变节距不并圈弹簧侧置式双质体振动磨的制作方法

本实用新型涉及一种用于物料超细粉体振动制备的粉磨设备，是一种具有变节距不并圈弹簧、介质为混合密度配比的单筒双质体振动磨，属于振动利用与粉体工程的交叉科学技术。

背景技术：

振动磨是利用振动原理来完成物料超细粉磨作业的振动机械设备，现有超细粉体制备技术中，振动磨与其他制备方法如有气相合成法、液相合成法、气流粉碎法、滚筒磨法等相比，具有物料机械活性大、提纯方便、成本低、结构简单、效率高等优势，现有振动磨支撑弹簧一般采用线型等节距螺旋弹簧；其介质普遍采用等密度介质，如耐磨钢、氧化锆等单一密度介质；机体多为单质体结构。

振动磨的单质体结构，表明由筒体和激振器组成的振动质体与底座之间，是通过螺旋压缩弹簧相连，振动质体产生的振动，会通过弹簧底座直接作用于地基，产生较大与噪声，故耗能较大。近年来，间或有双质体振动磨的研究报道，但由于双质体振动磨涉及主隔振系统设计，其结构相对复杂、成本较高，故实际应用者寡。激振源一般采用上置式、下置式、中置式及侧置式，对于大型、特大型振动磨，尤以侧置式为主。

在实际工程中，振动系统质量、激振力、阻尼力等参数大都是变化者的，如振动磨系统本身的介质、被磨物料形成的磨介流，在运动过程中不断地抛起、落下，实际上就是一个复杂的质量变化的过程，阻尼在其中也会发生非线性变化，振动电机偏块形成的偏心激振力是随转角的变化而变化的非线性，振动磨系统实际上是一个典型的非线性系统，即是一个具有确定激励和不确定响应的强非线性振动系统。

现有振动机械普遍采用的等节距螺旋弹簧的载荷特性曲线为线性线，为等刚度螺旋弹簧，没有考虑系统非线性的实际工况，如振动输送机、振动筛机、振动磨机等，由于运动状态下系统载荷时刻都在变化，故使用等刚度螺旋弹簧，虽有结构简单、成本低等优点，然存在噪声大、耗能高、效率低、维修频次高、设备寿命低等问题。

普通螺旋弹簧为线性特性线弹簧，其载荷与变形呈线性关系；变节距螺旋弹簧则为非线性特性线弹簧，其载荷与变形呈非线性关系，具有特殊的性能，它们所有的载荷达到一定程度后，在材料截面上的应力是沿材料的长度而变化的。因此，材料的尺寸要根据最大应力确定；弹簧的高度或长度要根据受载后所要求的变形确定。

普通线性弹簧无法实现变刚度，则无法实现与上述复杂振动系统的振动耦合或协调振动，因而效率低，能耗大、噪声大。如何使得振动系统刚度及弹性力的变化，与系统中其它变化着的作用力去实现振动耦合，以达到节能高效之目的，是一个值得探讨的问题，本实用新型的变节距弹簧的引入，正是这种研究的需要。

近年来国内外专家学者一直在探讨上述问题的解决办法，由于等节距、常刚度螺旋金属弹簧易设计、易制造、经济性好，故长期以来得到普遍应用。综上所述，同时克服上述问题的具有节能高效的新型磨机至今尚未被提出。

技术实现要素：

本实用新型提供一种变节距不并圈弹簧双质体振动磨，具有激振器即振动电机位于磨筒左或右侧的侧置式结构，以及双质体技术特征，主振弹簧为变节距不并圈弹簧，隔振弹簧为橡胶帆布复合弹簧，主-隔振弹簧均为变刚度；为提高筒内磨介球在相对运动中的冲击、挤压、剪切、碰撞的能量，实施混合密度介质配比优化设置，与现有广泛使用的普通单筒振动磨机系统相比，具有明显的效率高、噪声小等特点，旨在有效解决现有振动磨一直以来，悬而未决的噪声大、效率低等技术瓶颈问题。

本实用新型的新型侧置式双质体振动磨采取以下技术实现：

本实用新型是变节距不并圈弹簧侧置式双质体振动磨，包括主振系统和隔振系统，其特征在于：

所述主振系统包括通过变频器控制的作为激振源的振动电机、至少一个与所述振动电机连接的磨筒以及与磨筒法兰连接的配重体，所述振动电机、所述磨筒与所述上质体架组成上质体，下质体的一端与主振弹簧组相连，所述下质体通过所述主振弹簧组与隔振系统相连；

所述隔振系统包括与所述下质体另一端连接的隔振弹簧，所述隔振弹簧通过底座与地基相连；

所述主振弹簧组由数个变节距不并圈螺旋弹簧组成，每个弹簧均由一根钢丝卷绕构而成，所述的钢丝根据设计数据卷绕成变节距螺旋结构，钢丝卷绕成变节距螺旋结构，变节距不并圈螺旋弹簧至少有4圈以上的有效螺旋，且有效螺旋的中径为变中径螺旋，中径从中间向两端一般呈对称递减分布。

本实用新型所述侧置式振动磨，磨机的激振来自于侧置式激振器的直接作用，以及与磨筒法兰联接的配重体，配重块补偿了磨机传动的偏心结构，使得空磨的质量中心仍处于磨筒体的轴线上，与传统振动磨的均质圆振动相比，本实用新型振动磨产生椭圆、圆形和线形等多种振动，使振动磨的单位电耗降低约50％，产量提高近1倍，借助运动学模型对磨筒体的运动进行了定量分析，通过试验机的实验及检测证实了侧置式振动磨的效率。

侧置式振动磨至少有一个支承在振动构件上的磨机容器即磨筒，激振器部件作为振动驱动装置刚性固定在此容器上，激振器在单侧对磨机容器进行激振，即在磨机容器的重力轴线与重心之外对其激振，其中，为了平衡激振器质量设置了一个平衡质量即配重体，驱动侧的弹簧轴线位于磨机和激振器部件的重力轴线之间，驱动激振器部件，以便产生由圆形、椭圆形和直线形振动组合而成的不均匀振动，使具有一定带宽的物料颗粒，得到磨介群不断变化的冲击、碰撞、剪切等，以提高磨机粉磨效率。本实用新型的进一步改进在于：所述主振弹簧在振动磨中沿与振动电机主轴垂直方向放数排、沿与振动电机主轴平行方向放置数行，构成弹簧均布状态。

本实用新型的进一步改进在于：所述隔振弹簧为复合材料如橡胶帆布复合材料制成的隔振弹簧。

本实用新型的进一步改进在于：所述磨筒介质为两种或两种以上不同的配比。

本实用新型所述双质体振动磨主要由主振系统与隔振系统组成，主振系统中振动电机作为激振源，可通过变频器控制，达到变激振力的目的，与振动电机固定在一起的是磨筒，两者与上质体架一起组成上质体，下质体一端与主振弹簧组相连，通过主振弹簧组与隔振系统相连；隔振系统中，另一端与隔振弹簧相连，隔振弹簧通过底座与地基相连。通电后，由变频器控制振动电机，以改变激振力，振动电机带着磨筒作近似圆形的振动，使得磨筒内磨介产生相互运动，这样，筒内以及粘附在磨介和筒壁上的粉体由于撞击、摩擦来达到粉磨的目的。所述双质体振动磨通过主振弹簧组和隔振弹簧两组弹簧，可以明显的降低振动磨主体对地基产生的振动强度和噪声，且达到了节能的效果，隔振弹簧安装于下质体与底座之间，底座与地基通过螺栓组相固结，可以防止振动磨机的水平移动。

所述变节距不并圈螺旋弹簧的载荷变形特性线是渐增型非线性线，且是连续或分段连续的，这有利于防止其共振和颤振的发生；由于中径的变化，在相同钢丝直径不同节距的情况下，相邻两钢丝并圈时的压缩量，变节距弹簧较普通弹簧的大。根据本弹簧的结构特点，考虑不并圈的条件，可实现磨机系统主振弹簧的不并圈，使弹簧并圈产生的噪声归零。

由于构成变节距不并圈螺旋弹簧的螺旋结构的节距变化，使本实用新型具有明显的非线性和所需的变刚度特点，即本实用新型弹簧构成的系统刚度具有随载荷增减而增减的变刚度特点，以达到使系统有效蓄能、节能、稳定运转、显著降低噪声之目的。

所述变节距不并圈螺旋弹簧组式双质体振动磨，弹簧在振动磨中沿与电机主轴垂直方向放多排，沿与电机主轴平行方向放置若干行，构成弹簧均布状态，以便振动磨更好的工作。

迄今为止振动系统的弹簧设计，几乎没有考虑过不并圈的因素，既由于传统设计的局限性，又存在影响不并圈相关技术参数多且计算繁杂，因而系统不仅噪声大，且能耗高、效率低。根据本弹簧的结构特点，本实用新型研究从工作机理上分析和研究不并圈的条件，可实现磨机系统工作过程中主振弹簧的不并圈，使弹簧并圈产生的噪声归零

本实用新型中，隔振弹簧可采用橡胶帆布复合材料制成，下质体通过隔振弹簧和底座与地基相连，由于隔振弹簧具有硬非线性特性，其刚度具有随载荷变化而变化的特点，故减振效果好，可以得到较好的降噪效果，固定底座的目的主要是防止振动磨在水平方向面内的移动。

振动磨是利用振动磨筒产生一定频率的振动，使得筒内的球或棒等介质产生惯性力来完成冲击和粉碎物料的，磨筒振动的加速度一般可达6g-12g，因此具有结构紧凑、体积小、重量轻、粉磨粒度集中、流程简化、操作简单、维修方便、衬板介质更换容易等优点，可广泛用于冶金、建材、矿山、耐火、化工、玻璃、陶瓷、石墨等行业制粉。

现有振动磨技术使用的介质，尺寸大小可根据不同物料，可通过实验或数值仿真进行比对，来确定最佳级配，然其密度选取基本上为单一密度介质，一般采用锻造钢、耐磨钢、耐磨铸铁，高铬钢，中铬钢、氧化锆等等，其形状可为球形或圆棒形，但欲再增加磨筒及介质冲击物料时的加速度，单一密度介质几乎无能为力，而适当的选用两种或两种以上不同密度的介质配比，如钨钢、耐磨钢，在粉磨过程的抛起、碰撞过程中，由于其材料密度相差约2倍，则导致筒内磨介的牵连、相对速度及牵连、相对加速度等运动量值剧增，必然导致其冲击碰撞能量的大幅提高，成为提高粉磨效率的必要条件。

混合密度介质技术要点的实现，可达到在粉磨作业中产生冲击、剪切、挤压等多种力的组合力作用的实际工程效果，对于克服振动机械的某些工作阻障，解决振动机械特别是振动磨的某些关键技术或制约发展的瓶颈问题，如解决振动磨中超微颗粒不细化、易团聚、粉体产品分布带较宽以及能耗大、粉磨效率低、能量利用率低等问题，进而实现物料的超细或超微粉碎、降低能耗、提高效率，具有显著的工程效果、经济和社会效益，由于高密度介质使用引起磨机激振功率稍有提升的经济成本，与本实用新型产生的经济效益相比，对于追求高品质粉体的目标基本可以忽略不计。

本实用新型的有益效果是：本实用新型所述振动磨机与普通其它非侧置式磨机相比，由于磨机的激振来自于侧置式激振器的直接作用，可使磨机产生由圆形、椭圆形和直线形振动组合而成的不均匀振动，具有一定带宽的物料颗粒，可以得到磨介群不断变化的冲击、碰撞、剪切等作用，以提高磨机粉磨效率；本实用新型所述振动磨机与普通单质体磨机相比，由于具有主隔振系统，一方面能承受更大的激振力，另一方面能有效减少振动磨机对地基的振动影响，达到良好的节能效果；所述变节距弹簧与橡胶弹簧的刚度能够随磨机系统最大载荷的变化而变化，不仅可具有蓄能、节能之效，且为主隔振的耦合振动提供了必要的条件，主振弹簧在可能最大载荷下的不并圈，使得系统噪声显著降低而动态稳定性大大增加，整机效率明显提升；在混合密度介质配比优化设置的情况下，与现有磨机系统相比，从介质密度这一角度考核，提高系统效率高、降低能耗等优势更是显而易见。

本实用新型的效果是积极、明显和独特的，其具有超微颗粒细化、解团聚、粉体产品分布带窄化、能耗低、粉磨效率高、能量利用率高以及有效蓄能、节能、稳定运转、显著降低噪声、隔振效果好等特点。本实用新型的上述技术，在有效解决现有振动磨一直以来悬而未决的能耗大、效率低等技术瓶颈问题上，将实现跨越的一步。

附图说明

图1 是本实用新型实施例振动磨结构示意图。

图2是本实用新型实施例主振弹簧的造型图。

图3是本实用新型实施例修正前后两弹簧特性曲线比较。

图4 是本实用新型实施例主振弹簧刚度与载荷拟合曲线图。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解，下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细描述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不对本实用新型的保护范围构成限定。

图1所示，为本实用新型振动磨机结构简图，磨机主要有隔振弹簧1，下质体2，主振弹簧3，弹簧导柱4，配重体5，磨筒6，振动电机7，上质体架8，底座9所组成。筒体中磨介装填系数设为65%，磨筒介质为耐磨钢球、钨钢球，两种磨介数量比为6:4，磨介直径为2 mm、3.5 mm、5 mm、6.5mm，物料为超硬细粉体，磨机振动频率为1450 rpm，实测振幅< 22mm，振强<20。

如图1所示，位于筒体右侧的振动电机上所产生的振动，直接驱动上质体及磨筒，磨筒内装有介质球和粉料，振动使磨筒内的钢球等磨介对物料产生碰撞、冲击、剪切、挤压和搓磨，达到对物料进行粉碎和细磨的目的，本实用新型的主要特点是激振力、振幅、频率、振强等参数变化范围大，通过变频器可对其大小、作用时间进行有效控制。

如图1所示，振动电机旋转时所产生的振动直接驱动上质体及磨筒，磨筒内装有介质和粉料，振动使磨筒内的钢球等磨介对物料产生碰撞、冲击、剪切、挤压和搓磨，达到对物料进行粉碎和细磨的目的，通过调节主副偏块的夹角、改变磨介的级配选择、实施变频控制等措施，可产生所需一定频次高振幅、高振强的振动粉碎效果。

本实用新型磨机上质体主要由上质体架、振动电机、磨筒、配重体固结组成，筒内装有磨介与粉体，上下质体之间以主振弹簧相连接，主振弹簧上下端装有弹簧短导柱，以保障上质体在铅垂方向振动的稳定性；下质体与底座之间以隔振弹簧相连接，底座与地基以螺栓相固结。工作状态下，可由变频器控制振动电机，通过改变瞬态转动频率来改变激振力，进而改变振幅、振强变化曲线，达到高效粉磨的目的。

本实用新型选用两种不同密度的介质配比，即钨钢、耐磨钢，在粉磨过程的抛起、碰撞过程中，由于其材料密度相差约2倍，则导致筒内磨介的牵连、相对速度及牵连、相对加速度等运动量值剧增，由于冲击碰撞能量的大幅提高，则产生了提高粉磨效率、降低粉碎细度、降低噪声的多种效果。

如图2所示，变节距不并圈螺旋弹簧由一根钢丝卷绕构成，所述的钢丝卷按设计绕成变节距螺旋结构，变节距弹簧的设计可视系统质量、激振力等参数变化进行改善，变节距不并圈螺旋弹簧至少有4圈以上的有效螺旋，且有效螺旋的有效节距为等节距的螺旋，螺旋中径从中间到两端对称递减。

该弹簧的载荷变形特性线是渐增型非线性线，且是连续或分段连续的：这有利于防止其共振和颤振的发生；节距的大小可为各个圈之间取不同的节距，也可为几圈为一组取成几种不同的节距；节距可由小到大单向排列，也可按两端小中间大双向排列。

变节距不并圈螺旋弹簧的节距相同，螺旋中径从中间到两端对称递减。变节距不并圈螺旋弹簧起支承骨架作用，具有很好的非线性特性和阻尼性，工作时特别是在系统载荷增加、突变或过载而发生并圈时能起到提高承载能力、增加系统刚度及消音、降噪、减振的作用。

实施例中设主振弹簧的非线性特性线方程为：

(1)

式中：系统在任一瞬时载荷及相应变形，为待定系数。

根据系统受载情况，设主振弹簧的个数为n，由系统确定的静载质体质量，可得系统静载时单个弹簧所受载荷为

N

系统运动时，单个弹簧所受最大动载荷为

N （2）

上式要考虑到两点：

(1)最小载荷情况即为静载荷情况，此时单个弹簧受力为。

(2)各弹簧动静载荷及其不均匀作用引起的附加载荷，取各弹簧受载不均匀系数为1.4，动静载荷考虑振动磨最小刚度圈弹簧的不并圈的试验测试情况，选取的最大静载荷，加上振动电机激振引起最大惯性力的，作为最大动载荷。

据此可得非线性特性线的三点坐标，进而确定常数,得到非线性特性线弹簧载荷变形方程。根据振动磨机工程现场情况及设计经验，取切变模量G，可得许用切应力，选取弹簧中径D、簧丝直径d,查弹簧设计手册，根据旋绕比,取曲度系数K，则计算可得弹簧各圈刚度、各圈并圈前后弹簧刚度、，各圈并圈时的载荷、节距等计算结果。把计算过程进行MATLAB编程运行，通过改变弹簧中径D和簧丝直径d，可获得不同的弹簧自然长度H、弹簧质量及位移，确保弹簧在最大载荷作用下不并圈，检验结果的合理性。

由上述可知，因节距由两端向中间为双向递增排列，因此第2、6圈已满足最大工作载荷下的不并圈要求，为保障具有一定安全余量和变节距要求，第3，4，5三圈的间距取值比2、6圈大些，弹簧的各圈变形与各圈的间距具有如下关系：

（3）

将以上数据代入已确定待定系数的式(1)，可得修正后的弹簧载荷变形特性方程，由此可做出修正前后的两弹簧非线性硬特性线弹簧载荷与变形曲线，如图3所示，由图可看出，修正后的曲线具有更好的变刚度特性。其中，曲线1为修正后曲线，曲线2为修正前曲线。

由图3分析可知，在一般载荷下系统变形随系统载荷增大而增加；当载荷突变增加到一定值时，由于总是达不到最大动载荷，故弹簧不会并圈，此时系统变形随载荷增大而几乎无变化，呈现明显的硬特性非线性特征，这对增加振幅稳定性是有益的。

将各圈并圈前的刚度随载荷变化的规律绘成如图4所示曲线，从图中可看出：单个弹簧载荷从最小载荷到最大载荷的范围内刚度载荷曲线近似为一直线，即此时系统刚度与载荷基本呈线性关系。

据此，可进一步说明硬特性非线性系统振幅的稳定性。由弹簧的自振频率

(4)

分析可知，在变质量系统中，刚度与载荷为线性变化时，则ω仍为一常数，因该系统是在近共振状况下工作，而在近共振区附近其振幅,由(4)式知基本为常数，r为系统的阻尼系数，变化也不大，若此时激振力F基本为常数，则为常数，故近共振状态下振幅基本为常数，这就说明此时系统振幅稳定，工作状态平稳。

由样机研制的试验可知，在系统出现的高振动强度作用下，不等节距螺旋弹簧的节距变化按由小到大递增单向排列时，并圈数较多而噪声较大，且对二级偏块系统引起载荷的阶跃变化反应不稳定；节距变化按两端小中间大双向递增排列，没有并圈数而并圈噪声为零，且对二级偏块系统引起载荷的阶跃变化反应较为稳定；考虑到高振动强度的影响及系统振动的稳定性，故本设计采用后者。

非线性变节距弹簧使系统刚度随载荷变化而变化，不但具有节能高效之特点，同时能使系统振幅基本稳定。因此将传统振动磨中作为主振弹簧的普通螺旋压缩弹簧改为适宜的非线性变节距螺旋压缩弹簧，可达到稳定系统振幅、实现系统高效节能之目的。

隔振弹簧本实施例选用橡胶帆布复合材料的旧汽车轮胎，实验证明与普通橡胶弹簧、金属弹簧相比，其隔振效果明显更佳，不仅吸振性能好、噪声低，且结构简单，经济性好，具有很高的性价比。