改性瀝青膠體磨轉子系統設計分析及整機考核試驗

霍尚斌

摘要：對膠體磨核心機構轉子系統進行設計，并進行力學和有限元分析及優化，在此基礎上加工出膠體磨整機，并對其進行了試驗及工業考核。分析表明：該設備運轉正常，各項數據穩定，膠體磨的剪切能力良好，能達到生產產量要求且成品的剪切效果達到標準。

關鍵詞：膠體磨；轉子力學；有限元分析；試驗及考核

中圖分類號：U415.5 文獻標志碼：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，國內外高等級公路面層絕大部分是瀝青混凝土，而在高溫狀態下瀝青容易老化，在低溫狀態下瀝青又容易發生脆裂[1]。使用改性劑可改善瀝青的使用性能，但其制作需要先進的工藝和設備，而膠體磨就是這種專用設備的核心部件[2]。

目前國產的膠體磨難以實現一次性剪切就完成改性瀝青的制作，需進行2～3次研磨，而且設備整體結構尺寸大，生產工藝復雜，操作難度大，且生產成本高。

本文提出的膠體磨設計方案是在轉子高速旋轉的情況下，通過轉子與定子梳狀齒間產生剪切作用，將改性瀝青粉碎、細化，生產效率高、成本低且精度較高。但由于轉子轉速極高，所以必須對轉子系統的力學性能及變形情況進行分析，以確保設備的可靠性。

1 膠體磨結構

膠體磨由磨機系統、冷卻系統、潤滑系統和控制系統組成，整機結構見圖1。

內嚙合的定子和轉子是膠體磨的核心結構，定子和轉子有數百個多級刀齒，膠體磨通過轉子的高速旋轉，使得改性瀝青在膠體磨內經過多種方式的剪切，運動方向和運動速度不斷發生變化，舊分子鏈斷裂并重新構建分子鏈，從而達到一次剪切制作改性瀝青的目的[4]。

1.1 動盤機構

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

1.2 膠體磨的外形及基本參數

膠體磨外形結構如圖3所示，采用水平吸入、垂直輸出的方式。驅動電機通過聯軸器與膠體磨機連接并固定于同一底座。電機轉速為3 000 r·min-1，功率為90 kW。根據磨機產量與泵的流量、流速等條件的關系，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 膠體磨轉子系統力學分析

膠體磨的核心結構是內嚙合的定子和轉子。定子和轉子有數百個多級刀齒，通過轉子高速旋轉，完成改性瀝青的制作。由于轉速極高，所以必須考慮轉子的受力情況，同時需要考慮轉子系統的振動特性，以確保操作安全。

2.1 受力分析

為了分析轉子的受力情況，建立膠體磨轉子系統的力學模型，如圖4所示。設AB段軸的質量為Ma，BC段軸的質量為Mb，轉子的質量為Mc，而q1、q2在數值上分別等于AB段和BC段軸單位長度的質量。根據材料力學，計算出膠體磨轉子系統AB段和BC段的撓度fAB、fBC和轉角θB。

通過對轉子系統力學模型的分析，可以得出定轉子回轉應力與臨界轉速。對于轉子系統而言，臨界轉速即其一階頻率，可為后面的理論分析打下基礎。

2.2 約束條件

由于膠體磨在工作過程中轉速極高，所以設計時應綜合考慮轉子的應力、變形及振動等性能。根據2.1部分的分析結果，轉子的約束條件分位移約束條件和應力約束條件。

2.2.1 位移約束條件

對于工作中的轉子而言，轉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部分的位移疊加應小于最外圈刀齒齒頂允許的徑向位移。

2.2.2 應力約束條件

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

（1） 最外圈刀齒受到最大離心力引起的彎曲應力應小于許用應力。

（2） 內圈固定邊處的彎曲應力（內圈固定邊受到的總彎矩引起的應力）應小于許用應力。

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

3 膠體磨轉子系統的有限元分析

膠體磨系統在高速旋轉時轉子在離心力作用下易變形與定子發生碰撞，設計時應綜合考慮其變形、應力、振動等，而有限元分析是得到上述技術參數最有效的方法。本文對轉子進行了靜態和模態有限元分析。endprint

3.1 轉子靜態的有限元分析

由于轉子固定在軸上并隨軸一起轉動，工作時主要受到高速旋轉產生的離心力，有限元分析時應在轉子孔周圍加入其與軸間的固定約束，并且加載轉動運動，分析結果如圖5所示。

從圖5可以看出，膠體磨轉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子最大徑向位移，所以在實際設計時應對齒頂進行倒角，以預防可能出現的碰撞問題。

從圖5中的應力應變分布圖可以看出，轉子高速旋轉時，應力最大值發生在第一圈齒的齒根處，應力值為2535 MPa，同時轉子內孔邊緣處應力值也較大。為防止應力集中，轉子齒根部與底盤連接處設計時采用圓弧過度，轉子內孔邊緣設置圓角。

3.2 轉子模態有限元分析

膠體磨工作時，會產生高頻激振力，為避免共振，需對轉子系統進行模態有限元分析，以準確判斷轉子的振動模態。通過分析，得出轉子的模態頻率，見表1，與之對應的轉子模態分析結果如圖6所示。

一階振動固有頻率對應的轉速為臨界轉速。根據表中數據及轉速公式，計算出轉子的一階臨界轉速為89 920 r·min-1。轉子以3 000 r·min-1的轉速旋轉時產生的激振力頻率為3 600 Hz。轉子的臨界轉速遠大于工作轉速，且轉子固有頻率遠小于激振力頻率，所以膠體磨轉子系統設計不會產生共振。

4 膠體磨整機試驗、運行及考核應用

通過對關鍵零部件分析、優化及冷卻系統、潤滑系統等設計，完成了膠體磨整機的設計加工。通過室內試驗和工業考核試驗對膠體磨的整機性能進行性能測試和考核。

4.1 室內試驗

（1） 冷卻系統氣密試驗時封閉出水口，自進水口通入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） 檢查轉齒運轉狀況。

（3） 通過手動檢查，保證間隙調節機構無阻滯。

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

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

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

（7） 產品外觀應無碰傷、漆面剝落、銹蝕等缺陷。

4.2 工業考核

在完成改性瀝青膠體磨的室內試驗和成套設備樣機的生產后，進入工業考核程序。工業考核在改性瀝青料場進行。

按照一次剪切生產改性瀝青的要求，對改性瀝青膠體磨的正常運行狀況進行了為期一個月的運行考核。對膠體磨運行時磨機工作電流、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進行了監測，監測數據如表2所示。

數據分析表明，在考核時間內設備運轉正常，各項數據穩定，偏離值都在允許范圍內，設備的剪切能力良好，磨機拖動電流平穩，瀝青腔體壓力穩定，變化幅度極小。油潤滑和水冷卻系統工作狀態良好，保障了改性瀝青膠體磨的穩定運行，最大生產率達到44 t·h-1，成品的剪切效果達到標準要求。

5 結 語

（1） 膠體磨整體結構合理，整機運轉正常、運行

穩定，改性瀝青生產產量大且剪切效果達到標準，解決了改性瀝青細度不夠、改性劑顆粒大、分布不均勻等技術難題。

（2） 經過本膠體磨的高速剪切作用，生產出的改性瀝青性能優良，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能耗，減少廢氣排放，工作噪音低、運行平穩，無污染，達到了資源節約、環境友好的低碳經濟發展要求。

參考文獻：

[1] 王志廷，靳長征，韓憲鎖，等.瀝青加熱技術[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2] 李晉文.40t/h改性瀝青膠體磨的總體設計[J].建設機械技術與管理，2011（11）：121-123.

[3] 李永勝.JTMW305T型膠體磨的設計和主要參數選擇[J].建設機械技術與管理，2014（12）：94-96.

[4] 于小鵬.JTMW305T型內齒形高剪切膠體磨的研制[J].山西交通科技，2011（3）：82-84.

[5] 許其峰，浦廣益，張愉恩，等.剪切均質設備高速轉子的變形與可靠性分析[J].江南大學學報：自然科學版，2006，5（6）：705-707.

[6] 張 勇.新型高剪切均質機的理論分析與設計[D].南京：東南大學.2006.

[責任編輯：杜衛華]endprint