球磨機沖擊物料過程的特性研究與分析

球磨機簡介

球磨機在物料粉碎加工中占有重要的地位，廣泛應用于水泥、選礦和冶金等基礎行業(yè)中。球磨機正常運轉時，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。磨球沖擊過程物料不斷損傷和斷裂，形成新的表面能。磨球沖擊作用對粉碎物料十分重要。目前沖擊碰撞現(xiàn)象已被廣泛研究，如對復合材料低速沖擊受到較多注意，使復合材料快速發(fā)展，球磨機磨球沖擊過程與其相似。但由于物料的存在，球磨機磨球沖擊物料過程比較復雜，目前對沖擊物料過程進行特性研究仍較少。

我們通過相似原理、Hertz理論及能量守恒理論，設計了簡單沖擊試驗裝置，模擬沖擊粉碎物料過程，能更真實地估算沖擊力和沖擊應力大小，可對沖擊物料過程提供一定的理論依據(jù)，為提高粉磨系統(tǒng)中球磨機產(chǎn)量、效果及節(jié)能降耗提供相關支持。

理論計算與分析

利用相似原理和相對運動原理，將球磨機磨球沖擊物料過程簡化為落錘做自由下落運動沖擊物料，料層近似認為靜止不動的平面。

假設沖擊料層材料為水泥熟料，其彈性模量、泊松比和屈服強度分別為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能為0.43J，根據(jù)公式計算可知，實際鋼球沖擊物料的速度（2.32m/s）遠遠大于發(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能的關系可以看出，完全彈性時，沖擊力隨鋼球勢能的增加急劇增加，彈塑性時，沖擊力的增加則平緩很多，說明隨著鋼球勢能的增加，接觸面上的塑性區(qū)域范圍越來越大，相應的沖擊力增加量則受到塑性應力的限制。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，沖擊應力隨鋼球直徑的增加急劇減小，而產(chǎn)生彈塑性時，改變鋼球直徑，沖擊應力變化甚微。我們認為，沖擊應力與鋼球的大小無關，只與鋼球沖擊高度有關，即沖擊應力隨著沖擊高度（沖擊勢能）的增加而增加。

試驗及分析

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

1、為獲得鋼球對水泥熟料沖擊過程的沖擊力，將力傳感器固定于料筒和工作平臺之間，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)_擊力隨時間的變化曲線，取其較大值，每次重復試驗15次，求其平均值。

2、為反映沖擊勢能與粉磨效果的變化規(guī)律，設計電磁鐵吸住錘頭，斷電，錘頭自由下落，調整不同的沖擊高度和沖擊次數(shù)來沖擊水泥熟料。試驗條件如表3所列，錘頭質量相同（967g），采用成品率（190目篩下量）和比表面積來反映粉磨效果。

結果分析

彈塑性沖擊力122N，實際測試值為108N，試驗值與理論值誤差為10%左右?？紤]彈塑性理論值比完全彈性理論值更接近實際值，因而彈塑性理論計算公式更適用于物料沖擊粉碎過程，可估算沖擊力及沖擊應力大小。

等沖擊勢能作用下，沖擊力隨著鋼球直徑的增加而增加。相同的鋼球直徑，沖擊力隨著鋼球勢能的增加而增加，沖擊勢能與鋼球直徑均對沖擊力大小有影響。結合前文的理論分析認為，沖擊勢能與沖擊力不呈正比關系。專家提出的沖擊力與其沖擊勢能成正比的假設與其相悖，則有關行星式球磨機的節(jié)能分析還有待于進一步研究證實。

相同直徑的鋼球，隨著總沖擊勢能的增加，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%，這可能是由試驗誤差造成的。因此我們認為，勢能相等時，鋼球直徑對沖擊粉磨效果的影響可不計，即沖擊勢能相等，粉磨效果相同，新的粉碎表面積正比于顆粒變細過程中所消耗的能量。沖擊勢能相等，粉磨效果相同，對動能相似的行星磨和球磨機，就單個磨筒分析，等勢能作用下，即粉磨效果相同的球磨機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)能機理研究提供相關理論支持。

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，對球磨機磨球沖擊物料過程特性進行了分析，得出結論。沖擊粉碎物料是彈塑性形變過程，沖擊力受沖擊勢能與球徑影響，沖擊力隨其增加而增加，沖擊力與沖擊勢能并不呈正比關系。單一鋼球（Ф10~30mm）沖擊作用，等沖擊勢能時，球徑對沖擊應力影響甚小，沖擊應力主要受沖擊勢能的影響，隨沖擊勢能的增加而增加。單一鋼球循環(huán)沖擊物料，等沖擊勢能作用下，無論改變鋼球直徑和沖擊高度（沖擊應力），粉磨效果都十分接近。等沖擊勢能作用下，必有相同沖擊粉磨效果，為動能相似的球磨機和行星磨的節(jié)能對比提供相關依據(jù)；勢能相同，粉磨效果相同的球磨機直徑是行星因子為z的行星磨直徑的倍。