振动研磨大型化困境与必威体育精装版突破性进展.docxVIP

振动磨是一种有介质筒型磨粉机，以振动特有的高频次、低强度冲击和摩擦作用粉碎物料，研磨效率高，相比球磨机节能20%~50%，在高硬度物料及细磨作业中尤为显著；除此之外还具有磨耗低、粒度分布集中、球形度好、结构简单、维护方便等特点。然而受其动力学原理所限，振动磨一直难以大型化，无法应用于工业级粉磨作业中，仅在实验室及小批量生产中有所应用。本文将回顾振动磨发展历史，阐述其难以大型化的原因，提出一种新架构解决该问题，并运用离散元仿真分析对其进行技术验证。

1.早期的大型化方案

自20世纪30年代首台振动磨在德国发明，近百年来将振动磨大型化的努力就从未停止，简单地增加磨筒直径尽管能提高磨筒容积，却无法相应提高磨球流速，导致磨球流速过低，产生被称为“低能区”或“乏能区”的低速运动区，研磨效率大幅降低。

因此，保持磨筒直径不变，增加磨筒数量成为最简单、最早出现的大型化方案；双筒振动磨最为常见，三筒振动磨也有生产，在专利申请中出现了十一筒甚至十四筒的方案。

此类大型化方案效果有限，磨筒容积在纸面数据中也只能达到几立方米，相应的产量没有实质上的提升，反而由于其结构过于复杂，可靠性降低，维护难度增加。

因此，通过改变振动磨运动方式，提升磨球运动速度，以增大磨筒直径，提高振动磨单机产能的方法成为主要研究方向。

2.改变运动方式的尝试

柏林工业大学（TechnischeUniversit?tBerlin）的戈克（EberhardGock）教授及其团队于1985年提出了“旋转腔式振动磨”方案，试图将一个三叶片叶轮置于磨筒中，与磨球一同旋转，提高振动能量传递，消减低能区。但实验结果并不理想，振动巨大的破坏力使叶轮产生扭曲变形最终断裂，筒衬也受到损伤，该方案失败。

但他们并未放弃将振动磨大型化的努力，于1993年又提出了“偏心式振动磨”方案，将激振器偏置于磨筒一侧，另一侧为质量较大的配重箱，使磨筒做以配重箱一侧为中心的摆动叠加水平方向直线往复运动的合成运动。

这种特殊布局使磨筒在靠近激振器一侧，即磨球向上运动的区域垂直方向振幅最大，激励作用最强；在另一侧磨球向下运动的区域垂直方向振幅很小，激励作用微弱。

相较于传统振动磨的整体做圆振动，这是一种具有“区域选择性”的激励方式，它将垂直方向振幅集中在最需要克服重力的区域，提高了激振力利用效率，因而增加了磨球的运动速度；其专利中称磨球流动速度提高了4倍，并能将磨筒直径上限提升至1000mm；在实际应用中，他们做出了直径820mm、长度3600mm、容积1.9立方米的偏心式振动磨，并未表现出明显的大型化。

国内也有一些厂家仿照该方案生产大型振动磨，数年前有传言称已有直径达五米、长十余米的偏心式振动磨在国内被使用，但至今没能找到任何图文资料，其参数，产量、能耗等具体情况不明。

沿着这一方向的探索并未止步，美国的GeneralKinematics公司于2002年提出了一种采用反向旋转的双激振器在单侧驱动磨筒摆动的方案；其激振器组产生垂直方向的直线往复振动，通过弹簧连接磨筒，使其产生以另一侧支点为中心的摆动；相较于采用圆振动的传统振动磨，完全舍弃了水平方向的运动，由于磨球运动过程中需要克服的主要是重力，水平方向的运动对此影响不大，所以其仍能运行。

值得注意的是，该方案采用40%低充填率，而非传统的80%高充填率，这种低充填率设计会使磨球形成半圆形运动区，而非高充填率形成的接近圆形的运动区，因此不易形成较大的“低能区”，这和球磨机直径增加时降低充填率以减小死区的做法类似，都是通过改变运动区形状减小低速运动区。

该方案将磨筒直径增加至6英尺（1828.8mm），长度达18英尺（5486.4mm），容积约14.4立方米，但由于充填率减半，所以有效容积提升有限。这个规格已经可以取代部分小型球磨机，该公司提供的资料显示其可用于数十种矿物的研磨，相比球磨机节能35%~50%。

这些大型化方案都着眼于解决“低能区”问题，对于振动机械因其动力学原理所限无法大型化的问题，由于无解所以从未被提及。

3.无解的困境

目前已知的振动机械基本构型均为将振动质体置于隔振弹簧上，其振幅遵循公式：

其中的隔振弹簧总刚度Σk决定隔振弹簧的承载能力，根据胡克定律，其总刚度至少需满足：

小型振动磨的振动质体质量较低，相应的隔振弹簧刚度也很低，为方便计算，通常取Σk=0，c=0，前述振幅计算公式可简化为：

这是绝大多数振动机械相关文献使用的计算公式，它完全忽略了弹簧相关参数，将振动机械视为不受弹力和阻尼影响的简单动力学系统。

但在振动磨大型化的过程中，其振动质体质量随容积增加，与磨筒的直径、长度等一维量呈指数关系增长，但隔振弹簧的压缩量x不仅无法呈指数级增加，通常还需缩短以确保稳定性，因而只能通过增加隔振弹簧总刚度Σk以避免弹簧被压并。

通俗的讲