超微细研磨分散机设计研发

摘 要

　　随着科技的不断发展超微研磨分散技术应用领域越来越普遍，对研磨分散过程的深入研究已经显得越来越重要。现有设备中多数研磨机和分散机是具有独立功能的两种设备，研磨后的物料还需经过另一道工序进行分散，这严重影响了设备的工作效率。而且对不同粘度的物料在研磨分散过程中流量变化范围大，静、动研磨体与研磨物料过程中产生较大的热量，散热性能较差等问题。

　　本文研制了一种超微细研磨分散机，它具有分散机、研磨机、均质机、剪切机的功能，效率是胶体磨、高速剪切机、均质机等设备的 2～5 倍，效率高、散热性好、节约能耗、操作方便、可实现连续生产。以超微细研磨分散机为研究对象主要进行了结构设计、模态分析、流场分析等研究，具体工作如下：

　　首先，对胶体磨、高剪切分散机工作原理进行分析，完成对超微细研磨分散机整机设计，并确定了工作转速、研磨体、分散体及转子和定子之间的间隙等关键参数。

　　其次，由于超微细研磨分散机属于高速旋转机械，其动力学研究是非常重要的。运用 ANSYS 软件对机体、转子的有限元建模及仿真分析，得到了机体、转子的固有频率、振型等相关参数。同时为进一步结构优化提供了理论依据和分析基础。

　　再次，通过 Solidworks 软件进行三维建模，用 ANSYS FLUENT 软件对分散盘、冷却腔进行了流场分析、流场热力学分析，得出了粉碎腔中的压力场、速度矢量、剪切应力和剪切率场的分布情况，对分散盘偏角、转速的流场情况进行了对比分析, 得到了 β 为 45°为本设备最优角度和冷却腔的最优方案，设备加工精度满足条件下转速越高越好。

　　此外，还对研制的超微细研磨分散机进行了实验研究，结果表明，超微细研磨分散机研磨效果达到了预期要求，分散效果略低于预期的要求，分散有待提高。

　　最后，对机体、螺纹筒、主轴、分散盘进行结构优化设计。

　　本文为超微细研磨分散机的研发设计提供了新的思路和理论依据。

　　关键词：超微细研磨分散机；摸态分析；流场分析；旋转机械

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

　　随着科技的不断发展，超微研磨分散技术应用领域越来越普遍，研磨分散过程的深入研究已经显得越来越重要。而且现有设备中多数研磨机和分散机是具有独立功能的两台设备，研磨后的物料还需经过另一道工序进行分散，这严重影响了设备的工作效率。本论文研制出一种具有研磨和分散两种功能于一体的机器。这样的组合既具有胶体磨的研磨功能，又有分散机的剪切分散功能，研磨功能可以将物料由粗磨细，研磨后的物料经过下端的分散盘将物料进行分散剪切。超微细研磨分散机也是一种研磨分散胶体或近似胶体颗粒物料的超微粉碎设备[1]。

　　超微细研磨分散机普遍使用在化学、中成药、建筑、橡胶、纺织、造纸、化妆品、纳米材料等行业。它具有分散机、研磨机、均质机、剪切机的性能，效率是胶体磨、均质机、剪切机等设备的 2～5 倍，节约能耗、操作方便，可实现连续生产，推广应用超微细研磨分散机有着深远的经济意义。作为生产加工中重要的研磨分散设备，超微细研磨分散机具有：研磨颗粒小、分散均匀、应用范围广、功能多、较大的社会效益和经济效益等众多优点。

　　同时，现有设备也存在着一些显着的缺点：1、不同粘度的物料在研磨分散过程中流量变化范围大，转、定子与物料间容易产生较大的热量，物料温度过高会使物料产生化学反应，且使易于挥发的物料挥发使物料变性；2、研磨体、分散盘在研磨分散时金属表面较易磨损，使细化效果显着下降；3、研磨颗粒较大；4、分散不均匀；5、拆装不便；6、流量变化很大。所以，为提高产品质量，对超微细研磨分散机的原理进一步研究，对其结构进一步改进是非常重要且必要的。以微细颗粒研磨分散为背景，研制一种超微细研磨分散机，为微细颗粒的研磨和分散提供一种先进手段。

　　目前的研磨分散设备中胶体磨、高速剪切机、均质机等最具有代表性。胶体磨是在引进德国最先进技术的基础上，进行改进和创新的第二代湿法及超微细加工的先进机械设备。胶体磨在国内公司生产的多种产品和国外先进公司的产品相比较差距仍很大，主要是产品的研磨性能和加工工艺的技术方面需要继续改善，以尽快达到世界上超微细设备的高端水平[3]。胶体磨主要应用于食品、制药、化工等行业。

　　高速剪切机也称为高剪切分散机，最近几年发展起来的，高剪切分散机剪切和分散效率较高[4]。高速剪切机的前身是德国 Fluko 公司发明的剪切分散乳化设备，现在产出很多系列产品，德国 Fluko 公司也一直处于剪切机械行业的领先地位[5]。日本、美国和德国在研究和开发剪切均质机方面都取得了大量的科研成果。它们在剪切、均质等高科技产品中一直处于世界领先地位，如德国 IKA集团生产的剪切乳化机系列。我国引进国外先进技术，在此基础上进行研发创新，最具有代表性的是上海依肯机械设备有限公司生产的 EDL2000 系列高剪切分散乳化机代表国内先进水平。分散机的类型依照搅拌器的不同，分为强力分散机、高速分散机、单轴分散机、实验室分散机等。这种形式的剪切分散机具有集分散、乳化、混合、粉碎和溶解等功能于一体的特点，剪切粉碎机因此产生[6,7]。

　　高速剪切分散机主要应用在化工、中成药、涂料、塑料、纺织、造纸、煤炭浮选剂、纳米材料等行业中，还常用于研发新产品的分散实验，及对要求细度高的化学、医药、化妆品、纳米材料的工业生产，是一种功能多、运用范围广的混合机器。目前在中国食品加工中，高速分散技术的认识度欠缺，无法得到普遍的推广，主要原因分为两个：一是此种设备种类单一，对不同的物料需要设计不同研磨分散装置和系统；二是国内高校科技研究者对高速切割粉碎技术及设备的研究不足，认识较不够[8,9]。

 　　超微细研磨分散机设计：

卧式胶体磨和立式胶体磨

分体式胶体磨及封闭式胶体磨

高速剪切分散机

研磨体

转子及定子

超微细研磨分散机样机

动研磨体

一级动研磨体

分散盘加工图

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 课题来源以及研究的目的和意义
　　　　　　1.1.1 课题来源
　　　　　　1.1.2 研究的目的和意义
　　　　1.2 超微细研磨分散机国内外研究现状及分析
　　　　　　1.2.1 超微细研磨分散机的起源及研究现状
　　　　　　1.2.2 超微细研磨分散机的发展趋势
　　　　1.3 课题主题要研究内容
　　第 2 章 研磨分散机的结构设计及关键技术研究
　　　　2.1 对研磨、分散设备的工作原理研究
　　　　　　2.1.1 胶体磨的工作原理
　　　　　　2.1.2 高剪切分散机工作原理
　　　　2.2 超微细研磨分散机的结构设计
　　　　　　2.2.1 超微细研磨分散机的原理
　　　　　　2.2.2 超微细研磨分散机的结构设计
　　　　　　2.2.3 超微细研磨分散机关键结构设计
　　　　2.3 超微细研磨分散机关键参数的确定
　　　　　　2.3.1 转速
　　　　　　2.3.2 间隙
　　　　2.4 本章小结
　　第 3 章 超微细研磨分散机模态分析
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 超微细研磨分散机的模态分析理论
　　　　3.3 超微细研磨分散机的仿真模型
　　　　　　3.3.1 建立机体、转子模型
　　　　　　3.3.2 简化转子轴承支承
　　　　　　3.3.3 机体、转子的材料属性
　　　　　　3.3.4 机体、转子的单元选择和网格划分
　　　　3.4 机体、转子的模态分析结果
　　　　　　3.4.1 机体的分析结果
　　　　　　3.4.2 转子的分析结果
　　　　3.5 本章小结
　　第 4 章 超微细研磨分散机流场对比研究
　　　　4.1 FLUENT 基本理论
　　　　4.2 超微细研磨分散机流场分析
　　　　　　4.2.1 研磨分散三维模型创建及网格的划分
　　　　　　4.2.1 计算收敛性检验
　　　　4.3 分散盘偏角对流场的影响分析
　　　　　　4.3.1 偏角、转速对压力的影响分析
　　　　　　4.3.2 偏角、转速对速度的影响分析
　　　　　　4.3.3 剪切应力场及剪切应变率场仿真分析
　　　　4.4 超微细研磨分散机流体热力学对比仿真分析
　　　　　　4.4.1 冷却腔方案制定和网格的划分
　　　　　　4.4.2 冷却腔简化模型的仿真和结果分析
　　　　4.5 本章小结
　　第 5 章 超微细研磨分散机的实验研究及结构优化
　　　　5.1 本章小结
　　　　　　5.1.1 实验物料和实验设备
　　　　　　5.1.2 实验步骤
　　　　　　5.1.3 实验结果分析
　　　　5.2 超微细研磨分散机的结构优化
　　　　5.3 本章小结
　　总结与展望
　　参考文献
　　攻读硕士学位期间的学术成果
　　致谢

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