CN107159399A - 一种多机驱动自同步自平衡式振动球磨机及参数确定方法 - Google Patents
一种多机驱动自同步自平衡式振动球磨机及参数确定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于粉磨装置，一种多机驱动自同步自平衡式振动球磨机，结合了球磨机和振动磨机的特点。采用筒体中心与动力主轴偏心的结构，将筒体自身作为激振器，实现高频振动，粉磨能量大，同时拥有多个筒体，工作效率高，达到稳定自平衡同步运转，每个偏心筒体回转实现自身圆周运动，多个偏心的筒体实现自同步运转，当多个一样的偏心筒体圆周均布于振动系统的质心周边时，由于他们的相位差稳定在Pi/n(n表示偏心筒体的个数)处，导致各个偏心筒体产生的激振力相互抵消，导致振动机体不振动，以此达到振动机体对基础的激励为0，既能实现每个偏心筒体实现高速圆周运动，又能保证对基础的振动激励的矢量合力为零，从而满足国家规定的振动噪声环保要求。
Description
技术领域
本发明属于粉磨装置，一种多机驱动自同步自平衡式振动球磨机及参数确定方法。
背景技术
球磨机：振动球磨细碎等作业广泛应用于选矿、建筑、化学和制药等行业中。如在选矿工业中，当有用矿物在矿石中呈细粒分布时，为了能把矿石中的脉石分出，并把各种有用矿物相互分开，必须将矿石磨细至0.3～0.1毫米，而有时磨至0.05～0.07毫米以下。磨矿细度与选矿指标有着密切的关系，在一定程度上，金属回收率随着磨矿细度减小而增加。因而适当减小矿石的磨碎细度能提高金属的回收率和产量。磨矿所消耗的动力占选矿厂动力总消耗的30％以上。因此，磨矿作业在选矿的工艺流程中占据很重要的地位。
磨矿是在球磨机中进行的。圆筒型磨矿机有一个空心圆筒1，圆筒两端是带有端盖2和3的空心轴颈4和5，轴颈支撑在轴承上。圆筒内装有各种直径的破碎介质(钢球、钢棒和砾石等)。当圆筒绕水平轴线按规定转速回转时，装置在筒内的破碎介质和矿石在离心力和摩擦力的作用下，随着筒壁上升到一定高度，然后脱离筒壁自由落下或滚下。矿石的磨碎主要是靠破碎介质落下时的冲击力和运动时的磨削作用。矿石是从圆筒一段的空心轴颈不断给入，而磨碎以后的产品经圆筒另一端的空心轴颈不断的排除，筒内矿石的移动是利用不断给入矿石的压力来实现。湿磨时，矿石被水流带走，干磨时，矿石被向筒外抽的气流带出。
普通球磨机重量高，破碎能量低，成品粒度大，占地大，结构复杂。
发明内容
本发明克服现有技术存在的问题，提供一种非共振条件下多机驱动自同步自平衡式振动球磨机，采用筒体中心与动力主轴偏心的结构，将筒体自身作为激振器，实现高频振动，粉磨能量大，同时拥有多个筒体，工作效率高，达到稳定自平衡同步运转。当同步稳定运转时，每个偏心筒体回转实现自身圆周运动，同时多个偏心的筒体实现自同步运转，这样当多个一样的偏心筒体圆周均布于振动系统的质心周边时，由于他们的相位差稳定在Pi/n(n表示偏心筒体的个数)处，从而导致各个偏心筒体产生的激振力相互抵消，导致振动机体不振动，以此达到振动机体对基础的激励为0，噪声低，满足国家环保要求。总之，本发明的机构和原理既能实现每个偏心筒体实现高速圆周运动，又能保证对基础的振动激励的矢量合力为零，从而满足国家规定的振动噪声环保要求。
本发明的技术方案为：
一种多机驱动自同步自平衡式振动球磨机，包括料筒、法兰A、法兰B、转轴A、转轴B、上箱体、中箱体、带座轴承、隔振弹簧、下箱体、液压缸、端盖、筒体、挠性联轴器、电机、主轴、衬板、螺旋叶片、筛网和底座；上、中、下箱体固定连接，底座固定在地面上，下箱体通过隔振弹簧支撑在底座上部的液压缸上，带座轴承固定在箱体内部，三个以上的筒体分别与带座轴承通过转轴与轴承配合连接，筒体圆周均布于参振质量中心，筒体内的偏心轴偏心距4～20mm，偏心轴与筒体固定连接；端盖与筒体一端固定连接，筒体内壁设置衬板，筒体端盖侧依次设置螺旋叶片和筛网与筒体固定连接，筒体外壁设置入料口；电机与筒体的主轴通过挠性联轴器连接；挠性联轴器与带座轴承通过轴与轴承的配合连接。
本发明的有益效果为，1)多个筒体同步工作，产量高；2)高频激振下工作，振幅大；3)电机正转破碎研磨，反转时液压缸顶起，筒体倾斜出料，操作简单，便于实现自动化生产；4)使用规定的电机旋向，实现自同步自平衡，对基体激励为0，满足国家规定的振动噪声环保要求。
附图说明
图1为传统球磨机示意图；
图2为结构图；
图3为图3俯视图；
图4为图3左视图；
图5为n机动力学模型；
图6为4机方案1原理图；
图7为4机方案2原理图；
图8为4机方案3原理图；
图9为3机原理图；
图10为k机原理图；
图中：1料筒；2法兰A；3法兰B；4转轴A；5转轴B；6上箱体；7中箱体；8带座轴承；9隔振弹簧；10下箱体；11液压缸；12端盖；13筒体；14螺钉；15挠性联轴器；16电机；17主轴；18衬板；19入料口；20螺旋叶片；21筛网；22底座。
具体实施方式
一种多机驱动自同步自平衡式振动球磨机，包括料筒1、法兰A2、法兰B3、转轴A4、转轴B5、上箱体6、中箱体7、带座轴承8、隔振弹簧9、下箱体10、液压缸11、端盖12、筒体13、挠性联轴器15、电机16、主轴17、衬板18、螺旋叶片20、筛网21和底座22；上、中、下箱体固定连接，底座固定在地面上，下箱体通过隔振弹簧支撑在底座上部的液压缸上，带座轴承固定在箱体内部，三个以上的筒体分别与带座轴承通过转轴与轴承配合连接，筒体圆周均布于参振质量中心，筒体直径200mm(可根据实际工程需求可调整)，筒体内的偏心轴偏心距4～20mm(可调整)，偏心轴与筒体固定连接；端盖与筒体一端固定连接，筒体内壁设置衬板，筒体端盖侧依次设置螺旋叶片和筛网与筒体固定连接，筒体外壁设置入料口19；电机与筒体的主轴通过挠性联轴器连接；挠性联轴器与带座轴承通过轴与轴承的配合连接。
此发明对3机以上均可实现，以n机为例说明原理：
步骤1：建立动力学模型和运动微分方程：
所考虑的系统的动力学模型如图2所示，n个偏心转子安装在刚性框架上，并且分别由n个感应电机驱动，其中q顺时针旋转和p逆时针旋转。刚性框架的运动假定为平面运动，框架固定框架，其原点为刚性框架的质心的平衡点。平面运动坐标由x，y表示，绕其质心摆动以ψ(ψ<<1)表示。每个偏心转子绕自身回转轴旋转,以表示，βi表示偏心转子中心与系统质心o点连线和x轴的夹角，坐标系xoy中x轴为水平方向，坐标系x’o’y’中，x’轴随系统平动，x’轴与x轴的夹角为ψ，当装置静止时，ψ为0度。
令(h＝p+q)为广义坐标,利用拉格朗日方程,得到系统运动微分方程为
其中，J0i＝mir2,i＝1,2,…,h.
m是刚架质量；Jm为刚性框架转动惯量，mi是偏心转子i的质量,l0是偏心转子i回转中心oi与刚架质心间的距离；kx,ky和kψ是系统对应方向的刚度，fx fy,fψ是x，y，ψ方向的阻尼系数，fi是电机转子i的阻尼系数，le是振动系统关于刚架质心的当量回转半径，Tei是电机i的电磁转矩，J0i是偏心转子i的转动惯量。假定多个偏心转子的偏心半径相同,即r1＝r2＝…＝rh＝r。电动机转子的转动惯量很小且可以忽略。和分别表示d·/dt和d2·/dt2。
步骤2：推导系统实现同步的同步性与稳定性条件
由于振动系统的周期性振动,导致的多个偏心转子的平均角速度的周期变化。如果多个偏心转子周期的最小公倍数为T0,那么经过T0时间内，多个偏心转子的平均角速度的平均值必然是个定值，即
我们设定如下：
这里，和分别(注意和功能是时间t)是关于ωm0和瞬时变化系数。
基于公式(3)，有
这里，Fi(α1,α2,…,αh-1)是α1,α2,…,αh-1的线性函数,并且是的线性函数。εi在式(4)表示偏心转子i的无量纲角速度扰动参数，即
我们定义m1作为标准转子m0,也就是,m1＝m0,并且mi＝ηim0(0<ηi≤1,i＝1,2，…,h,η1＝1).在小阻尼振动系统非共振的前提下,稳态时式(1)的前三个公式中的可忽略。系统在x-y-和ψ-方向的响应为
这里，
感应电机角速度在ωm0处稳定运行的电磁转矩表示为这里Te0i和分别是角速度为ωm0的感应电机的有效电磁输出转矩和角速度刚度系数。经过无量纲化处理后，我们得到系统实现同步的频率俘获方程为：
这里
系统实现同步的同步性条件为：
系统角速度的稳定性条件为：
a′ij>0,det(A′2)>0,det(A′3)>0,…,det(A′)>0, (8)
这里,A′＝(a′ij)h×h和B′＝(b′ij)h×h代表了矩阵A和B行列式，
此外,要想保证系统的稳定性，除了速度的稳定性外，还需考虑系统多个偏心转子相位差的稳定性。
在式(6)中，在处线性化u＝0，并且考虑到得到
这里(·)0表示和的值。
重新整理式(9)，得到
在公式Δα＝vexp(λt)中，得到行列式方程det(D-λI)＝0,并且使用Routh-Hurwitz判据,如果广义系统的特征值λ都具有负实部，则相位差的解是稳定的。只有系统多个偏心转子的速度和他们的相位差都稳定，才能保证整个振动系统的稳定性。
根据筒体数量，可分为两种情况：
当四筒时，四个筒圆周均布于参振体的质心周边，并且有三种运转方案；当3筒和5筒及以上数量时，筒圆周均布于参振体质心周边，并且只有一种运转方案。必须要强调的是：无论哪种方案，都必须圆周均布于参振质体的质心周边。
Claims (2)
1.一种多机驱动自同步自平衡式振动球磨机，其特征在于，包括料筒、法兰A、法兰B、转轴A、转轴B、上箱体、中箱体、带座轴承、隔振弹簧、下箱体、液压缸、端盖、筒体、挠性联轴器、电机、主轴、衬板、螺旋叶片、筛网和底座；上、中、下箱体固定连接，底座固定在地面上，下箱体通过隔振弹簧支撑在底座上部的液压缸上，带座轴承固定在箱体内部，三个以上的筒体分别与带座轴承通过转轴与轴承配合连接，筒体圆周均布于参振质量中心，筒体内的偏心轴偏心距4～20mm，偏心轴与筒体固定连接；端盖与筒体一端固定连接，筒体内壁设置衬板，筒体端盖侧依次设置螺旋叶片和筛网与筒体固定连接，筒体外壁设置入料口；电机与筒体的主轴通过挠性联轴器连接；挠性联轴器与带座轴承通过轴与轴承的配合连接。
2.权利要求1所述的一种多机驱动自同步自平衡式振动球磨机的参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立系统动力学模型和运动微分方程：
三个及多个偏心转子安装在刚性框架上，每个偏心转子分别由一个感应电机驱动，其中q顺时针旋转和p逆时针旋转；刚性框架通过软弹簧与基础连接，刚性框架的运动为平面运动，带偏心转子的框架的质心为整个振动系统的平衡点；平面运动水平方向和竖直方向坐标分别由x，y表示，系统绕其质心o摆动以ψ(ψ<<1)表示；每个偏心转子绕自身回转轴旋转,用p+1,…,p+q表示，βi表示偏心转子回转中心与o点连线和x轴的夹角，固定坐标系xoy中x轴水平方向，坐标系x’o’y’中，x’轴随装置平动，x’轴与x轴的夹角为ψ，当系统静止时，ψ为0度；
令x,y,ψ,(h＝p+q)为广义坐标,利用拉格朗日方程,得到系统的运动微分方程如下：
其中，
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</mrow>
m是刚性框架(简称刚架)质量；Jm表示刚架关于其质心的转动惯量，mi是偏心转子i的质量,l0是偏心转子i回转中心oi到刚架质心之间的距离；kx,ky和kψ为对应坐标方向的刚度，fxfy,fψ是x、y、ψ方向的阻尼系数，fi是电机转子i的阻尼系数，le是振动系统关于刚架中心的等效回转半径，Tei是电机i的电磁输出转矩，J0i是偏心转子i的转动惯量；多个偏心转子的偏心半径ri是一样的,即r1＝r2＝…＝rh＝r；电动机的转子的转动惯量由于很小且可以忽略；和分别表示d·/dt和d2·/dt2；
步骤2：推导系统实现同步的同步性条件与稳定性条件
由于振动系统的周期性振动,导致偏心转子的平均角速度的周期性变化；如果多个偏心转子周期的最小公倍数是T0,经过T0时间内，平均角速度平均值一定是个定值，即
这里和分别是关于ωm0和的瞬时变化系数；
根据公式(3)，有
Fi(α1,α2,…,αh-1)是α1,α2,…,αh-1的线性函数,且是的线性函数，
定义标准偏心转子为m0,m1＝m0,并且mi＝ηim0(0<ηi≤1,i＝1,2，…,h,η1＝1).系统在x-y-和ψ-方向的响应为：
这里
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感应电机角速度稳定运行在ωm0时，其电磁输出转矩表示为Te0i和分别是角速度为ωm0时感应电机的输出转矩和角速度刚度系数；
将式(5)代入式(1)的感应电机运动微分方程中，经过无量纲化处理后得到系统的频率俘获方程如下：
<mrow>
<mi>A</mi>
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由式(6)可得到系统多个偏心转子角速度扰动参数的稳定性判据为：
a′ij>0,det(A′2)>0,det(A′3)>0,…,det(A′)>0, (8)
这里,A′＝(a′ij)h×h和B′＝(b′ij)h×h表示矩阵A和B的特征值，
由如下得到:
在式(6)中，在和处线性化公式u＝0，并且考虑到得到
(·)0表示和的值；
重新整理式(9),得到
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公式Δα＝vexp(λt)中，解行列式方程det(D-λI)＝0,并且使用Routh-Hurwitz判据,如果关于系统特征值λ的值都具有负实部，则系统中多个偏心转子的相位差解是稳定的。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201710437303.3A CN107159399A (zh) | 2017-06-12 | 2017-06-12 | 一种多机驱动自同步自平衡式振动球磨机及参数确定方法 |
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- 2017-06-12 CN CN201710437303.3A patent/CN107159399A/zh not_active Withdrawn
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