本科毕业设计（论文）通过答辩
目录
摘要 (1)
第一章绪论 (3)
1.1 课题的来源、研究的意义及现状分析 (3)
1.2 课题研究的内容和要求 (4)
第二章球磨机的工作原理及分类 (5)
2.1球磨机的工作原理 (5)
2.2球磨机的分类 (6)
2.3用途和使用范围 (6)
第三章球磨机的主要参数计算 (7)
3．1球磨机的临界转速 (7)
3.2球磨机的理论适宜转速n (7)
3.3转速比 (8)
3.4磨机的实际工作转速 (8)
3.5磨机的实际功率 (8)
第四章行星齿轮传动设计计算 (10)
第五章行星齿轮静强度校核 (15)
第六章行星齿轮轴计算 (18)
第七章中心轴强度计算 (22)
第八章轴承寿命分析 (24)
第九章运动分析 (27)
结语 (29)
致谢 (30)
参考文献 (31)
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附录：英文文献翻译 (32)
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小型卧式行星轮球磨机设计与运动分析
摘要：随着现代科技的飞跃发展，新材料的开发与应用在各高校、研究所乃至各行各业正引起人们的日益重视。然而，无论是提高材料的性能还是分析材料的成分，均需要制备更细、更均匀的材料样本。常规的机械制取方法是采用球磨方式，通过球磨机的高速旋转，机内磨球与材料之间高能撞击，达到粉碎、研磨、混合材料的目的。
本文主要论述了球磨机的发展现状、发展趋势及球磨机在工业中的作用。
主要设计任务是球磨机传动方案的设计和运动的分析。主要设计内容包括：球磨机主要参数的计算，行星齿轮传动机构的设计，行星齿轮的计算等。设计的目标是使得机器能满足强度、刚度、寿命、工艺性和经济性等方面的要求，且运行平稳，工件可靠，结构合理，装拆方便，便与维修与整理，最后能满足加工要求，保证加工质量。
关键词：球磨机；行星齿轮；主要参数；运动分析
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Smallhorizontalplanetroundballmilldesigning
andmovementanalysis
Abstract:Withtherapiddevelopmentofmodernscienceand
technology,thedevelopmentofnewmaterialsandapplicationin variousuniversities,researchinstitutesandallwalksoflifeare arousedpeople'sattentionincreasingly.However,nomatterwhether theyimprovethepropertiesofmaterialsoranalysisthecomposition ofthematerial,whichrequirespreparationmorefine,moreuniform materialsamples.Theconventionalmechanicalmanufacturingmethodis touseballmillway,throughtheballmill'shigh-speed,machines andmaterialsofthegrindingballbetweenhigh-energycollision, crushing,grinding,mixingtoachievethepurposeofmaterials. Thispapermainlydiscussestheballmill'sdevelopmentpresent situation,developmenttrendandtheroleofballmillinindustry. Themaintaskistodesignandthedesignofballmilltransmission schemeanalysisofthemovement.Themaindesigncontentincludes: theballmillmainparameters,thedesignoftheplanetarygear transmissionmechanism,thecalculationofplanetarygear,etc. Designgoalistomakethemachinecansatisfytheintensity,
stiffness,life,technologyandeconomy,requirements,andsmooth operation,processandreliable,thestructureisreasonable, installationconvenience,thenandmaintenanceandarrange,finally canmeettherequirementsoftheprocessing,processingquality guarantee.
Keyword:Ballmill;Planetarygear;Themainparameters;Motion analysis
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第一章绪论
1.1课题的来源、研究的意义及现状分析
1.1.1课题的来源
球磨机（BallGrindingMill）是一种传统物料研磨装置，至今已
有一百多年的发展历史。19世纪初期出现了用途广泛的球磨机，1870 年在球磨机的基础上发展出排料粒度均匀的棒磨机，1908年又创制出不用研磨介质的自磨机。20世纪30～50年代，美国和德国相继研制出辊碗磨煤机、辊盘磨煤机等立轴式中速磨煤机。球磨机作为将固体物料细化制粉的重要设备，广泛应用于冶金、化工、水泥、陶瓷、建筑、电力、医药以及国防工业等部门，对各种矿石和其他可磨性物料进行干式或湿式粉磨。尤其是冶金工业中的选矿部门，磨矿作业更是具有十分重要的地位。近年来我国的房地产业发展迅速，城市化建设进程的加快也带动了相关行业的快速发展，其中一个突出的体现就是水泥制造业。总部位于英国的《InternationalCementReview》（国际水泥评论）刚
刚发布其最新的《GlobalCementReport》（全球水泥报告），该报告
覆盖了160多个国家。报告指出，全球水泥消费量2008年为28.3亿t，2009年为29.98亿t，2010年更是增至32.94亿t，2012年全球水泥消费量预计将达到38.59亿t。中国目前在全球水泥数据统计中独占鳌头，2010年的消费量为18.51亿t，几乎是2004年水平的两倍，水泥消费的旺盛增长趋势促进了国内对球磨机的需求量的增加。
由于球磨机的处理能力和球磨后的粒度对后续作业的效率和整体生
产流程的技术经济指标影响显著，有关球磨机的研究在国内外一直受到广泛的关注和高度重视。近几年来，由于能源费用的增长和矿石品位的下降，降低建设投资和生产费用是世界各国矿山工业面临的一个严峻问题，采用高效大型设备是现代选矿厂建设的主要倾向，球磨机的大型化已成为技术发展的方向。
1.1.2课题研究的意义
随着现代工业对超细物料需求量的日益增加，对品质要求的不断提
高,新的超细粉磨设备及新型粉磨工艺不断出现。行星式球磨机在能耗、钢耗和效率等方面比常规圆筒形球磨机更有优势。
90年代以来,机械合金化法已成为制备新型复合材料的热门课题。
现已发现,MA通过行星式高能球磨机的高能研磨作用,可以引起材料原
子尺度的结合与化学反应,可以实现非晶质化,可以将金属间化合物组
元粉体固态下生成金属间化合物,可以使某些液态下并不互溶的体系实
现较宽成分范围的固溶;另一方面,由于高能球磨机的强烈撞击与研磨作用,还可以制备出各种单质元素的纳米级粉体材料和金属陶瓷纳米材料等。
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行星式高能球磨机之所以能成功地实现上述新型材料的制备,主要
取决于行星式高能球磨机的工作能力,本文通过对行星式高能球磨机的
运动学及动力学分析,使人们能较深入地了解到行星式高能球磨机的工
作原理,这对于MA的理论研究是有一定参考意义的。
1.1.3现状的分析
常规行星式球磨机中的球磨罐放置在水平的大盘上作行星运动,磨球
和磨料受公转和自转两个水平方向离心力的作用,相互碰撞研磨产品。龚姚腾等研制的微型双筒行星式球磨机,磨筒自转和公转产生的离心力及磨筒与筒壁间的摩擦力使磨球与物料在筒内产生互相冲击、摩擦和上下翻滚等来磨碎物料；张克仁等研制的TCMJ一l型行星式超细球磨机,采用以搓揉方式为主的平动式超细粉碎方法，实验表明,该机具有效率高、节能效果明显和超细磨矿的良好性能；陈世柱等研制的行星式高能球磨机由于磨球对粉体频繁强烈地撞击、碾压及搓揉等作用,具有较大的惯性力,
因而对粉体能产生强烈的撞击,其撞击力随着转速的提高而成倍增加。
南京大学仪器厂推出一种新型卧式行星球磨机。该机的特点是4只
球磨罐被卧式安装在竖直放置的大盘上作行星运动,罐内的磨球和磨料在竖直平面内受到公转离心力、自转离心力、重力3个力的共同作用,导致磨球与磨料在高速运转中相互之间猛烈碰撞、挤压,提高了研磨效率和研磨效果,同时,避免了一部分材料的结底现象。
1.2课题研究的内容和要求
在本次毕业设计之前，本人对球磨机进行了大概的了解，总结了以前
在工厂中实习的经验，对球磨机的结构、造型有了总体的认识，对球磨机的工作原理也有了较深的了解。本人的主要设计内容为球磨机的总体设计和对运动的分析。
针对自己设计的主要内容，在了解球磨机的总体构造之外查阅了有关
结构部件方面的书。在设计过程中，先对球磨机进行总体设计，特别是对行星轮系的设计，确定传动方案，找出相关参数。要求设计部件结构总图及部分零件图。合计2张A0号图纸的设计工作量，8000字以上的设计说明书。
设计主要技术指标：
1)可装球磨罐个数：4只，最大容积0.4升；
2)进料粒度：不大于4-10mm；出料程度：最小可达0.1um；
3)球磨机额定转速：公转50-400转/分，自转100-800转/分；
4)电动机额定功率0.75千瓦，220伏，50赫兹。
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第二章球磨机的工作原理及分类
2.1球磨机的工作原理
卧式行星球磨机是将四只球磨罐水平安装在一垂直平面的大盘上作行星运
动。在这种运动过程中球磨罐没有固定的底面，罐内磨球和磨料在垂直平面内
受到公转、自转两个离心力和重力的共同作用，相互之间猛力碰撞、挤压，将
磨料快速粉碎、磨细。
图1卧式行星轮球磨机结构示意图
本实用新型卧式行星球磨机涉及的是一种适用于同时球磨多种磨料的卧式
行星球磨机。结构由机架1-13、传动机构、电机1-14、拉马桶1-4、球磨罐1-10构成，传动机构包括大盘1-5、主轴1-7、行星轴1-12、行星轮系、小带轮
1-16、大带轮1-8、传动带1-15，其特征在于球磨罐卧式装置在大盘上得拉马
桶内，传动机构中的大盘垂直安装在主轴上，主轴、行星轴水平安装在机架
上。其特征在于拉马桶安置于平面或带斜面的托盘上。球磨罐通过夹持架由上
夹圈、下夹圈、拉杆及蝶形螺母构成。行星轮系采用齿轮行星轮系或带轮行星
轮系。
齿轮行星轮系由过渡齿轮1-11、行星齿轮1-6及固定齿轮1-9构成，带轮
行星轮系由固定带轮、行星带轮及三角皮带构成。行星球磨机球磨罐1-10卧式
装置在行星球磨机传动机构中大盘1-5上的拉马桶1-4内，大盘1-5垂直安装
在主轴1-7上，主轴1-7、行星轴1-12水平安装在机架1-13上。拉马桶1-4
安置于平面或带斜面的托盘1-17上，大盘1-5上可设置有多个拉马桶1-4，球
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磨罐1-10装置在拉马桶1-4内，球磨罐1-10外端装有压紧盖1-3，通过压紧
螺杆螺母1-2压紧，压紧螺母上装有压紧手把1-1。
电机装置在机架下部，电机输出轴上装有带轮，通过传动带传动打带轮。
大带轮装置在主轴上，通过主轴带动大盘旋转（公转），大盘的旋转经由行星
轮系带动行星轴旋转(自转)，大盘上可同时安置多个拉马桶，拉马桶内装置有球磨罐，由于公转和自转的叠加使球磨罐告诉旋转，球磨罐内的磨球在离心力及重力的作用下与磨料相互碰撞吧磨料粉碎和磨细。
卧式行星球磨机的优点：
1、由于球磨罐呈卧式装置，运转时没有固定底面，因而不存在磨料
沉底的问题。
2、卧式行星球磨机球磨时，磨罐的上、下底面及罐壁都是研磨面，
因而球磨效率必然高于立式行星球磨机。
3、由于装置球磨罐的拉马桶安置在带有5°左右斜面的托盘上，球
磨时，球磨罐除公转及自转外多了围绕中心轴的圆锥形摆动，
使罐内球磨的运动轨迹更复杂，更无规律，因而磨球和磨料、
罐壁碰撞的几率更高，大大改善了球磨效率。
2.2球磨机的分类
①按冲击分：轻型，重型；
②按长度分：短磨机、中长磨机、长磨机；
③按磨介形状分：球磨机、棒磨机、棒球磨机、砾石磨；
④按卸料方式分：尾斜式磨机、中卸式磨机、尾卸式磨机；
⑤按传动方式分类：中心传动磨机、边缘传动磨机；
⑥其他分类：根据工艺操作又可分为干法磨机、湿法磨机、间歇磨机和连续磨机。
2.3用途和使用范围
球磨机是物料粉碎的关键设备，广泛应用于水泥、硅酸盐制品、新型建筑
材料、耐火材料、化肥、黑色有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业，对各种矿石和其他可磨性物料进行干式或湿式粉磨。
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第三章球磨机的主要参数计算
3．1球磨机的临界转速
当磨机简体的转速达到某一数值时，研磨体产生的离心力等于它本身的重力，因而使研磨体升至脱离角，即研磨体将紧贴附在简体上，随简体一
起回转而不会降落下来，这个转速就称为临界转速。当研磨体处于极限位置时，脱离角，将此值代入研磨体运动基本方程式，可得临界转速：
（1）
式中：—临界转速，r/min；
R—筒体有效半径，m；
—磨机筒体有效直径，m。
根据文献[1]表5—1中，磨机直径2.4m，有效内径为2.3m，将其代入
公式(1)
以上公式是在几个假定的基础上推导出来的，事实上，研磨体与研磨体、
研磨与筒体之间是存在相对滑动的，而且物料对研磨体也是有影响的。因此，实际的临界转速比计算的理论转速要高，且与磨机结构、衬板形状、研磨体填充率等因素有关。
3.2球磨机的理论适宜转速n
理论上，当简体到达临界转速时，由于研磨体贴附在筒体内壁面上，不能
起到粉磨作用，因此对物料的粉碎功为零，当筒体转速极低时，研磨体没有被筒壁带起，对物料的粉碎功亦为零，因此，使研磨体产生最大粉碎功时的简体转速称作球磨机的理论适宜转速n。当靠近筒壁的最外层研磨体的脱离角时，研磨体具有最大的降落高度，对物料产生粉碎功最大。将
代入式，可得理论适宜转速：
(2)
代入式（2）：
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3.3转速比
球磨机的理论适宜转速与临界转速之比，简称为转速比，即：
(3)
式(3)说明理论适宜转速为临界转速的76％。一般磨机的实际转速为临界
转速的70％～80％。
3.4磨机的实际工作转速
磨机理论适宜转速是根据最外层研磨体能够产生最大粉碎功观点推导出来的。这个观点没有考虑到研磨体随筒体内壁上升过程中，部分研磨体有下滑和滚动现象。工作转速的选定，除了应考虑磨机的直径、生产方式、衬板形状、研磨体的填充系数、研磨体的种类外，还要考虑到粉磨物料的性质、人磨物料粒度和粉磨细度等。根据水泥生产中磨机运转的经验及相关统计资料来确定磨机的实际工作转速。下面几个经验公式是对干法磨机的实际工作转速的确定方法：
当时（4）
当时（5）
当时（6）
式中：—磨机的实际工作转速，r/min；
—磨机的有效内径，m；
D—磨机规格直径，m。
3.5磨机的实际功率
影响磨机需用功率的因素很多，如磨机的直径、长度、转速、装载量、填
充率、内部装置、粉磨方式以及传动形式等。计算功率的方法也很多，常用的计算磨机需用功率的计算式有以下三种：
(7)
(8)
(9)
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式中：—磨机需用功率，KW；
V—磨机有效容积，；
—磨机的有效内径，m；
n—磨机的适宜转速，r/min；
G—研磨体装载量，t；
—磨机填充率（以小数表示）。
根据文献[1]5—1式中，；
文献[1]5—25式中，
其中，r—研磨体的容量，，钢铁为4.5；
—填充率；
由于，，，，代入，V=39.8，G=51.3
选用公式(7)计算：
磨机配套电动机功率计算：
(10)
式中：—与磨机结构、传动效率有关的系数；
—电动机储备系数，在1.0～1.1间选取。
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第四章行星齿轮传动设计计算
已知电机驱动装置的功率0.37KW，输出转速为1400r/min，负载当量值为2187.999Nm，由于是选取两个或四个同时运行，所以采取对称结构，故四个行星轮可选取同一类型的，因此，只需计算太阳轮和一个行星轮的传动。
4.1配齿计算
查[1]表17．2—1选择行星轮数目，取n
w
=4，设输入转速为43.6rpm。确
定各轮齿齿数，选
a
z =13，
b
z =51。因此实际传动比
1
51
1 1 4.923
13
b
a
z
i
z
；
4.2按接触强度初算a-b传动的中心矩和模数
输入转矩
III
3
/ 2187.999/4.923 444.44
III
设载荷不均匀系数
c
K=1.1
在一对a-b传动中，太阳轮传动的转矩
444.44
1.1 12
2.22
4
III
aIII c
wIII
T
T K
n
按[1]表17.2-31查得接触强度使用的综合系数K=1.9 齿数比u
19
1.462
13
cIII
aIII
z
u
z
太阳轮的材料采用12CrNi3，行星轮的材料用20CrMnTi，齿面硬度56～60HRC，查[1]图16.2-18选取
lim H
，内齿轮材料选用
42CrMo，
lim H
，表面氮化硬度55HRC以上。
取齿宽系数 0.60
a
b
a
则中心距a
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12
3
3
2 2
lim
1.9 12
2.22
483 1 483 1.462 1 58.27
0.60 1.462 1500
aIII
a H
KT
a u
mm
模数
2 2 58.27
3.64
13 19
aIII cIII
a
m
z z
mm
取模数m=4
未变位时中心距
1 1
4 13 19 64
2 2
aIII cIII
由于已经保证了安装条件，同心条件，将中心距设为64mm，采用高变位，
具体计算如下表：
表4-1 行星传动齿轮计算结果汇总
序
序
号
名称
代
代
号
计算公式计算结果
1 模数 m 取标准值 4mm 2
分度圆
压力角
取标准值
3
齿顶高
系数
*
a
h 取标准值
*
1
a
4
隙系数
*
c 取标准值*
5
分度圆
柱螺旋
角
6
分度圆
直径
d
a a
，b b
4 13 52 a
4 51 204 b
7
未变位
距
a
1
( )
2
1
( )
2
a a b
b b
a d d
a d d
带
1
(52 76) 64 2
1
(204 76) 64 2
a
b
a mm mm a mm mm
8
心距
' a
采用高变位，中心距不
变
'
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中心距
变动系
数
y
'
'
a
a
b
b
a a
y
m
a a
y
m
a
b
y
y
10 啮合角
由于传动中心距未变，故啮合角为20度
a-c：传动啮合角为20度c-b：传动啮合角为20度11
总变位
系数
x
由于传动采用高变位，所以x
=0
a-c：x
=0