改性沥青胶体磨转子系统设计分析及整机考核试验

霍尚斌

摘要：对胶体磨核心机构转子系统进行设计，并进行力学和有限元分析及优化，在此基础上加工出胶体磨整机，并对其进行了试验及工业考核。分析表明：该设备运转正常，各项数据稳定，胶体磨的剪切能力良好，能达到生产产量要求且成品的剪切效果达到标准。

关键词：胶体磨；转子力学；有限元分析；试验及考核

中图分类号：U415.5 文献标志码：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，国内外高等级公路面层绝大部分是沥青混凝土，而在高温状态下沥青容易老化，在低温状态下沥青又容易发生脆裂[1]。使用改性剂可改善沥青的使用性能，但其制作需要先进的工艺和设备，而胶体磨就是这种专用设备的核心部件[2]。

目前国产的胶体磨难以实现一次性剪切就完成改性沥青的制作，需进行2～3次研磨，而且设备整体结构尺寸大，生产工艺复杂，操作难度大，且生产成本高。

本文提出的胶体磨设计方案是在转子高速旋转的情况下，通过转子与定子梳状齿间产生剪切作用，将改性沥青粉碎、细化，生产效率高、成本低且精度较高。但由于转子转速极高，所以必须对转子系统的力学性能及变形情况进行分析，以确保设备的可靠性。

1 胶体磨结构

胶体磨由磨机系统、冷却系统、润滑系统和控制系统组成，整机结构见图1。

内啮合的定子和转子是胶体磨的核心结构，定子和转子有数百个多级刀齿，胶体磨通过转子的高速旋转，使得改性沥青在胶体磨内经过多种方式的剪切，运动方向和运动速度不断发生变化，旧分子链断裂并重新构建分子链，从而达到一次剪切制作改性沥青的目的[4]。

1.1 动盘机构

国内外的胶体磨目前都采用高转速，但是转速的提高会受到汽蚀性能的限制。因此提高转速需要通过增加诱导轮、加大胶体磨的入口直径或采用抗汽蚀能力强的材料等方式来实现。综上所述，确定动盘的结构如图2所示。其结构为悬挂式加诱导轮。

1.2 胶体磨的外形及基本参数

胶体磨外形结构如图3所示，采用水平吸入、垂直输出的方式。驱动电机通过联轴器与胶体磨机连接并固定于同一底座。电机转速为3 000 r·min-1，功率为90 kW。根据磨机产量与泵的流量、流速等条件的关系，同时考虑沥青粘度等各方面性能的影响，胶体磨吸入口管径选择100 mm，同时考虑到泵体较大和压力较高，胶体磨的出口管径选择80 mm。

2 胶体磨转子系统力学分析

胶体磨的核心结构是内啮合的定子和转子。定子和转子有数百个多级刀齿，通过转子高速旋转，完成改性沥青的制作。由于转速极高，所以必须考虑转子的受力情况，同时需要考虑转子系统的振动特性，以确保操作安全。

2.1 受力分析

为了分析转子的受力情况，建立胶体磨转子系统的力学模型，如图4所示。设AB段轴的质量为Ma，BC段轴的质量为Mb，转子的质量为Mc，而q1、q2在数值上分别等于AB段和BC段轴单位长度的质量。根据材料力学，计算出胶体磨转子系统AB段和BC段的挠度fAB、fBC和转角θB。

通过对转子系统力学模型的分析，可以得出定转子回转应力与临界转速。对于转子系统而言，临界转速即其一阶频率，可为后面的理论分析打下基础。

2.2 约束条件

由于胶体磨在工作过程中转速极高，所以设计时应综合考虑转子的应力、变形及振动等性能。根据2.1部分的分析结果，转子的约束条件分位移约束条件和应力约束条件。

2.2.1 位移约束条件

对于工作中的转子而言，转子最外圈刀齿顶点的径向位移最大，该位移由4部分组成：梳状齿的弯曲变形；梳状齿的离心力向底盘中心简化而引起的弯曲位移；所有刀齿离心力向底盘中心简化引起的底盘径向位移；底盘在离心力作用下的径向位移[5]。工作中，这4部分的位移叠加应小于最外圈刀齿齿顶允许的径向位移。

2.2.2 应力约束条件

对于工作中的转子而言，最外圈齿根部和内圈固定处在理论上应力最大，因此应力约束条件需考虑最外圈刀齿弯曲应力、内圈固定边处弯曲应力及组合应力[6]。

（1） 最外圈刀齿受到最大离心力引起的弯曲应力应小于许用应力。

（2） 内圈固定边处的弯曲应力（内圈固定边受到的总弯矩引起的应力）应小于许用应力。

（3） 外圈边缘的组合应力（外圈边缘处总弯矩在底盘上产生的周向拉应力及该处由刀齿作用于底盘的压应力之和）应小于许用应力。

3 胶体磨转子系统的有限元分析

胶体磨系统在高速旋转时转子在离心力作用下易变形与定子发生碰撞，设计时应综合考虑其变形、应力、振动等，而有限元分析是得到上述技术参数最有效的方法。本文对转子进行了静态和模态有限元分析。endprint

3.1 转子静态的有限元分析

由于转子固定在轴上并随轴一起转动，工作时主要受到高速旋转产生的离心力，有限元分析时应在转子孔周围加入其与轴间的固定约束，并且加载转动运动，分析结果如图5所示。

从图5可以看出，胶体磨转子最外圈刀齿顶端的径向位移最大，为0.007 121 mm。该位移由齿根的径向位移与转角以及刀齿本身挠度共同形成。同时，基本上每圈刀齿都有变形位移，而定子在安装时的间隙需要大于转子最大径向位移，所以在实际设计时应对齿顶进行倒角，以预防可能出现的碰撞问题。

从图5中的应力应变分布图可以看出，转子高速旋转时，应力最大值发生在第一圈齿的齿根处，应力值为2535 MPa，同时转子内孔边缘处应力值也较大。为防止应力集中，转子齿根部与底盘连接处设计时采用圆弧过度，转子内孔边缘设置圆角。

3.2 转子模态有限元分析

胶体磨工作时，会产生高频激振力，为避免共振，需对转子系统进行模态有限元分析，以准确判断转子的振动模态。通过分析，得出转子的模态频率，见表1，与之对应的转子模态分析结果如图6所示。

一阶振动固有频率对应的转速为临界转速。根据表中数据及转速公式，计算出转子的一阶临界转速为89 920 r·min-1。转子以3 000 r·min-1的转速旋转时产生的激振力频率为3 600 Hz。转子的临界转速远大于工作转速，且转子固有频率远小于激振力频率，所以胶体磨转子系统设计不会产生共振。

4 胶体磨整机试验、运行及考核应用

通过对关键零部件分析、优化及冷却系统、润滑系统等设计，完成了胶体磨整机的设计加工。通过室内试验和工业考核试验对胶体磨的整机性能进行性能测试和考核。

4.1 室内试验

（1） 冷却系统气密试验时封闭出水口，自进水口通入03 MPa的压缩空气；切断气源后保持2 min，压力降不大于003 MPa。

（2） 检查转齿运转状况。

（3） 通过手动检查，保证间隙调节机构无阻滞。

（4） 从进料斗加入带防锈液的清水，在额定转速下保持5 min，不得有异常声音和渗漏，出料口和循环管路应畅通无阻。

（5） 粉碎型产品粉碎物料的粒度，要求粒径不大于5 μm的颗粒数占全部颗粒数的百分比应不小于80%。

（6） 乳化型产品中的乳化物料的粒度要求为粒径不大于5 μm的颗粒数占全部颗粒数的百分比应不小于85%。

（7） 产品外观应无碰伤、漆面剥落、锈蚀等缺陷。

4.2 工业考核

在完成改性沥青胶体磨的室内试验和成套设备样机的生产后，进入工业考核程序。工业考核在改性沥青料场进行。

按照一次剪切生产改性沥青的要求，对改性沥青胶体磨的正常运行状况进行了为期一个月的运行考核。对胶体磨运行时磨机工作电流、沥青腔压力、冷却水腔压力、润滑油腔压力、沥青腔温度、冷却水腔温度、润滑油腔温度等性能参数进行了监测，监测数据如表2所示。

数据分析表明，在考核时间内设备运转正常，各项数据稳定，偏离值都在允许范围内，设备的剪切能力良好，磨机拖动电流平稳，沥青腔体压力稳定，变化幅度极小。油润滑和水冷却系统工作状态良好，保障了改性沥青胶体磨的稳定运行，最大生产率达到44 t·h-1，成品的剪切效果达到标准要求。

5 结 语

（1） 胶体磨整体结构合理，整机运转正常、运行

稳定，改性沥青生产产量大且剪切效果达到标准，解决了改性沥青细度不够、改性剂颗粒大、分布不均匀等技术难题。

（2） 经过本胶体磨的高速剪切作用，生产出的改性沥青性能优良，可大大提高公路的使用寿命。

（3） 本胶体磨能够有效降低生产能耗，减少废气排放，工作噪音低、运行平稳，无污染，达到了资源节约、环境友好的低碳经济发展要求。

参考文献：

[1] 王志廷，靳长征，韩宪锁，等.沥青加热技术[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2] 李晋文.40t/h改性沥青胶体磨的总体设计[J].建设机械技术与管理，2011（11）：121-123.

[3] 李永胜.JTMW305T型胶体磨的设计和主要参数选择[J].建设机械技术与管理，2014（12）：94-96.

[4] 于小鹏.JTMW305T型内齿形高剪切胶体磨的研制[J].山西交通科技，2011（3）：82-84.

[5] 许其峰，浦广益，张愉恩，等.剪切均质设备高速转子的变形与可靠性分析[J].江南大学学报：自然科学版，2006，5（6）：705-707.

[6] 张 勇.新型高剪切均质机的理论分析与设计[D].南京：东南大学.2006.

[责任编辑：杜卫华]endprint