球磨機(jī)沖擊物料過(guò)程的特性研究與分析

球磨機(jī)簡(jiǎn)介

球磨機(jī)在物料粉碎加工中占有重要的地位，廣泛應(yīng)用于水泥、選礦和冶金等基礎(chǔ)行業(yè)中。球磨機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，磨球由離心力、慣性力等被帶到一定高度后，以自身重力拋落產(chǎn)生沖擊作用而粉碎物料。磨球沖擊過(guò)程物料不斷損傷和斷裂，形成新的表面能。磨球沖擊作用對(duì)粉碎物料十分重要。目前沖擊碰撞現(xiàn)象已被廣泛研究，如對(duì)復(fù)合材料低速?zèng)_擊受到較多注意，使復(fù)合材料快速發(fā)展，球磨機(jī)磨球沖擊過(guò)程與其相似。但由于物料的存在，球磨機(jī)磨球沖擊物料過(guò)程比較復(fù)雜，目前對(duì)沖擊物料過(guò)程進(jìn)行特性研究仍較少。

我們通過(guò)相似原理、Hertz理論及能量守恒理論，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單沖擊試驗(yàn)裝置，模擬沖擊粉碎物料過(guò)程，能更真實(shí)地估算沖擊力和沖擊應(yīng)力大小，可對(duì)沖擊物料過(guò)程提供一定的理論依據(jù)，為提高粉磨系統(tǒng)中球磨機(jī)產(chǎn)量、效果及節(jié)能降耗提供相關(guān)支持。

理論計(jì)算與分析

利用相似原理和相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，將球磨機(jī)磨球沖擊物料過(guò)程簡(jiǎn)化為落錘做自由下落運(yùn)動(dòng)沖擊物料，料層近似認(rèn)為靜止不動(dòng)的平面。

假設(shè)沖擊料層材料為水泥熟料，其彈性模量、泊松比和屈服強(qiáng)度分別為20GPa、0.2和4.5MPa；鋼球直徑為34mm，其彈性模量、泊松比分別為210GPa和0.3。已知鋼球沖擊物料的勢(shì)能為0.43J，根據(jù)公式計(jì)算可知，實(shí)際鋼球沖擊物料的速度（2.32m/s）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)生塑性形變的臨界速度（0.0002m/s），所以鋼球沖擊物料必然發(fā)生彈塑性形變。

如果不考慮水泥料層的彈塑性特性，鋼球沖擊料層的理論沖擊力5860N，考慮水泥料層彈塑性特性，鋼球沖擊料層的理論沖擊力122N，僅為完全彈性理論沖擊力的2%。

具體分析鋼球沖擊物料的沖擊力與鋼球沖擊勢(shì)能的關(guān)系可以看出，完全彈性時(shí)，沖擊力隨鋼球勢(shì)能的增加急劇增加，彈塑性時(shí)，沖擊力的增加則平緩很多，說(shuō)明隨著鋼球勢(shì)能的增加，接觸面上的塑性區(qū)域范圍越來(lái)越大，相應(yīng)的沖擊力增加量則受到塑性應(yīng)力的限制。沖擊力大小還受鋼球直徑的影響，沖擊力隨鋼球直徑的增加而緩慢增加。

產(chǎn)生完全彈性時(shí)，沖擊應(yīng)力隨鋼球直徑的增加急劇減小，而產(chǎn)生彈塑性時(shí)，改變鋼球直徑，沖擊應(yīng)力變化甚微。我們認(rèn)為，沖擊應(yīng)力與鋼球的大小無(wú)關(guān)，只與鋼球沖擊高度有關(guān)，即沖擊應(yīng)力隨著沖擊高度（沖擊勢(shì)能）的增加而增加。

試驗(yàn)及分析

試驗(yàn)原料是粒度為0.55~0.6mm、密度為3.128g/cm3的水泥熟料。試驗(yàn)方法如下：

1、為獲得鋼球?qū)λ嗍炝蠜_擊過(guò)程的沖擊力，將力傳感器固定于料筒和工作平臺(tái)之間，用電磁鐵吸住鋼球，斷電，鋼球自由下落沖擊水泥熟料。力傳感器將獲得的沖擊信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理和電腦分析后，可得到?jīng)_擊力隨時(shí)間的變化曲線，取其較大值，每次重復(fù)試驗(yàn)15次，求其平均值。

2、為反映沖擊勢(shì)能與粉磨效果的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)電磁鐵吸住錘頭，斷電，錘頭自由下落，調(diào)整不同的沖擊高度和沖擊次數(shù)來(lái)沖擊水泥熟料。試驗(yàn)條件如表3所列，錘頭質(zhì)量相同（967g），采用成品率（190目篩下量）和比表面積來(lái)反映粉磨效果。

結(jié)果分析

彈塑性沖擊力122N，實(shí)際測(cè)試值為108N，試驗(yàn)值與理論值誤差為10%左右。考慮彈塑性理論值比完全彈性理論值更接近實(shí)際值，因而彈塑性理論計(jì)算公式更適用于物料沖擊粉碎過(guò)程，可估算沖擊力及沖擊應(yīng)力大小。

等沖擊勢(shì)能作用下，沖擊力隨著鋼球直徑的增加而增加。相同的鋼球直徑，沖擊力隨著鋼球勢(shì)能的增加而增加，沖擊勢(shì)能與鋼球直徑均對(duì)沖擊力大小有影響。結(jié)合前文的理論分析認(rèn)為，沖擊勢(shì)能與沖擊力不呈正比關(guān)系。專(zhuān)家提出的沖擊力與其沖擊勢(shì)能成正比的假設(shè)與其相悖，則有關(guān)行星式球磨機(jī)的節(jié)能分析還有待于進(jìn)一步研究證實(shí)。

相同直徑的鋼球，隨著總沖擊勢(shì)能的增加，成品率和比表面積隨之增大，即粉磨效果隨總沖擊勢(shì)能的增加而提高。不管是改變鋼球沖擊高度還是球徑大小，只要保持總沖擊勢(shì)能相等，成品率和比表面積的數(shù)值都十分接近，誤差不到10%，這可能是由試驗(yàn)誤差造成的。因此我們認(rèn)為，勢(shì)能相等時(shí)，鋼球直徑對(duì)沖擊粉磨效果的影響可不計(jì)，即沖擊勢(shì)能相等，粉磨效果相同，新的粉碎表面積正比于顆粒變細(xì)過(guò)程中所消耗的能量。沖擊勢(shì)能相等，粉磨效果相同，對(duì)動(dòng)能相似的行星磨和球磨機(jī)，就單個(gè)磨筒分析，等勢(shì)能作用下，即粉磨效果相同的球磨機(jī)直徑是行星因子的行星磨直徑的數(shù)倍，可為行星磨的節(jié)能機(jī)理研究提供相關(guān)理論支持。

以上主要根據(jù)相似理論、能量守恒理論、Hertz理論及鋼球沖擊試驗(yàn)，對(duì)球磨機(jī)磨球沖擊物料過(guò)程特性進(jìn)行了分析，得出結(jié)論。沖擊粉碎物料是彈塑性形變過(guò)程，沖擊力受沖擊勢(shì)能與球徑影響，沖擊力隨其增加而增加，沖擊力與沖擊勢(shì)能并不呈正比關(guān)系。單一鋼球（Ф10~30mm）沖擊作用，等沖擊勢(shì)能時(shí)，球徑對(duì)沖擊應(yīng)力影響甚小，沖擊應(yīng)力主要受沖擊勢(shì)能的影響，隨沖擊勢(shì)能的增加而增加。單一鋼球循環(huán)沖擊物料，等沖擊勢(shì)能作用下，無(wú)論改變鋼球直徑和沖擊高度（沖擊應(yīng)力），粉磨效果都十分接近。等沖擊勢(shì)能作用下，必有相同沖擊粉磨效果，為動(dòng)能相似的球磨機(jī)和行星磨的節(jié)能對(duì)比提供相關(guān)依據(jù)；勢(shì)能相同，粉磨效果相同的球磨機(jī)直徑是行星因子為z的行星磨直徑的倍。