立式冲击粉碎机的结构及三维设计

前言
目前国内外研制生产的超细粉碎设备种类繁多，其中能用于工业生产的主要有气流磨、高速冲击磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨离心磨和滚筒研磨机等。

根据被研磨物料的性质，产品的质量要求不同，各种设备都有不同的特点。

国外最新研究动向表明，设备的大型化、系列化、自动化、精细化是超细粉碎的发展方向。

鉴于粉碎技术及设备的应用涉及化工、冶金、建材、电子、化工、医药、农业等许多领域的广泛性，以及被粉碎材料种类的多样性，尤其是当代高新技术发展对材料深加工制备提出越来越高的要求；粒度微细化、粒度分布均匀化或颗粒形状特定化、品质高纯化、表面处理功能化等等，必将促使粉碎技术与设备的不断发展。

本设计的主要方面应包括：
(1)粉碎部分包括粉碎盘和齿形衬套。

粉碎盘为销棒式结构，锤体圆周排列，出料粒径小，适用于热敏性与韧性材料的粉碎；齿形衬套为圆弧形，空气极易形成局部高速涡漩流场，使物料产生高速震颤，加剧了物料间的碰撞，有利于更好的粉碎，且高速冲击比静载荷下可以节能；
(2)独特的分级机构可以使物料避免过度粉碎，达到所需粒径时在气流粘滞力的作用下能够及时排出，当物料所受的离心力大于气体粘滞力时说明物料还未粉碎好在重力的作用下返回粉碎室继续粉碎；
(3)给料装置采用螺旋给料机强行送入粉碎室，保证了物料的均匀性；
(4)其传动系统采用带传动，可以缓冲吸振，传动平稳无噪声，且适用于较大距离间两轴的传递，过载时还可以起到保护作用，由电机驱动，经V带传动，将动力源传动到主轴上，带动轴上的粉碎盘和分级轮旋转而工作的。

设计的过程中运用AutoCAD绘制了总的装配图及主要部件的零件图，并对有关零件进行了计算，最后运用SolidWorks软件进行了三维造型设计，并进行了动画制作及运动模拟。

立式冲击式粉碎机的结构与三维设计
1．粉碎机概论
1.1本课题的目的与意义
本课题研究的是立式冲击粉碎机的结构设计，所谓粉碎就是固体物料在外力的作用下，克服了分子间的内聚力，使固体物料外观尺寸由大变小，物料颗粒的比表面积由小变大的过程。

固体物料经过粉碎之后，颗粒由大变小，物料单位质量的表面积不断增加，因此可以提高物理作用及化学反应的速度。

几种不同固体物料的混合，也必须在细粉状态下，才能得到均匀的效果。

粉体原料最重要的质量指标之一是粒度和粒度分布，而粒度和粒度分布决定了分体产品的许多技术性能和实际应用范围。

例如，物料的比表面积、化学反应速率、吸附性、堆积性、补强性、在液相介质中的沉降速度、溶解性光学性能、电性、磁性等，都与应用范围有直接关系。

而诸多产品的应用领域对物料的粒度及粒度分布均有严格的要求[1]。

粉碎是当代飞速发展的经济社会必不可少的一个工业环节，粉体技术被看做是高技术工业最重要的基础技术之一现代工程技术的发展要求呈粉体状态的原料和制品具有细而均匀的粒度和尽可能低的污染程度，颗粒粒度细化后，比表面积增大，可在各种场合，如填料、染料、颜料、医疗、催化剂、磁记忆组件高、级磨料固、体润滑剂、精细陶瓷、化妆品等方面都表现出很好的性能。

在各种金属非金属、化工原料及建筑材料的加工过程中，粉碎作业是抵消作业，要耗费巨大的能量，物料在粉碎过程中，由于产生发热，振动和摩擦等作用，使能源大量消耗。

因而多年来，技术人员一直在研究如何达到节能，高效地完成粉碎的过程。

从理论研究到创新设备(包括改造旧的设备)直至改变生产工艺流程[2]。

1.2国内外粉碎设备的发展现状
近年来，国外对粉碎及分级设备、工艺、微细颗粒粒度测定等方面的研究十分活跃，这是由于国外在复合材料、新型陶瓷、电子材料等许多尖端技术方面迅速发展而决定的在先进的工业化国家，微米级超细粉碎设备已渡过了其发明时期，而进入成熟、配套、完善的阶段。

超细粉碎分级设备的性能大大改善设备研究朝着亚微米级超细粉碎和微米级精密分级的方向发展。

粉碎技术的发
展主要表现在产品微细化、微分功能化、设备自动化、节能新工艺和新设备及低污染高强度材料的应用等方面。

目前国外研制生产的超细粉碎设备种类繁多，其中能用于工业生产的主要有气流磨、高速冲击磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨、离心磨和滚筒研磨机等。

根据被研磨物料的性质，产品的质量要求不同，各种设备都有不同的特点。

国外最新研究动向表明，设备的大型化、系列化、自动化、精细化是超细粉碎的发展方向。

我国自八十年代以来，粉碎工程学术界较为活跃，其主要目标在于提高粉碎过程的效率和满足工业上某些物料产品的粒度要求。

对粉碎机研究的大规模兴起，始于八十年代中期，当时主要注意力在两方面：其一是湿式超细粉碎机、搅拌球磨机和塔式磨机的研究；其二是干式气流粉碎机的研究，而后逐渐展开。

当时，我国主要以引进国外先进的设备和技术为主，很多企业引进了各种类型的气流磨、高速冲击磨、振动磨、搅拌磨和相应的分级技术。

这对满足国内市场的需要起到了积极作用。

与此同时，国内技术人员以消化吸收为主，进行了大量研究开发工作，并取得了很多的成绩。

经过十几年的努力，国内已能生产各种气流磨、高速冲击磨、振动磨、搅拌磨，有的设备在性能上已接近国外同类设备的水平。

但总的来说，与国外的先进技术设备相比，我国的粉碎技术仍存在一些主要问题：(1)已研制出的各种型号规格的粉碎设备中，有些在结构设计、材质及加工精度等方面，与国外先进设备相比还有一定差距；(2)产品的深加工档次低、系列少，对用户的需求针对性差；(3)缺少高效的超细分级设备与粉碎设备配套。

随着科学技术的发展，对新材料的要求越来越高。

一些物质以其特有的物理化学特性，越来越受到人们的重视，成为许多高新技术领域不可缺少的重要原材料来源。

对其深加工技术之一的超细粉碎及其分级技术领域也就越来越受到人们的重视。

超细粉碎技术是近代科学高新技术发展的产物，在发达国家,随着电子精、细化工、高新陶瓷生、物工程、宇航固体颜料、磁性材料、复印粉、塑料、橡胶、造纸、等工业赫尔尖端技术的发展，对原材料的超细微、提纯和改性等方面，提出了越来越高的要求。

要求以粉末状态存在的固体物料，应具有超细颗粒，严格的颗粒分布，规整的颗粒外形和极低的污染。

1.3粉碎方法
立式冲击式粉碎机的结构与三维设计
粉碎方法[3]主要有五种：
(1)压碎。

如图1-1-a所示，物料在两平面之间受到缓慢增长的压力作用而被粉碎。

对于大块物料，第一步采用此法处理。

挤压粉碎适用于脆性物料，食品加工中常用的是对辊粉碎机，如对辊的线速度相等，则为纯粹的挤压过程。

(2)劈碎。

如图1-1-b所示，物料受到楔状刀具的作用而被分裂。

多用于脆性，韧性物料的破碎，能耗较低。

(3)剪碎。

如图1-1-c所示，物料在两个破碎工作面间，如同承受载荷的那个支点(或多支点)梁，除了在外力作用点受劈外，还发生弯曲折断。

多用于较大块的长或薄的硬脆性物。

(a) (b) (c)
(d) (e)
图1-1物料粉碎方法示意图
Fig.1-1 The sketch of material means to smash
(4)击碎。

如图1-1-d所示，物料在瞬间受到外来的冲击力而被破碎。

冲击的方法较多，如在坚硬的表面上受到外来冲击体的打击，高速运动的机件冲击物料，高速运动的物料冲击到固定坚硬物体上，物料块之间的相互冲击等。

此种方法多用于脆性物料的粉碎，粉碎范围很大。

(5)磨碎。

如图1-1-e所示，物料在两工作面或各种形状的研磨之间受到摩擦，剪切作用而被磨削成为细粒。

多用于小块物料或韧性物料的粉碎。

在粉碎操作上，所使用的粉碎方法应根据物料的物理性质，块粒大小以及需要粉碎的程度而定，实际操作时常常采用两种或两种以上的方法组合进行。

1.4各类通用粉碎设备及其特点
在粉碎设备上大致分三类[4]，第一类是机械粉碎设备，第二类是纯气流粉碎设备，第三类是(机械+气流)所形成的粉碎机组。

1.4.1机械粉碎设备分类
1)机械冲击式粉碎机
机械冲击式粉碎机是指：利用围绕水平或垂直轴高速旋转的回转转子上的冲击组件(锤头、叶片、棒体等)对物料进行撞击，并使其在定子与转子间、物料颗粒与颗粒间产生高频度的相互强力冲击、剪切作用而粉碎的设备。

这种粉碎机型式很多，按冲击组件的结构形式的不同有高速锤式、高速棒式、高速刀片式等多种类型。

按转子的布置方式可分为立式和卧式两种类型。

其特点是粉碎比大，运转稳定，适合于中软硬度物料的粉碎。

冲击式粉碎机借助于转子上锤头对物料的以50~100m/s的高速打击而将其粉碎，处于定子和转子间隙处的物料被剪切和反弹到粉碎室内与后续飞来的颗粒相撞，是粉碎过程反复进行。

定子衬圈和转子端部锤刃之间形成强有力的高速湍流场，其中产生强大压力变化可使物料受到交变应力而破碎和分散。

粉碎成品颗粒细度和形态由转子上锤头的运动状态和定子间间隙来决定，低速冲击可得细长的颗粒，而高速冲击则易得物料结晶状态相同的颗粒。

2)齿爪式粉碎机
齿爪式粉碎机可用于谷物等的粉碎。

它主要由进料斗、动齿盘转子、定齿盘、包角为360°的环筛和排料口等组成。

定齿盘上有两圈定齿，齿的断面呈扁矩形。

工作时动齿盘上的三圈齿在定齿盘的两圈齿的圆形轨迹间运动。

当物料从喂料斗轴向喂入时，受到定，动齿和筛片的冲击，碰撞与搓擦等作用，最终被粉碎成粉粒状排出体外。

动齿和定齿之间的间隙为3.5mm。

齿爪式粉碎机的特点是结构简单，粉碎室比较窄，筛片包角为360°，生产效率比较高，但噪声和粉尘比较大。

国产齿爪式粉碎机有FFC型系列产品。

3)涡轮式粉碎机
涡轮式粉碎机由进料口、叶轮、齿板和排料口等部分组成。

叶轮是由多个叶片及叶片与其侧面的隔板形成的多个室组成。

机壳的内表面装有许多带有沟槽的齿板。

叶轮高速回转时产生高速涡流，从而形成高频振动区。

物料在粉碎室内受到反复粉碎不仅有冲击和剪切作用，又以无数的超高速涡流加剧颗粒之间的相互摩擦，以及由于高频振动产生的挤压作用等，使物料得到充分粉碎后，排出机外。

涡轮式粉碎机主要有T-400型和T-800型两种。

立式冲击式粉碎机的结构与三维设计
粉碎室内径分别为400mm和800mm，配用动力11-30kw和30-75kw。

生产率分别30~800kg/h和100~2500kg/h。

该粉碎机的特点是粉碎物温升比较低，适合于粉碎脱脂大豆、米、小麦粉、食盐、矿物质添加剂和颜料等。

80%以上的粉碎物可以通过100-150目的筛孔。

4)立式锤片粉碎机
立式锤片粉碎机是一种高效的超微粉碎设备，与卧式锤片粉碎机相比，效率高又节能，且可省去辅助补风系统和冷却系统，加上其换筛方便等特点，有望成为粉碎机的更新换代机型。

小型立式超微粉碎机[5]主要由转子、粉碎盘、锤片、筛框、机体、供料装置及排料装置等组成，如图1－2所示。

1.电机
2.联轴器
3.上箱体
4.主轴
5.筛框
6.粉碎盘
7.锤片
8.下箱体
9.机架
图1-2装配体结构及三维实体图
Fig.1-2 The assembly structure and 3D maps
粉碎盘底部装有刮片，可使沉积在底筛上的物料刮起，并随转子的离心力甩向粉碎区域继续粉碎。

刮片又起到补风的作用，旋转时产生一定的风量，形成粉碎室内外的气压差，有利于细粉的排出，且可降低粉碎室内外的温度差，有利于粉碎加工。

刮片产生的风压可以改善粉碎室内的气流状况，有利于负压吸进物料和正压排料，并破坏整个粉碎室内的环流层，使粉碎合格物料能及时排出，避免重复、无效的过度粉碎。

物料从进料口加入，其运动轨迹与旋转锤片的运动轨迹垂直相交，因而物料击中率较高。

由于物料与锤片两者之间的速度相差很大，在锤片冲击作用下，物料颗粒内部迅速产生向四方传播的应力波，并在内部缺陷、裂纹和晶粒界面等处产生应力集中，物料将首先沿着这些脆弱界面破碎。

在转子上层，由较短的锤片与筛片形成的预粉碎区内，大部分物料得到了粉碎或半粉碎，粉碎合格的细物料迅速通过周围环筛孔排出粉碎室。

半粉碎和未粉碎的物料继续下降，落入下层主粉碎区域。

由于下层锤片末端线速度更高，与筛片的间隙更小，锤片除对物料继续施加剪切力和冲击力外，且伴有研磨力等联合作用，使物料得到进一步粉碎，并借助粉碎室内气流正压力，迅速通过环筛和底筛筛孔排出，完成粉碎加工。

5)卧式粉碎机
这是一种水平轴、双室、气流分级式粉碎机，主要依靠冲击粉碎原理工作，在粉碎的同时能够进行分级和清除杂质。

它是由水平轴上安设的两个串联的粉碎－分级室和风机组成。

粉碎－分级室由带撞击叶片的转子和定子衬套以及分级叶轮组成。

第一二转子的叶片分别为30°、40°倾角，旋转时形成风压而相应的第一、二分级轮为径向叶片，旋转时形成风阻，两者旋转时便形成旋循气流，使颗粒反复地受强烈的冲击、剪切、摩擦作用而粉碎。

两串联的粉碎－分级室之间用隔环分隔，因第一、二级转子的圆周速度分别为50m/s、55m/s（第二转子直径大），故第二粉碎室粉碎力更强，成为细磨区，产品粒度达数微米。

细粉随气流由风机排出机外捕集。

此机的特点是采用两极串联粉碎装置，故粉碎效率高，能耗较低；产品粒度细（平均粒径3~100μm）；机内设有排渣装置，可将难予粉碎的杂质排出，故产品纯度高；负压操作，可减少粉尘对环境的污染。

适用于莫氏硬度低于5级的物料，例如涂料、颜料、非金属矿、化工原料、农药等的微粉碎。

1.4.2纯气流粉碎设备
气流粉碎机为制备超细粉体的主要设备之一，其特点是以高速旋转气流（300~500m/s）为动力和载体，使物料颗粒在高速运动中相互碰撞、摩擦和剪切而使物料粉碎，是一门较成熟的干法超细粉碎技术。

早在八十年代，国外就有各种单喷式、双喷式、循环管式、扁平式、流化床式等气流式超细粉碎设备，有的已形成系列，并向大型化、系列化和多样化方向发展。

我国也早在三十年前就开始研制气流粉碎机，并用于染料、颜料、石墨等行业。

特别是近年来，
立式冲击式粉碎机的结构与三维设计
分别从德、日等国引进了一些超细粉碎设备与生产线，同时进行了一定的消化吸收工作，取得了一定的成绩。

气流磨已广泛的应用在化工、农药、非金属的超细粉碎。

产品粒度可达1~5μm，这种粉碎方法的特点是：产品不受污染，能保持原理的纯度的白度；能保持原结晶状态，如长径比。

气流磨的缺点是：被处理的物料不能含水和泥，气流中湿度也不能高。

因此气流进入前应有去湿装置；电耗高，平均每吨产品耗电为100~1000kwh；个别物料高达2000kwh。

气流磨比机械方式粉碎的能耗要高出数倍。

由于以上原因国内外均注意改进气流磨的结构和操作。

1)扁平式气流粉碎机
此机亦称全盘式气流磨。

如图1-3为结构示意图。

1.粉碎带
2.研磨喷嘴
3.汾丘里喷嘴
4.推料喷嘴
5.铝补垫
6.外壳
图1-3扁平式气流磨工作原理示意图
Fig.1-3 Flat-jat mill principle sketch map
待粉碎物料由汾丘里喷嘴加速到超音速导入粉碎室高压气流经入口进入气流分配室，分配室与粉碎室相通，气流在自身压力下，强行通过研磨喷嘴时，产生高达每秒几百米至上千米的气流速度，由于研磨喷嘴与粉碎室的相应半径成一锐角，故由研磨喷嘴喷射出如此高速的旋流带动下作循环运动，颗粒间、颗粒与基体间产生相互冲击、碰撞、摩擦而粉碎。

粗粉在离心力作用下甩向粉碎室周壁作循环粉碎，而粉碎在离心气流带动下被导入粉碎机中心出口管进入旋风分离器加以捕集。

2)流化床气流粉碎机
流化床气流粉碎机是通过高速气流将粉体颗粒加速，并使高速运动的粒子
相互碰撞、相互摩擦及瞬间破裂来达到粉碎，再通过适当分级机构循环而达到超微粉碎的目的。

纯气流超微粉碎设备的特点是利用瞬间撞击而粉碎，粉碎力大，细度高，无污染和极微磨损，适用于高纯度、高硬度及有一定粘度的中药材超微粉碎。

同时，药材粉体在气流膨胀状况粉碎，不会升温，也可适用于热敏性、低熔点、含糖分及易挥发的中药材超微粉碎。

其缺点是对适用进料粒径的范围有要求，一般要求为60～120目。

1.4.3(机械+气流)所形成的粉碎机设备
它溶上述2类设备的优点于一体，既确保了纯气流超微粉碎设备的特点，又拓大了进料粒径的范围。

超微粉碎机组由刀式粗颗粒粉碎机、预冷器(兼螺杆加料器)、盘式粉碎机、旋风分离器、流化床气流粉碎机、除尘捕集器、高压引风机、空气压缩机、后冷却器、冷冻干燥机、引风机、锁风阀等组成，其流程如图1-4所示。

图1-4超微粉碎机组流程图
Fig.1-4 Advanced Micro Devices Group grinder flow chart
首先采用刀式粗碎机对粗块或段状的中药原料初加工，经螺杆加料器的预冷处理及输送至下道盘式粉碎机进行二次冲击细碎，粉碎后颗粒由旋风分离器输送至第二个螺杆加料器，此段由引风机作气流输送。

最后经第二个螺杆加料器的预冷处理送入符合GMP流化床气流粉碎机中进行超微粉碎，物料在气流粉碎室内的数个喷嘴产生的高速气流冲击下，相互碰撞、相互摩擦及瞬间破裂而
立式冲击式粉碎机的结构与三维设计
实现超微粉碎。

流化床气流粉碎机及分级机构的原理
流化床气流粉碎机型式，其由料仓、螺杆加料装置、粉碎室、高压进气喷嘴、分级机、出料口等部件组成。

当物料送入粉碎室，冷却气流通过喷嘴进入流化床，被粉碎的粒子在高速喷射气流交点碰撞，其交点位于流化床中心也是靠气流对粒子的高速冲击及粒子间的相互碰撞而使粒子粉碎，不与腔壁碰撞，所以不产生磨损。

此结构之所以磨损与沾粘性小，是因为通过喷嘴的介质只有空气(或氮气)，而没有物料通过喷嘴进入粉碎室，从而避免了粒子在途中产生的撞击、摩擦以及沾粘沉积，也避免了粒子对主进气管道及喷嘴的磨损。

流化床气流粉碎机上的分级机采用叶轮转子式干式分级，工作过程中经粉碎室粉碎的粉体在负压气流的作用下，粉料成流化态状飞向叶轮转子的分级区域。

在叶轮高速旋转产生的离心力、负压气流产生的吸力、颗粒重力及上升气流产生的升力作用下，粗粒物料落下粉碎腔内经再次粉碎后再随气流上升再分级。

而细粒则通过叶轮问的缝隙随引风气流吸走，然后由旋风分离器等部件收集。

而一般粉碎过程中，粉体往往只有一部分达到粒度要求，而另一部分产品却未达到粒度要求，如果不将这些已达到要求的产品及时分离出去，而将它们与未达到要求的产品一道再粉碎，则会造成能源浪费和部分产品过粉碎的问题。

一方面控制产品粒度处于所需分布范围，另一方面使混合粉体中粒度已达到要求的产品及时地被分离出。

2．粉碎机的整体结构设计
2.1粉碎机的设计指标
本次设计的内容为立式冲击式粉碎机，其主要设计指标如下：
粉碎方式：冲击式
主轴转速4800r/min
粉碎粒径最小可达70μm
2.2整体方案的确定
粉碎机按布置方式可分立式和卧式两种，其各自的特点如下：
(1)卧式粉碎机：
1)锤片打击机率小：物料从顶部下去刚好同锤片运转方向相同，物料被锤片击中的机率小，而且物料往往受到的是锤片的偏心冲击，故有能量损耗。

2)环流层形成：物料进入粉碎室形成环流层，其平均速度约为锤片端线速度的20％一25％，环流层降低了锤片对物料的打击作用，增加了摩擦损耗。

环流层使得小于筛孔的颗粒不能及时排出，使得物料被过度粉碎，粒度分布不均匀。

3)过筛能力差：物料透过筛孔的概率为 P=212(1)d d
式中d 1-粉粒直径；d-筛孔直径。

d 1<0.75d 时，大部分粉粒可通过，d 1>0.75d 时，粉粒就比较难过筛。

同时由于重力和离心力的关系，有一层较粗颗粒贴在筛面上不能及时粉碎，而细粉难以透过筛面料层从筛孔排出。

(2)立式冲击式粉碎机：
1)单位功率粉碎能力大，设备运转费用低；
2)打击率较高，而且在冲击过程中，颗粒在强大的加速度作用下产生比静载荷高出数十倍甚至数百倍的动载荷，冲击粉碎比其它形式的粉碎要容易的多，因此可以节能；
3)分级结构的设计，使粉碎好的物料可以及时排出，防止过度粉碎；
4)可连续生产，占地面积小；
立式冲击式粉碎机的结构与三维设计
5)由于高速运转，易产生磨损和发热，故不宜粉碎硬度较高的物料，对于热敏性物料需要采取冷却装置。

通过以上比较立式冲击式粉碎机不仅占地面积小，设备运转费用低，而且打击率较高，独特的分级装置可以避免过粉碎现象的发生。

如图2-1所示
1.电动机
2.粉碎盘
3.锤体
4.分级轮
5.齿形衬套
6.轴承
7.带轮
8.实
心轴9.空心轴
图2-1粉碎机的示意图
Fig.2-1 The sketch of the pulverizer
本次设计的立式冲击式粉碎机主要由动力传动部分，粉碎部分，分级部分以及给料部分组成。

1)动力传动部分由三相异步电动机，皮带轮，传动轴等部分组成。

三相异步电机输出的动力通过皮带轮传输到轴上，最后传输到粉碎装置及分级装置。

2)粉碎部分主要有粉碎盘，锤体，齿形衬套组成。

粉碎的过程主要是物料通过粉碎盘上的锤体的冲击作用进行第一次粉碎，然后打到齿形衬套上进行二次粉碎的。

3)分级部分主要是由分级轮组成的。

分级是依靠机内装有的一个惯性分级。