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                        超微細研磨分散機設計研發

                        添加時間:2019/02/27 來源:哈爾濱理工大學 作者:石雷
                        本文研制了一種超微細研磨分散機,它具有分散機、研磨機、均質機、剪切機的功能,效率是膠體磨、高速剪切機、均質機等設備的 2~5 倍,效率高、散熱性好、節約能耗、操作方便、可實現連續生產。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          隨著科技的不斷發展超微研磨分散技術應用領域越來越普遍,對研磨分散過程的深入研究已經顯得越來越重要,F有設備中多數研磨機和分散機是具有獨立功能的兩種設備,研磨后的物料還需經過另一道工序進行分散,這嚴重影響了設備的工作效率。而且對不同粘度的物料在研磨分散過程中流量變化范圍大,靜、動研磨體與研磨物料過程中產生較大的熱量,散熱性能較差等問題。

                          本文研制了一種超微細研磨分散機,它具有分散機、研磨機、均質機、剪切機的功能,效率是膠體磨、高速剪切機、均質機等設備的 2~5 倍,效率高、散熱性好、節約能耗、操作方便、可實現連續生產。以超微細研磨分散機為研究對象主要進行了結構設計、模態分析、流場分析等研究,具體工作如下:

                          首先,對膠體磨、高剪切分散機工作原理進行分析,完成對超微細研磨分散機整機設計,并確定了工作轉速、研磨體、分散體及轉子和定子之間的間隙等關鍵參數。

                          其次,由于超微細研磨分散機屬于高速旋轉機械,其動力學研究是非常重要的。運用 ANSYS 軟件對機體、轉子的有限元建模及仿真分析,得到了機體、轉子的固有頻率、振型等相關參數。同時為進一步結構優化提供了理論依據和分析基礎。

                          再次,通過 Solidworks 軟件進行三維建模,用 ANSYS FLUENT 軟件對分散盤、冷卻腔進行了流場分析、流場熱力學分析,得出了粉碎腔中的壓力場、速度矢量、剪切應力和剪切率場的分布情況,對分散盤偏角、轉速的流場情況進行了對比分析, 得到了 β 為 45°為本設備最優角度和冷卻腔的最優方案,設備加工精度滿足條件下轉速越高越好。

                          此外,還對研制的超微細研磨分散機進行了實驗研究,結果表明,超微細研磨分散機研磨效果達到了預期要求,分散效果略低于預期的要求,分散有待提高。

                          最后,對機體、螺紋筒、主軸、分散盤進行結構優化設計。

                          本文為超微細研磨分散機的研發設計提供了新的思路和理論依據。

                          關鍵詞:超微細研磨分散機;摸態分析;流場分析;旋轉機械

                        Abstract

                          With the continuous development of science and technology, the application field of ultra-fine grinding and dispersing technology is becoming more and more common. The deep research of grinding and dispersion process has become more and more important. Most grinders and dispersers in the existing equipment are two kinds of equipment with independent functions. The ground material needs to be dispersed through another process, which seriously affects the working efficiency of the equipment. But also for the different viscosity of the material in the process of grinding and dispersion flow changes in a wide range of static and dynamic grinding and grinding materials in the process of generating greater heat, poor heat dissipation and other issues. This paper developed an ultra-fine grinding dispersing machine,which has a disperser, grinder, homogenizer, shearing machine function, the efficiency of colloid mill, high-speed shearing machine, homogenizer and other equipment 2 to 5 times, Save energy consumption, easy to operate, can achieve continuous production. The main work of this dissertation is structural design, modal analysis, fluid analysis and fluid thermodynamic analysis. The main work is as follows:

                          Firstly, the working principle of colloid mill and high shear disperser is analyzed, and the complete machine design of the ultra-fine grinding and dispersing machine is completed. The key parameters such as working speed, grinding body,dispersion and the gap between rotor and stator are determined.

                          Secondly, since the ultra-fine grinding disperser is a high speed rotary machine,its kinetic study is very important. And using ANSYS software to the body, the rotor finite element modeling and simulation analysis, the body, the rotor's natural frequency, vibration mode and other related parameters. At the same time, it provides basis and analysis basis for further structural optimization.

                          Thirdly, 3D modeling was done by Solidworks software. Flow field analysis andflow field thermodynamic analysis were carried out on the dispersing disc and cooling chamber with ANSYS FLUENT software. The pressure field, velocity vector,shear stress and shear in pulverizing chamber The distribution of the rate field, the divergence angle of the disk, the speed of the flow field were compared and analyzed,the β was 45 ° for the optimal angle of the device and the best solution for the cooling chamber, equipment processing accuracy to meet the conditions of the higher speed the better.

                          In addition, the ultra-fine grinding and dispersing machine was also studied experimentally, the results show that ultra-fine grinding and dispersing machine grinding and dispersing effect is better than the grinding and dispersing machine, grinding body grinding out of the particle range is not concentrated, vibration larger, and turn Large tooth wear, reliability needs to be improved.

                          Finally, the structure of the body, threaded cylinder, spindle, dispersion plate of structural optimization design.

                          This article provides a new idea and theoretical basis for the research and development of ultra-fine grinding and dispersing machine.

                          Keywords ultra-fine grinding and dispersing machine, modal analysis, Flow field analysis, Rotating machinery

                          隨著科技的不斷發展,超微研磨分散技術應用領域越來越普遍,研磨分散過程的深入研究已經顯得越來越重要。而且現有設備中多數研磨機和分散機是具有獨立功能的兩臺設備,研磨后的物料還需經過另一道工序進行分散,這嚴重影響了設備的工作效率。本論文研制出一種具有研磨和分散兩種功能于一體的機器。這樣的組合既具有膠體磨的研磨功能,又有分散機的剪切分散功能,研磨功能可以將物料由粗磨細,研磨后的物料經過下端的分散盤將物料進行分散剪切。超微細研磨分散機也是一種研磨分散膠體或近似膠體顆粒物料的超微粉碎設備[1]。

                          超微細研磨分散機普遍使用在化學、中成藥、建筑、橡膠、紡織、造紙、化妝品、納米材料等行業。它具有分散機、研磨機、均質機、剪切機的性能,效率是膠體磨、均質機、剪切機等設備的 2~5 倍,節約能耗、操作方便,可實現連續生產,推廣應用超微細研磨分散機有著深遠的經濟意義。作為生產加工中重要的研磨分散設備,超微細研磨分散機具有:研磨顆粒小、分散均勻、應用范圍廣、功能多、較大的社會效益和經濟效益等眾多優點。

                          同時,現有設備也存在著一些顯著的缺點:1、不同粘度的物料在研磨分散過程中流量變化范圍大,轉、定子與物料間容易產生較大的熱量,物料溫度過高會使物料產生化學反應,且使易于揮發的物料揮發使物料變性;2、研磨體、分散盤在研磨分散時金屬表面較易磨損,使細化效果顯著下降;3、研磨顆粒較大;4、分散不均勻;5、拆裝不便;6、流量變化很大。所以,為提高產品質量,對超微細研磨分散機的原理進一步研究,對其結構進一步改進是非常重要且必要的。以微細顆粒研磨分散為背景,研制一種超微細研磨分散機,為微細顆粒的研磨和分散提供一種先進手段。

                          目前的研磨分散設備中膠體磨、高速剪切機、均質機等最具有代表性。膠體磨是在引進德國最先進技術的基礎上,進行改進和創新的第二代濕法及超微細加工的先進機械設備。膠體磨在國內公司生產的多種產品和國外先進公司的產品相比較差距仍很大,主要是產品的研磨性能和加工工藝的技術方面需要繼續改善,以盡快達到世界上超微細設備的高端水平[3]。膠體磨主要應用于食品、制藥、化工等行業。

                          高速剪切機也稱為高剪切分散機,最近幾年發展起來的,高剪切分散機剪切和分散效率較高[4]。高速剪切機的前身是德國 Fluko 公司發明的剪切分散乳化設備,現在產出很多系列產品,德國 Fluko 公司也一直處于剪切機械行業的領先地位[5]。日本、美國和德國在研究和開發剪切均質機方面都取得了大量的科研成果。它們在剪切、均質等高科技產品中一直處于世界領先地位,如德國 IKA集團生產的剪切乳化機系列。我國引進國外先進技術,在此基礎上進行研發創新,最具有代表性的是上海依肯機械設備有限公司生產的 EDL2000 系列高剪切分散乳化機代表國內先進水平。分散機的類型依照攪拌器的不同,分為強力分散機、高速分散機、單軸分散機、實驗室分散機等。這種形式的剪切分散機具有集分散、乳化、混合、粉碎和溶解等功能于一體的特點,剪切粉碎機因此產生[6,7]。

                          高速剪切分散機主要應用在化工、中成藥、涂料、塑料、紡織、造紙、煤炭浮選劑、納米材料等行業中,還常用于研發新產品的分散實驗,及對要求細度高的化學、醫藥、化妝品、納米材料的工業生產,是一種功能多、運用范圍廣的混合機器。目前在中國食品加工中,高速分散技術的認識度欠缺,無法得到普遍的推廣,主要原因分為兩個:一是此種設備種類單一,對不同的物料需要設計不同研磨分散裝置和系統;二是國內高?萍佳芯空邔Ω咚偾懈罘鬯榧夹g及設備的研究不足,認識較不夠[8,9]。

                           超微細研磨分散機設計:

                        臥式膠體磨和立式膠體磨
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                        分體式膠體磨及封閉式膠體磨
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                        高速剪切分散機
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                        研磨體
                        研磨體

                        轉子及定子
                        轉子及定子

                        超微細研磨分散機樣機
                        超微細研磨分散機樣機

                        動研磨體
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                        一級動研磨體
                        一級動研磨體

                        分散盤加工圖
                        分散盤加工圖

                        目 錄

                          摘 要
                          ABSTRACT
                          第 1 章 緒論
                            1.1 課題來源以及研究的目的和意義
                              1.1.1 課題來源
                              1.1.2 研究的目的和意義
                            1.2 超微細研磨分散機國內外研究現狀及分析
                              1.2.1 超微細研磨分散機的起源及研究現狀
                              1.2.2 超微細研磨分散機的發展趨勢
                            1.3 課題主題要研究內容
                          第 2 章 研磨分散機的結構設計及關鍵技術研究
                            2.1 對研磨、分散設備的工作原理研究
                              2.1.1 膠體磨的工作原理
                              2.1.2 高剪切分散機工作原理
                            2.2 超微細研磨分散機的結構設計
                              2.2.1 超微細研磨分散機的原理
                              2.2.2 超微細研磨分散機的結構設計
                              2.2.3 超微細研磨分散機關鍵結構設計
                            2.3 超微細研磨分散機關鍵參數的確定
                              2.3.1 轉速
                              2.3.2 間隙
                            2.4 本章小結
                          第 3 章 超微細研磨分散機模態分析
                            3.1 引言
                            3.2 超微細研磨分散機的模態分析理論
                            3.3 超微細研磨分散機的仿真模型
                              3.3.1 建立機體、轉子模型
                              3.3.2 簡化轉子軸承支承
                              3.3.3 機體、轉子的材料屬性
                              3.3.4 機體、轉子的單元選擇和網格劃分
                            3.4 機體、轉子的模態分析結果
                              3.4.1 機體的分析結果
                              3.4.2 轉子的分析結果
                            3.5 本章小結
                          第 4 章 超微細研磨分散機流場對比研究
                            4.1 FLUENT 基本理論
                            4.2 超微細研磨分散機流場分析
                              4.2.1 研磨分散三維模型創建及網格的劃分
                              4.2.1 計算收斂性檢驗
                            4.3 分散盤偏角對流場的影響分析
                              4.3.1 偏角、轉速對壓力的影響分析
                              4.3.2 偏角、轉速對速度的影響分析
                              4.3.3 剪切應力場及剪切應變率場仿真分析
                            4.4 超微細研磨分散機流體熱力學對比仿真分析
                              4.4.1 冷卻腔方案制定和網格的劃分
                              4.4.2 冷卻腔簡化模型的仿真和結果分析
                            4.5 本章小結
                          第 5 章 超微細研磨分散機的實驗研究及結構優化
                            5.1 本章小結
                              5.1.1 實驗物料和實驗設備
                              5.1.2 實驗步驟
                              5.1.3 實驗結果分析
                            5.2 超微細研磨分散機的結構優化
                            5.3 本章小結
                          總結與展望
                          參考文獻
                          攻讀碩士學位期間的學術成果
                          致謝

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