超声振动超细粉碎系统的设计方法与实验研究

摘要

超细粉体技术是一门于上世纪70年代开始逐渐蓬勃发展的全新技术，在工业技术中的诸多领域皆有应用。经过超细粉碎后的物料会表现出许多优良的性能。超细粉体的粒度更为精细，在表面离散均布有较多质点数，有很高的表面活性和表面能，化学反应速度快，吸附容量大，溶解度高，且在光、电、磁性、遮盖率等物理性质上表现优异，因此它可改善和促进涂料油漆、信息记录介质、新型耐火材料、生物化工、精细陶瓷、微电子技术等工业技术的发展。目前，制备超细粉体的方法已有多种。在工业应用中主要有化学合成法和机械粉碎法这两种方式。其中，化学合成法成本高，产量低，工艺复杂;而机械粉碎法成本低，产量高，工艺简单，且在粉碎过程中产生的机械化学作用又可以提高物料的性能。因此，只有少量的超细粉体由化学合成，而80％以上的非金属矿物由机械粉碎法粉碎。
　　超声加工技术在最近数十年发展迅猛，在超声振动系统（超声波发生器、换能器、变幅杆）、深小孔加工、型腔模具研磨抛光、超声复合加工等领域都有较为普遍的探究和应用。尤其是在用传统刀具难以进行加工的硬脆材料领域，超声加工技术克服了重要的工艺技术难点，工艺效果优良。
　　目前将超声振动应用于粉碎领域主要是利用超声空化产生的压力波将团聚的固体颗粒打散于液体中，应用于医药、食品、化工及生物方面。而利用工具头的超声频振动来实行物料超细粉碎的研究极少，本课题就超声振动超细粉碎系统的分析和设计进行研究探索。
　　在对已有粉碎理论的研究基础上，结合脆性固体断裂力学，提出了超声振动超细粉碎的机理。通过外协方式加工装配超声振动超细粉碎实验装置，设计实验方案，完成相关实验。
　　本论文对超声振动超细粉碎系统进行了设计分析，主要完成工作如下:
　　(1)研究超声振动超细粉碎的机理
　　在对已有的粉碎理论的学习基础上，基于脆性固体断裂力学，对超声振动超细粉碎过程中物料的粉碎力学，物料裂纹及其扩展过程及超细粉碎能耗理论进行初步的分析研究。
　　(2)设计制造超声振动超细粉碎实验装置，并进行相关性能参数实验测试
　　设计超声振动超细粉碎系统装置，并重点对超声变幅杆进行设计计算，利用理论解析法和有限元分析法对所设计的变幅杆进行交互印证;设计好超声振动超细粉碎声学系统后，进行加工制造，并利用阻抗分析仪测试其相关参数;针对超细粉碎的特点设计制造相关实验装置，完成超声振动超细粉碎实验设备搭建。
　　(3)超声振动超细粉碎实验研究
　　制定实验方案，对特定粒径分布的物料颗粒进行粉碎实验，分析其在超声振动超细粉碎实验装置作用下的粉碎结果，通过粉碎结果完善超声振动超细粉碎理论。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 文献综述

1．2．1 超细粉碎技术国内外发展现状

1．2．2 超细粉碎技术的发展趋势

1．2．3 超细粉碎技术分类

1．3 本课题研究的目的和意义

1．4 本文研究内容

第二章 超声振动超细粉碎系统装置设计

2．1 超声振动超细粉碎法

2．1．1 超声振动超细粉碎系统的原理

2．1．2 超声振动超细粉碎系统实验装置

2．2 超声振动超细粉碎声学系统

2．2．1 超声波发生器

2．2．2 超声波换能器

2．2．3 变幅杆

2．3 本章小结

第三章 超声振动超细粉碎系统变幅杆设计分析

3．1 超声变幅杆设计方法

3．1．1 理论解析法

3．1．2 等效电路法(四端网络法)

3．1．3 替代法(机械阻抗相等法)

3．1．4 传输矩阵法

3．1．5 有限元法

3．2 理论解析法设计超声振动超细粉碎系统变幅杆

3．3 有限元法分析超声振动超细粉碎系统变幅杆

3．3．1 有限元法简介

3．3．2 有限元软件ANSYS简介

3．3．3 变幅杆ANSYS模态分析

3．4 本章小结

第四章 超声振动超细粉碎机理探究

4．1 粉碎理论

4．1．1 粉碎的定义

4．1．2 粉碎的基本理论

4．1．3 粉碎模型

4．1．4 粉碎功

4．2 超声振动超细粉碎机理的初步分析

4．2．1 硅砂

4．2．2 超声振动超声粉碎硅砂机理的初步分析

4．3 本章小结

第五章 超声振动超细粉碎实验研究

5．1 圆锥变幅杆谐振频率测量

5．2 超声振动超细粉碎实验

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文