

带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的型号为HT150或HT200；转速

较高时宜采用铸钢（或用钢板冲压后焊接而成）；小功率时可用铸铝或塑料。

2.2.5.1球磨机轴的计算及校核

（一）轴的选择及计算

（1）轴设计的主要内容

搅拌轴是搅拌设备的一个重要部件，它的设计的和加工的好坏对与之装配 的搅拌器有一定的影响。

轴的计算主要是确定轴的最小截面尺寸，进行强度、刚度计算或校核、验算轴的临界转速和挠度，以便保证轴能安全平稳的运转。

对搅拌轴而言，承受扭转和弯曲联合作用，其中以扭转为主，所以在工程 应用中常用近似的方法进行计算。它假定轴只承受扭矩的作用，然后用增加安全系数以降低材料的许用应力来弥补由于忽略受弯曲作用所引起的误差。轴受扭转时，其截面上产生剪应力。

轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。

轴的工作能力计算是轴的长度、钢度和震动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。

（2）轴的材料

轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。

由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常用的是45钢。设计中采用轴的材料为45钢。

（3）轴的形状确定

根据上述确定轴的相关知识，在设计的球磨机中确定的搅拌轴的的形状如图

（4）计算轴的受力情况

设定电动机输出轴为Ⅰ轴，与大带轮连接的轴为Ⅱ轴，搅拌轴为Ⅲ轴。 设定带传动的效率为η1=0.96，轴承传动的效率为η2. η3=0.98，联轴器传

动的效率η4=0.99。

（5）轴的校核

进行轴的强度计算时，应根据轴的具体受载及应力情况采取相应的计算方法并恰当的选取其许用应力，对于仅受扭矩的轴应该按扭转强度计算；对与只承受弯曲的轴应该按弯曲强度条件计算；对于既承受弯矩又承受扭矩的轴应该按弯曲扭距合成强度条件进行计算。此外，对于瞬时过载很大或应力循环不对称性较为严重的轴，还应按峰尖载荷校核其静强度，以免产生过量的塑性变形。

首先对轴所受的剪应力和弯曲应力进行计算，其受力图如图2-4所示：

2.2.5.2轴承的选择及计算校核

（一）轴承的选择

球磨机器工作中，搅拌轴工作转速并不是特别的高，没有特大的冲击与振动，因此，采用滚动轴承支承。

滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动

接触来支承转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦力小，功率消耗小，启动容易等特点。

滚动轴承很多，根据设计的搅拌轴的特点，我选用圆锥滚子轴承。

圆锥滚子轴承的特点：可以同时承受径向载荷及轴向载荷，外圈可分离， 安装时可调整轴承的游隙。一般都是成对使用，这样使用可以抵消轴所承受的轴向力。

设计中选用的轴承型号为30205，e=0.37，

（二）轴承的校核

轴承的寿命与所受载荷的大小有关，工作载荷越大，引起的接触应力也就越大，因而在发生点蚀破坏前所能经受的应变化次数也就越少，亦即轴承的寿命越短，所谓轴承的基本的额定动载荷，就是是轴承的基本额定寿命恰好为106r （转）时，轴承所能承受的载荷值。这个基本额定动载荷，对向心轴承，指的是纯径向载荷，并称为径向基本额定动载荷；对角接触球轴承或圆锥滚子轴承，指的是使套圈间产生纯径向位移的载荷的径向分量。

滚动轴承的基本额定动载荷是在一定的运转条件下确定的，实际上，轴承在许多应用场合，常常同时承受径向载荷和轴向载荷。因此，在进行轴承寿命计算时，必须把实际载荷转换为与确定基本额定动载荷的载荷条件相一致的当量动载荷。这个当量动载荷，对于以承受径向载荷为主的轴承，称为径向当量动载荷；对于以承受轴向载荷为主的轴承，称为轴向当量动载荷。

实际上，在许多支承中还会出现一些附加载荷，如冲击力、不平衡作用力、惯性力以及轴挠曲或轴承座变形产生的附加力等等，这些因素很难从理论上精确计算。为了计及这些影响，可对当量动载荷乘上一个根据经验而定的载荷系数。

三. 轴承的润滑

润滑对于滚动轴承具有重要意义，轴承中的润滑剂，不仅可以降低摩擦阻力，还可以散热、减少接触应力、收振动、防止腐蚀等作用。

经过综合分析，设计中轴承的润滑采用脂润滑。

2.2.5.3键的选择计算及校核

（一）键的选择

设计中采用的是普通平键联接, 平键联接具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点，缺点是这中间不能用来承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定的作用。但是在球磨机的设计中，各轴上键的使用主要是为了起到固

定的作用，因此都选用平键。

普通平键按照构造分，有圆头平键、平头平键及单圆头平键三种。圆头平键的优点是宜放在轴上用键槽铣刀铣出来的键槽中，键在键槽中的轴向固定良好。但它的缺点是键的头部侧面与轮毂上的键槽并不接触，因而键的圆头部分不能充分利用，而且键槽端部的应力集中较大。平头平键是放在盘铣刀铣出来的键槽中，因而避免了上述缺点，但对于尺寸大的键，宜用紧定螺钉固定在轴上的键槽中，以防松动。单圆头平键则常用于轴端与毂类零件的联接。

中和各种键的优缺点，设计中采用圆头平键。

Ⅰ轴键选择为 键6⨯30 GB1096-79圆头普通平键（A 型）b=6 h=6 l=30 Ⅱ轴 （1）键8⨯30 GB1096-79圆头普通平键（A 型）b=8 h=7 l=30

（2）键6⨯18 GB1096-79圆头普通平键（A 型）b=6 h=7 l=18

（3）键6⨯18 GB1096-79圆头普通平键（A 型）b=6 h=7 l=18

（二）键的校核

平键联接传递转距时，联接中键的受力主要有积压应力和剪切应力。对于采用常见的材料组合和按标准选区尺寸的普通平键联接，其主要失效形势是工作面被压溃。除非有严重的过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。

已知，键的材料选用45钢，许用应力[τ]=60MPa，[σ]=100 MPa

（1）轴d=30mm,键b ⨯h ⨯l=8⨯7⨯30, 传递的扭转力偶距为M e =10.47N*m。

①首先校核键的剪切强度

2.2.6球磨机磨球的设计

一. 服役条件和环境对球磨机磨损件性能的要求

球磨机使用广泛, 工况条件千差万别, 可以考虑的因素有:磨机参数(规格、转速等); 物料性质(硬度、粒度、腐蚀性等); 磨介(形状、级配、品质等) 。这些因素从以下三方面对材料流失产生影响。

（1）磨损

球磨机运转时, 磨球与物料相对运动而产生磨损。磨损量受磨机的规格、转速、磨损件硬度、物料粒度和硬度的影响。其中较直观的因素是磨损件的硬度与物料的硬度比Hm/ Ha 。一般认为, 要防止材料的严重磨损应使Hm/ Ha >0. 8 。由于磨损是一个动态过程, 在磨损中材料表面的组织性能都将发生变化, 因而Hm

应当是变化后的硬度值, 用Hm ′表示。这样, 从磨损角度考虑材料的性能应满足如下的关系式:Hm ′/ Ha > 0. 8

（2）冲击

要提高球磨机的粉碎效率, 必定要增强磨球的冲击。磨球每次受高能量冲击的作用时间短、区域小、冲击应力很大, 易使磨球和衬板发生剥落、开裂或破碎(以下统称“破碎”) 。磨球的破碎率受磨机大小、转速、物料缓冲程度、磨损件的抗冲击疲劳性和韧性、磨损件的质等因素影响, 尤以磨损件的抗冲击疲劳性能和磨损件的质量影响较大。

为了突出材料韧性的重要, 一些人提出用“磨损强度”来评价材料性能, 即磨损强度= W-1K1 C(2)

式中:W -1为材料总损耗量;K1 C为材料静态断裂韧性。

由于材料在冲击条件下的性能与静态下的不同, 因而这里应当考虑动态断裂韧性K1 d,而不是静态断裂韧性K1 C 。不管使用哪一个韧性指标,(2) 式的意义在于把材料韧性提高到与耐磨性同等重要的程度。事实上, 考虑到磨损件破碎的严重危害性, 人们往往在保证不显著降低耐磨性的情况下更多地注意改善材料韧性。

磨损件质量与生产方式有关。对锻钢件来说会出现如锻造裂纹、中空和折叠、过热或过烧等锻造缺陷; 对铸铁件来说会出现皮下气孔、中心疏松、夹渣等铸造缺陷; 若热处理不当, 会出现淬火不足、未淬透、较大的残余应力和开裂等情况。这些质量因素往往更能使磨损件在冲击作用下发生过早破坏。

（3）腐蚀

在湿磨情况下, 磨损件与一定的酸碱度的物料直接接触, 必然会产生腐蚀。湿磨条件下40 %～ 90 % 的钢耗可能是由腐蚀造成的。湿磨条件下材料的流失可用下式描述:

W = Ww+Ws+ΔW （2-20）

式中: Ww 为无腐蚀作用时的磨损量, 与材料硬度有关; W s 为无磨损时的腐蚀量, 与材料的成分和组织结构有关, 而与材料的机械性能(硬度、韧性等) 无直接联系; ΔW 为磨损、冲击和腐蚀三者综合作用的结果(包括因磨损而加剧的腐蚀、因腐蚀而加剧的磨损以及因冲击而产生的应力腐蚀、腐蚀疲劳等), 显然它与材料机械性能是相关的。

二. 球磨机磨损件的选材

球磨机磨损件的选材应综合考虑工况条件、材料品质及材料价格三大因素,

同时还注意衬板与磨球的匹配问题。一般情况下, 磨球的硬度比衬板的大2～4HRC[2] 。

（1）衬板选材与衬板形状结构有关

国外球磨机的衬板块小而厚, 有利于发挥耐磨材料性能, 不易开裂。国内球磨机的衬板块大而薄, 在使用新型耐磨材料时, 如不改变形状结构就容易开裂, 因此采用新型耐磨材料有一个衬板形状设计配合的问题。

（2）衬板、磨球选材与粉磨工艺有关

球磨机喂料量必须保持稳定。喂料量过多, 物料细度不够不合乎要求; 喂料量过少, 产量降低而且造成磨球直接砸衬板导致衬板开裂、磨球表面出现凹坑引起疲劳剥落。对于喂料量无自动控制难以保持稳定的使用情况下, 宜采用冲击韧性高、硬度稍低一点的耐磨材料。反之, 则可采用冲击韧性值低而硬度高一些的耐磨材料。

（3）衬板与磨球材料的匹配

球磨机衬板如果采用高锰钢而磨球选用耐磨性极好的高铬铸铁(钢), 则会造成高锰钢衬板磨损增大, 但是高锰钢衬板仍然可以使用。反之衬板选用高铬铸铁(钢) 而磨球仍然选用耐磨性差的普通碳素钢，那么由于磨球消耗大造成补球时甩球次数增多, 每次甩球要涮磨, 涮磨时不可避免地要空砸衬板导致衬板开裂, 同时磨球表面被砸出凹坑。因此, 衬板采用耐磨性好的材料而磨球也要采用耐磨性好的材料。对比碳素钢磨球而言, 使用高铬衬板与高铬磨球可减少甩球次数。另外, 衬板与磨球都采用耐磨性好的材料, 它们之间还存在一个硬度匹配问题, 磨球的硬度比衬板的高2～4HRC 为宜。

2.2.7球磨机工作时各方面的影响

影响球磨机生产能力的主要因素：

（1）球磨机的规格类型

球磨机的直径越大，物料受到的冲击和磨剥作用力越大，磨物料的生产率也就越高，单位能耗越底。球磨机的直径一定时，筒体越长，球磨机容积增加，磨矿生产率相应提高，并有利于细磨。同样规格的球磨机，格子型球磨机的生产率比溢流型球磨机高。

（2）球磨机的筒体转速

球磨机的转速直接影响球石在球磨机内的运动状态。球磨机的研磨作用是在磨筒旋转时，有球磨机与筒壁和原料发生摩擦与撞击作用而达到的。转速太

慢，球石上升不高就滑行下来，粉碎作用很小。转速太快时，研磨介质就附在磨机内壁随着旋转，物料的研磨停止。当转速适当时，球能带着原料沿筒壁上升到一定的高度，当其重力的分力等于离心力时，研磨介质沿着抛物线的轨道下落碰击在下面的物料或球面上，这是物料受到的最大的冲击力和研磨作用。粉碎效率最高。国际上广泛采用下列公式作为球磨机的理论临界转速：

n 。 （2-21）

其中：n 。——球磨机临界转速（r/min）

D——球磨机的内径（ｍ）

临界转速的意义即是球磨机离心力超过重力不能自由下落时的最低转速。因此，适宜的转速应该低于临界转速。

在球磨机临界转速范围内，适当地提高球磨机的筒体转速，可以提高设备的生产能力。如果对现有的转速不满，我们可以对传动部件进行重新设计，通过改变球磨机的传动比，是球磨机在其临界转速范围内，尽可能的提高筒体的转速。若是齿轮传动，我们还可以以斜齿轮传动代替直齿轮传动，改进后，能使转速提高，从而使生产能力有明显的提高。

（3）物料的性质

物料的粒度越粗，磨研的生产率越低，所以操作是应该严格控制入料的粒度，实现“多碎少磨”的生产方式。另外，物料的硬度越大，越难磨，生产率也会相应的下降。

（4）填充系数

实践证明球磨机中最适宜的装载程度为达到全部容积的80%--90%，一般装载总量不超过球磨机总容量的4/5时较好。其中球石约占总容积的45%--55%。在此范围之内，球磨机的生产能力较高。

（5）研磨介质

研磨介质在球磨机中同时起着研磨与撞击作用。若以研磨为主，很大程度取决于研磨介质。球磨机内加入的研磨介质愈多，则在单位时间内物料被研磨的次数就愈多，球磨效率愈高。但研磨介质过多会由于占据球磨机的有效空间，反而导致效能的降低。

磨球的外形和质量对研磨效率也有影响。以研磨为主的粉碎，短柱状好；撞击为主的粉碎，球状为好。

（6）操作的条件

首先给料要均匀。给料量过大时，会使磨料粒度变粗，还可能引起“胀肚”现象，此时应停止给料，适当调整。

总结与展望

大学最后的毕业设计阶段已经接近尾声，在这段时期中，我完成了这次毕业设计的任务，设计出了球磨机和附聚机，绘制了总装图和零件图，同时，工作之余还学习了三维软件，绘制了球磨机的三维图。

大学最后的毕业设计阶段已经接近尾声，通过近一个学期的毕业设计，使我对球磨机、附聚机理解已经不仅仅停留在书本认识的成层次上，而是深刻了解了它们的工作原理、结构特征；在做毕业设计过程前，我阅读了各种文献和参考书籍，并翻译了一些外文资料，通过这个过程我接触到了许多关于球磨机、高压容器的更广、更深的课外知识；在做毕业设计中，我重新回顾了所学的专业知识，通过这个过程丰富了我在大学的知识体系。做毕业设计是把知识由理论到实践的过程，这个过程是我所学的知识有了质的飞跃；在毕业设计总结阶段，我又把在实践过程中所学的知识和理论知识进行比较，使我对知识的认识

更上一层楼。

当然，在做毕业设计中我也深深的感受到自己众方面的不足，学习的知识不牢固，仍有很多东西需要巩固，需要积累经验。通过大学四年的学习使我懂得今后要想更好地适应社会，只有通过自己不断的学习，进步。