超声粉碎原理的探究与分析

摘要

超细粉碎是近几十年才迅速发展起来的一项高新技术，随着社会的发展和科技的进步，人们对超细粉碎技术和对粉碎设备的需求也越来越迫切，它在化工、冶金、农业、医药、纺织、航天、军工等方面都是不可缺少的一部分，而且很多原料只有在经过细粉碎或者超细粉碎之后才能更有效地被利用。虽然超细粉碎技术起步比较晚，但是经过这些年的发展，已经显露出其特有的优势和广阔的前景，在未来的国民经济中起着举足轻重的作用。
　　 物料的粉碎是一个高能耗、高钢耗、低效率的工艺过程。物料的粉碎方法主要有机械粉碎与化学粉碎两种，其中机械粉碎是目前生产生活中应用面最广的一种粉碎方法，在机械粉碎中根据工作环境的不同，又分为干式粉碎和湿式粉碎。
　　 传统的粉碎方法的改进主要有两种途径:一是制造特殊的设备，二是改变被破碎的物料的结构。这就为超声振动引进粉碎课题提供了参考意见，许多学者把超声振动应用于细粉的制造中。超声粉碎装置主要由换能器、超声波发生器及其变幅杆组成，这几部分是超声粉碎装置中最主要的部件，本文使用已有的超声波发生器和换能器，然后选择合适的变幅杆，变幅杆在超声粉碎装置中的作用主要是放大超声波的振幅，同时也能起到聚能的作用，因此变幅杆的优劣直接影响着超声设备的优劣，但是传统的几种变幅杆都具有其各自的优缺点，又受到很多应用范围的限制，并且传统变幅杆的设计方法求解困难，因此需要得到满足应用条件的优良变幅杆，就需要一种新的设计和校核的方法。
　　 本文探究了粉碎的原理及效率，分析了将超声振动应用于粉碎技术的可行性，并以超声振动粉碎为理论基础，利用有限元分析软件ANSYS对理论设计出的具有较大放大比的变幅杆进行模拟仿真，然后对得到的结果进行对比和分析，使得变幅杆的参数得到优化，更符合实际应用要求。本文的主要研究内容如下:
　　 (1)首先概述了粉碎技术的研究状况，然后重点阐述超细粉碎技术的原理及未来的发展趋势，最后介绍超声振动应用于粉碎研究课题的可行性。
　　 (2)在研究超声振动粉碎技术的过程中，研究变幅杆的理论设计方法并通过软件编程计算得到阶梯形变幅杆的理论参数。
　　 (3)基于变幅杆参数对于振动系统的影响规律，得到阶梯形变幅杆的参数，运用ANSYS软件进行模态分析，得到了变幅杆的节点位移、轴向振动、纵向振动等，然后对阶梯形变幅杆添加过渡圆弧后对其进行仿真，并得到优化后的结果。通过这些结果的对比较验证了模态分析的正确性。
　　 (4)本文研究了超声振动粉碎设备中的谐振频率对变幅杆的影响，并由此对变幅杆进行设计，但在变幅杆的参数对于超细粉碎技术的提高、粉碎效果等方面还有待进一步的研究。
　　 (5)在对粉碎机理研究的基础上，建立了粉碎的数学模型，通过实验得到了模型的相关参数，实验的结果表明将超声波应用于脆硬材料的粉碎是切实可行的，并能够有效地粉碎这些材料，为以后的研究提供了一定的参考依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 文献综述

1．2．1 超声波应用技术的发展

1．2．2 湿式粉碎和干式粉碎两种粉碎方法的对比分析

1．2．3 超声变幅杆的研究概述

1．2．4 超细粉碎技术的研究概述

1．3 选题的目的及意义

1．4 本课题的主要工作

第二章 粉碎加工技术概述

2．1 粉碎方法简述

2．2 超细粉碎设备的发展状况

2．3 超细粉碎设备的发展趋势

2．4 粉体的细度特征

2．4．1 粒径

2．4．2 颗粒群的平均粒径

2．4．3 粉体的比表面积

2．4．4 颗粒形状分析

2．4．5 颗粒形状的图像分析

2．4．6 筛目

2．5 本章小结

第三章 超细粉碎及超声变幅杆理论设计

3．1 超细粉碎过程力学

3．1．1 晶体的破碎与变形

3．1．2 裂纹及其扩展

3．2 超细粉碎过程的物理化学

3．3 超细粉体分级原理与分离极限

3．3．1 重力和离心力分级原理

3．3．2 沉降分离极限

3．4 超声变幅杆的理论设计

3．4．1 超声波及其特点

3．4．2 超声粉碎技术

3．4．3 超声加工设备的组成

3．4．4 变幅杆的设计步骤

3．4．5 阶梯形变幅杆的理论设计

3．5 参数计算结果

3．6 本章小结

第四章 变幅杆的模态分析

4．1 有限元法介绍

4．1．1 弹性力学基础及有限元法基本理论

4．1．2 有限元法的特点及分析流程

4．1．3 ANSYS有限元分析软件

4．2 模态分析的简介及其作用

4．2．1 模态分析的基本概念及理论基础

4．2．2 模态分析的作用

4．3 阶梯型变幅杆几何模型的建立

4．3．1 UG软件的特点

4．3．2 三维几何模型的建立

4．4 阶梯型变幅杆有限元模型的建立

4．4．1 有限元模型单元和材料的选取

4．4．2 网格划分

4．5 阶梯型变幅杆模态分析

4．5．1 模态分析方法简介

4．5．2 模态分析的基本流程

4．5．3 自由状态下变幅杆模态分析在ANSYS中的具体实现

4．5．4 自由状态下变幅杆模态分析的结果及分析

4．6 添加过渡圆弧的阶梯形变幅杆

4．7 本章小结

第五章 粉碎系统的数学模型求解

5．1 粉碎系统及状态分析

5．1．1 主要因素的结构解析

5．1．2 系统参变量分析

5．2 粉碎过程中的数学模型的建立

5．2．1 粉碎数学模型的进展

5．2．2 BS模型

5．3 超声粉碎实验

5．4 结论

5．5 本章小结

第六章 总结展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文