高能球磨机的研究

目前，高能球磨机的机械结构设计和粉磨实验设计理论还不完善，不少专家和学者围绕球磨机粉磨过程的分析和优化问题做了大量的研究工作，人们对球磨机磨介的运动轨迹、冲击力、测量方法及磨球形状、球磨罐大小对球磨效率的影响进行了一系列的实验和理论研究。目前高能球磨机的研究热点主要为：球磨过程的参数化研究，球磨机的多刚体模拟，离散元仿真分析，球磨罐内部环境检测等。

磨球运动数值研究主要是通过数学推导得到其近似的轨迹方程或动力学模型，再通过 Matlab 等数值软件进行分析。武汉大学的万卉等采用 Rose 和Sullivan 的磨介坐标及速度方程及 Morris 的分层运动模型对磨球的运动进行了非线性优化分析，在分析过程中假设磨球分层运动，如图 1.6 所示为行星式球磨机磨球分层运动示意图，通过此模型得到更大质点碰撞能量和更大潜在碰撞能量，二者均比更大降落高度状态下和理论适宜转速下相应的碰撞能量大，并据此优化操作参数，使单位时间的磨介总碰撞能量有显著提高，扩宽了操作参数选择范围。

目前市场上的球磨设备多种多样，存在不同的球磨过程，国外一些学者已经开始尝试建立统一的球磨模型，这种模型既可以反映球磨过程的实质，又可以描述不同形式的球磨机的球磨过程，为了建立球磨过程中粉磨时间与被磨物料产品粒径之间的关系，文献[3]提出了描述物料颗粒粉碎的混磨方程描述，如式（1.1）所示，此方程需要通过对球磨实验数据进行统计分析确定其中各参数的取值。

当球磨机工作时，球磨罐内部通过磨球之间或者是磨球与罐壁之间的碰撞和摩擦作用使物料细化，磨球运动还伴随着与物料的相互作用，这是一个复杂的运动过程，目前尚无文献建立较为准确的数学模型对其进行描述。研究球磨罐内磨球的速度变化规律和碰撞过程是分析球磨效率、进行优化设计等问题的基础。国内学者通过动力学软件模拟球磨过程，得到磨球的运动规律，并分析了其与球磨机转速和球磨效率之间的关系。ADAMS和 RecurDyn是目前常用的机械系统动态仿真软件，二者均可实现机械系统虚拟样机建模，并可对机械系统的运动学、动力学等特征进行模拟，在分析球磨机的性能方面具有较高的准确性。

ADAMS 三维建模过程繁琐，界面不及其他三维建模软件友好，对于复杂的机械模型，一般利用 SolidWorks、UG 或者Catia 等软件进行三维建模。为了提高计算机处理速度，在进行建模时对实际模型进行简化处理，然后把简化后的模型导入 ADAMS 中。根据机械结构的实际运动情况对各零部件施加约束。

利用 ADAMS 软件仿真时，对各机械零部件施加约束的步骤如下：

(1)  施加约束的前处理。将球磨机固定不动的部分或固联在一起运动的部分设置为一个整体，进行“布尔和”操作，进行此操作的主要目的是减少仿真过程中的内存占用率，加快计算速度。
(2)  定义材料属性。根据实际情况为各零部件赋予材料属性，如：Steel、Aluminum 等，软件会根据各零部件的体积和形状计算其质量和转动惯量。
(3)  施加约束。根据球磨机各零部件间的相对运动关系选择施加的约束类型，并根据实际情况定义约束的性质。

约束施加完成后，定义驱动或负载，然后设置仿真参数进行仿真。 图 1.7 为文献[中建立的行星式球磨机 ADAMS 模型，该文献基于 ADAMS动力学仿真对行星式球磨机及其磨球的运动进行了运动分析和优化设计。分别采用不同的转速进行仿真，研究球磨罐内磨球的运动规律，得到影响行星式高能球磨机性能的机械结构尺寸参数。对球磨机进行单磨球动力学仿真，得到球磨罐内磨球的各项运动特性，分析球磨罐体积、磨球直径、电机转速对运动参数的影响。