改性瀝青膠體磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計分析及整機(jī)考核試驗

霍尚斌

摘要：對膠體磨核心機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并進(jìn)行力學(xué)和有限元分析及優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上加工出膠體磨整機(jī)，并對其進(jìn)行了試驗及工業(yè)考核。分析表明：該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各項數(shù)據(jù)穩(wěn)定，膠體磨的剪切能力良好，能達(dá)到生產(chǎn)產(chǎn)量要求且成品的剪切效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：膠體磨；轉(zhuǎn)子力學(xué)；有限元分析；試驗及考核

中圖分類號：U415.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： As a key part of the colloid mill， the rotor system was designed， and the mechanics and finite element analysis and optimization were carried out， based on which a colloid mill was manufactured and tested in industry. The results show that the colloid mill functions normally. The favorable shear capability meets the production requirements.

Key words： colloid mill； rotor mechanics； finite element analysis； test and evaluation

0 引 言

目前，國內(nèi)外高等級公路面層絕大部分是瀝青混凝土，而在高溫狀態(tài)下瀝青容易老化，在低溫狀態(tài)下瀝青又容易發(fā)生脆裂[1]。使用改性劑可改善瀝青的使用性能，但其制作需要先進(jìn)的工藝和設(shè)備，而膠體磨就是這種專用設(shè)備的核心部件[2]。

目前國產(chǎn)的膠體磨難以實現(xiàn)一次性剪切就完成改性瀝青的制作，需進(jìn)行2～3次研磨，而且設(shè)備整體結(jié)構(gòu)尺寸大，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，操作難度大，且生產(chǎn)成本高。

本文提出的膠體磨設(shè)計方案是在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的情況下，通過轉(zhuǎn)子與定子梳狀齒間產(chǎn)生剪切作用，將改性瀝青粉碎、細(xì)化，生產(chǎn)效率高、成本低且精度較高。但由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速極高，所以必須對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的力學(xué)性能及變形情況進(jìn)行分析，以確保設(shè)備的可靠性。

1 膠體磨結(jié)構(gòu)

膠體磨由磨機(jī)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

內(nèi)嚙合的定子和轉(zhuǎn)子是膠體磨的核心結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子有數(shù)百個多級刀齒，膠體磨通過轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，使得改性瀝青在膠體磨內(nèi)經(jīng)過多種方式的剪切，運(yùn)動方向和運(yùn)動速度不斷發(fā)生變化，舊分子鏈斷裂并重新構(gòu)建分子鏈，從而達(dá)到一次剪切制作改性瀝青的目的[4]。

1.1 動盤機(jī)構(gòu)

國內(nèi)外的膠體磨目前都采用高轉(zhuǎn)速，但是轉(zhuǎn)速的提高會受到汽蝕性能的限制。因此提高轉(zhuǎn)速需要通過增加誘導(dǎo)輪、加大膠體磨的入口直徑或采用抗汽蝕能力強(qiáng)的材料等方式來實現(xiàn)。綜上所述，確定動盤的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其結(jié)構(gòu)為懸掛式加誘導(dǎo)輪。

1.2 膠體磨的外形及基本參數(shù)

膠體磨外形結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用水平吸入、垂直輸出的方式。驅(qū)動電機(jī)通過聯(lián)軸器與膠體磨機(jī)連接并固定于同一底座。電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1，功率為90 kW。根據(jù)磨機(jī)產(chǎn)量與泵的流量、流速等條件的關(guān)系，同時考慮瀝青粘度等各方面性能的影響，膠體磨吸入口管徑選擇100 mm，同時考慮到泵體較大和壓力較高，膠體磨的出口管徑選擇80 mm。

2 膠體磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)力學(xué)分析

膠體磨的核心結(jié)構(gòu)是內(nèi)嚙合的定子和轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子有數(shù)百個多級刀齒，通過轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，完成改性瀝青的制作。由于轉(zhuǎn)速極高，所以必須考慮轉(zhuǎn)子的受力情況，同時需要考慮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動特性，以確保操作安全。

2.1 受力分析

為了分析轉(zhuǎn)子的受力情況，建立膠體磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的力學(xué)模型，如圖4所示。設(shè)AB段軸的質(zhì)量為Ma，BC段軸的質(zhì)量為Mb，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為Mc，而q1、q2在數(shù)值上分別等于AB段和BC段軸單位長度的質(zhì)量。根據(jù)材料力學(xué)，計算出膠體磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)AB段和BC段的撓度fAB、fBC和轉(zhuǎn)角θB。

通過對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)力學(xué)模型的分析，可以得出定轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)應(yīng)力與臨界轉(zhuǎn)速。對于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言，臨界轉(zhuǎn)速即其一階頻率，可為后面的理論分析打下基礎(chǔ)。

2.2 約束條件

由于膠體磨在工作過程中轉(zhuǎn)速極高，所以設(shè)計時應(yīng)綜合考慮轉(zhuǎn)子的應(yīng)力、變形及振動等性能。根據(jù)2.1部分的分析結(jié)果，轉(zhuǎn)子的約束條件分位移約束條件和應(yīng)力約束條件。

2.2.1 位移約束條件

對于工作中的轉(zhuǎn)子而言，轉(zhuǎn)子最外圈刀齒頂點的徑向位移最大，該位移由4部分組成：梳狀齒的彎曲變形；梳狀齒的離心力向底盤中心簡化而引起的彎曲位移；所有刀齒離心力向底盤中心簡化引起的底盤徑向位移；底盤在離心力作用下的徑向位移[5]。工作中，這4部分的位移疊加應(yīng)小于最外圈刀齒齒頂允許的徑向位移。

2.2.2 應(yīng)力約束條件

對于工作中的轉(zhuǎn)子而言，最外圈齒根部和內(nèi)圈固定處在理論上應(yīng)力最大，因此應(yīng)力約束條件需考慮最外圈刀齒彎曲應(yīng)力、內(nèi)圈固定邊處彎曲應(yīng)力及組合應(yīng)力[6]。

（1） 最外圈刀齒受到最大離心力引起的彎曲應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力。

（2） 內(nèi)圈固定邊處的彎曲應(yīng)力（內(nèi)圈固定邊受到的總彎矩引起的應(yīng)力）應(yīng)小于許用應(yīng)力。

（3） 外圈邊緣的組合應(yīng)力（外圈邊緣處總彎矩在底盤上產(chǎn)生的周向拉應(yīng)力及該處由刀齒作用于底盤的壓應(yīng)力之和）應(yīng)小于許用應(yīng)力。

3 膠體磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元分析

膠體磨系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子在離心力作用下易變形與定子發(fā)生碰撞，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮其變形、應(yīng)力、振動等，而有限元分析是得到上述技術(shù)參數(shù)最有效的方法。本文對轉(zhuǎn)子進(jìn)行了靜態(tài)和模態(tài)有限元分析。endprint

3.1 轉(zhuǎn)子靜態(tài)的有限元分析

由于轉(zhuǎn)子固定在軸上并隨軸一起轉(zhuǎn)動，工作時主要受到高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，有限元分析時應(yīng)在轉(zhuǎn)子孔周圍加入其與軸間的固定約束，并且加載轉(zhuǎn)動運(yùn)動，分析結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，膠體磨轉(zhuǎn)子最外圈刀齒頂端的徑向位移最大，為0.007 121 mm。該位移由齒根的徑向位移與轉(zhuǎn)角以及刀齒本身撓度共同形成。同時，基本上每圈刀齒都有變形位移，而定子在安裝時的間隙需要大于轉(zhuǎn)子最大徑向位移，所以在實際設(shè)計時應(yīng)對齒頂進(jìn)行倒角，以預(yù)防可能出現(xiàn)的碰撞問題。

從圖5中的應(yīng)力應(yīng)變分布圖可以看出，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，應(yīng)力最大值發(fā)生在第一圈齒的齒根處，應(yīng)力值為2535 MPa，同時轉(zhuǎn)子內(nèi)孔邊緣處應(yīng)力值也較大。為防止應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)子齒根部與底盤連接處設(shè)計時采用圓弧過度，轉(zhuǎn)子內(nèi)孔邊緣設(shè)置圓角。

3.2 轉(zhuǎn)子模態(tài)有限元分析

膠體磨工作時，會產(chǎn)生高頻激振力，為避免共振，需對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)有限元分析，以準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子的振動模態(tài)。通過分析，得出轉(zhuǎn)子的模態(tài)頻率，見表1，與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)子模態(tài)分析結(jié)果如圖6所示。

一階振動固有頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速。根據(jù)表中數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)速公式，計算出轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速為89 920 r·min-1。轉(zhuǎn)子以3 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的激振力頻率為3 600 Hz。轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于工作轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)子固有頻率遠(yuǎn)小于激振力頻率，所以膠體磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計不會產(chǎn)生共振。

4 膠體磨整機(jī)試驗、運(yùn)行及考核應(yīng)用

通過對關(guān)鍵零部件分析、優(yōu)化及冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等設(shè)計，完成了膠體磨整機(jī)的設(shè)計加工。通過室內(nèi)試驗和工業(yè)考核試驗對膠體磨的整機(jī)性能進(jìn)行性能測試和考核。

4.1 室內(nèi)試驗

（1） 冷卻系統(tǒng)氣密試驗時封閉出水口，自進(jìn)水口通入03 MPa的壓縮空氣；切斷氣源后保持2 min，壓力降不大于003 MPa。

（2） 檢查轉(zhuǎn)齒運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。

（3） 通過手動檢查，保證間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)無阻滯。

（4） 從進(jìn)料斗加入帶防銹液的清水，在額定轉(zhuǎn)速下保持5 min，不得有異常聲音和滲漏，出料口和循環(huán)管路應(yīng)暢通無阻。

（5） 粉碎型產(chǎn)品粉碎物料的粒度，要求粒徑不大于5 μm的顆粒數(shù)占全部顆粒數(shù)的百分比應(yīng)不小于80%。

（6） 乳化型產(chǎn)品中的乳化物料的粒度要求為粒徑不大于5 μm的顆粒數(shù)占全部顆粒數(shù)的百分比應(yīng)不小于85%。

（7） 產(chǎn)品外觀應(yīng)無碰傷、漆面剝落、銹蝕等缺陷。

4.2 工業(yè)考核

在完成改性瀝青膠體磨的室內(nèi)試驗和成套設(shè)備樣機(jī)的生產(chǎn)后，進(jìn)入工業(yè)考核程序。工業(yè)考核在改性瀝青料場進(jìn)行。

按照一次剪切生產(chǎn)改性瀝青的要求，對改性瀝青膠體磨的正常運(yùn)行狀況進(jìn)行了為期一個月的運(yùn)行考核。對膠體磨運(yùn)行時磨機(jī)工作電流、瀝青腔壓力、冷卻水腔壓力、潤滑油腔壓力、瀝青腔溫度、冷卻水腔溫度、潤滑油腔溫度等性能參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

數(shù)據(jù)分析表明，在考核時間內(nèi)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各項數(shù)據(jù)穩(wěn)定，偏離值都在允許范圍內(nèi)，設(shè)備的剪切能力良好，磨機(jī)拖動電流平穩(wěn)，瀝青腔體壓力穩(wěn)定，變化幅度極小。油潤滑和水冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，保障了改性瀝青膠體磨的穩(wěn)定運(yùn)行，最大生產(chǎn)率達(dá)到44 t·h-1，成品的剪切效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié) 語

（1） 膠體磨整體結(jié)構(gòu)合理，整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常、運(yùn)行

穩(wěn)定，改性瀝青生產(chǎn)產(chǎn)量大且剪切效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，解決了改性瀝青細(xì)度不夠、改性劑顆粒大、分布不均勻等技術(shù)難題。

（2） 經(jīng)過本膠體磨的高速剪切作用，生產(chǎn)出的改性瀝青性能優(yōu)良，可大大提高公路的使用壽命。

（3） 本膠體磨能夠有效降低生產(chǎn)能耗，減少廢氣排放，工作噪音低、運(yùn)行平穩(wěn)，無污染，達(dá)到了資源節(jié)約、環(huán)境友好的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint