高能球磨機(jī)專利技術(shù)分析

孫靜文

【摘 要】基于專利數(shù)據(jù)庫從專利申請(qǐng)地域分布、重點(diǎn)申請(qǐng)人專利申請(qǐng)、專利技術(shù)發(fā)展演進(jìn)幾個(gè)方面對(duì)高能球磨機(jī)技術(shù)進(jìn)行專利分析，為該行業(yè)的技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】攪拌;行星;振動(dòng);球磨機(jī);專利

中圖分類號(hào)： TF123.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）21-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.009

超微粉碎主要是利用機(jī)械或流體動(dòng)力的方法克服物料內(nèi)部的內(nèi)聚力將一定粒徑的物料粉碎至微米或納米級(jí)的粉碎，而以機(jī)械作用力作為粉碎力場(chǎng)的超微粉碎裝置主要有氣流磨、沖擊式（反擊式）和介質(zhì)磨機(jī)。介質(zhì)磨機(jī)因其研磨介質(zhì)主要呈球狀，而被行業(yè)上稱為介質(zhì)球磨機(jī)、球磨機(jī)。常規(guī)的介質(zhì)球磨機(jī)主要利用研磨介質(zhì)與物料之間的相互作用使得物料粉碎，其包括一個(gè)繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)的筒體，通過筒體的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)筒內(nèi)的研磨介質(zhì)呈瀉落、拋落狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)物料的研磨和沖擊;而高能球磨機(jī)是傳統(tǒng)球磨機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其利用介質(zhì)磨球和物料之間長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)的相互研磨和沖擊使物料顆粒粉碎到極限尺寸。

1 高能球磨機(jī)的基本分類

高能介質(zhì)磨機(jī)屬于主要的超微粉碎設(shè)備，在研磨過程中物料與介質(zhì)磨球、磨球與磨球、磨球與磨罐壁之間高速?zèng)_擊、碾壓、摩擦，使處于其中的物料收到強(qiáng)大的沖擊力、剪切力和壓縮力等多種力的作用而發(fā)生形變斷裂，從而實(shí)現(xiàn)了物料的超微粉碎。根據(jù)高能球磨機(jī)的工作原理和特點(diǎn)不同，具體參見表1，行業(yè)上較為常用的高能球磨機(jī)一般將分為攪拌式、振動(dòng)式、行星式球磨機(jī)三類[1]。

振動(dòng)球磨機(jī)則是靠筒體的多維振動(dòng)帶動(dòng)筒內(nèi)的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)物料細(xì)碎，利用研磨介質(zhì)在高頻振動(dòng)下對(duì)物料進(jìn)行沖擊、摩擦、剪切。振動(dòng)式球磨機(jī)根據(jù)振動(dòng)源不同可以分為振動(dòng)電機(jī)直接作用式和利用激振器產(chǎn)生振動(dòng)兩種類型，振動(dòng)電機(jī)直驅(qū)式磨機(jī)利用振動(dòng)電機(jī)設(shè)置于筒體壁上從而將筒體產(chǎn)生振動(dòng)，而且振動(dòng)電機(jī)也可以進(jìn)一步通過電機(jī)內(nèi)部的偏塊組件調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)多頻、多幅的特殊振動(dòng)效果從而滿足更廣的破碎需要;而激振器不同于振動(dòng)電機(jī)直驅(qū)式產(chǎn)生振動(dòng)，根據(jù)不同工作方式又可分為慣性式、電磁式、液壓式。

攪拌式球磨機(jī)是高能球磨機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一類。攪拌式球磨機(jī)是通過筒內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌器將強(qiáng)大動(dòng)能直接傳遞至研磨介質(zhì)和物料，使得物料和研磨介質(zhì)之間相互發(fā)生激烈的碰撞、摩擦和剪切運(yùn)動(dòng)，從而使得物料被徹底粉碎。攪拌式球磨機(jī)根據(jù)攪拌器的不同一般可以分為棒式攪拌器、輪盤式攪拌器、螺旋攪拌器;其中輪盤式攪拌器又可以進(jìn)一步細(xì)粉為圓盤式、葉輪式、偏心環(huán)式。

行星式球磨機(jī)是通過傳動(dòng)系統(tǒng)使球磨筒體即產(chǎn)生公轉(zhuǎn)又繞筒體中心軸線自轉(zhuǎn)（即行星運(yùn)動(dòng)）帶動(dòng)磨腔內(nèi)的研磨介質(zhì)，在這種行星運(yùn)動(dòng)下可產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力從而使得筒體內(nèi)部的研磨介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊研磨作用[2]。所謂行星運(yùn)動(dòng)是指電機(jī)帶動(dòng)公共轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)使得安裝在其上的磨筒隨之轉(zhuǎn)動(dòng)（即公轉(zhuǎn)），而且磨筒還繞自身的中心軸/自轉(zhuǎn)。相較于常規(guī)球磨機(jī)中，研磨介質(zhì)隨著磨筒轉(zhuǎn)速升高至一定程度，研磨介質(zhì)因離心力過大會(huì)產(chǎn)生與筒壁貼合而無法脫離的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致無效粉碎做工;而行星式球磨機(jī)由于兩種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)疊加可避免普通球磨機(jī)出現(xiàn)的臨界無效研磨的現(xiàn)象。根據(jù)行星式球磨機(jī)研磨筒自轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式不同，可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式行星磨;主動(dòng)式行星磨是通過皮帶或齒輪的等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)研磨筒的自轉(zhuǎn)，而被動(dòng)式是指利用研磨筒公轉(zhuǎn)時(shí)與研磨筒公轉(zhuǎn)軌道外設(shè)置的引導(dǎo)件產(chǎn)生的摩擦力實(shí)現(xiàn)研磨筒的被動(dòng)自轉(zhuǎn)。

2 技術(shù)發(fā)展概況

本文選擇中國(guó)專利文摘數(shù)據(jù)庫以及外文數(shù)據(jù)庫德溫特世界專利數(shù)據(jù)庫作為主要檢索數(shù)據(jù)庫，通過對(duì)檢索所獲得的最終專利數(shù)據(jù)庫進(jìn)行申請(qǐng)地域分布、重點(diǎn)申請(qǐng)人、專利技術(shù)發(fā)展演等方面的統(tǒng)計(jì)、分析。

2.1 專利申請(qǐng)地域分布

專利申請(qǐng)?jiān)瓌?chuàng)國(guó)的地域分布可以反映該技術(shù)在各個(gè)國(guó)家的發(fā)展情況，從而一定程度上反映了各個(gè)地域在該技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)情況。地域分布中前5位的國(guó)家或地區(qū)為中國(guó)、德國(guó)、日本、前蘇聯(lián)、美國(guó)，上述五個(gè)國(guó)家地區(qū)的專利申請(qǐng)量已經(jīng)占據(jù)了專利申請(qǐng)總量的 87%，這表明上述五個(gè)國(guó)家地區(qū)是高能球磨機(jī)技術(shù)的主要技術(shù)原創(chuàng)市場(chǎng)，其主導(dǎo)了該技術(shù)的發(fā)展方向。而隨著我國(guó)專利制度的建立和國(guó)家政策的支持，國(guó)內(nèi)相關(guān)專利申請(qǐng)量已經(jīng)與其他四個(gè)國(guó)家地區(qū)的申請(qǐng)量之和相差無幾，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來中國(guó)相關(guān)專利申請(qǐng)量的提升，凸顯了中國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步。

2.2 重點(diǎn)申請(qǐng)人專利申請(qǐng)分析

重點(diǎn)申請(qǐng)人是指在該技術(shù)領(lǐng)域中擁有較多專利申請(qǐng)量的申請(qǐng)人;通過對(duì)全球申請(qǐng)人的申請(qǐng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從國(guó)外主要申請(qǐng)人來看包括德國(guó)NETZSCH、瑞士 BUEHLER、日本MITSUI KOZAN、德國(guó)FRITSCH等，其中，德國(guó) NETZSCH（耐馳）公司在攪拌式球磨機(jī)領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的科研實(shí)力，其研發(fā)的帶有動(dòng)態(tài)離心分離設(shè)備的攪拌磨引導(dǎo)了攪拌式球磨機(jī)的改進(jìn)潮流;而德國(guó)FRITSCH（飛馳）公司的行星式球磨機(jī)也在國(guó)內(nèi)科研院所中廣泛使用。反觀國(guó)內(nèi)申請(qǐng)，國(guó)內(nèi)有關(guān)高能球磨機(jī)的申請(qǐng)主體主要集中于高?？蒲性核@一定程度上反應(yīng)了中國(guó)相關(guān)企業(yè)早期研發(fā)能力的貧弱，同時(shí)也體現(xiàn)了國(guó)家科研政策的引導(dǎo)對(duì)該技術(shù)發(fā)展的重要意義，而大量高校的專利申請(qǐng)也反應(yīng)了該技術(shù)領(lǐng)域存在較大的技術(shù)成果轉(zhuǎn)讓的潛力。

2.3 專利技術(shù)發(fā)展演進(jìn)

高能球磨機(jī)主要分為攪拌式、振動(dòng)式、行星式球磨機(jī);攪拌式球磨機(jī)屬于最早出現(xiàn)的一類高能球磨機(jī)，其利用旋轉(zhuǎn)的攪拌器和研磨介質(zhì)的相互作用實(shí)現(xiàn)物料的粉碎;攪拌器最早設(shè)計(jì)為棒式或輪盤式實(shí)現(xiàn)將能量傳遞至研磨介質(zhì)，隨后便推出了棒式與輪盤式相結(jié)合攪拌器;而此時(shí)螺旋式攪拌器相繼問世，這極大提升了粉磨效果;進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，有關(guān)攪拌器的溫度控制、攪拌器的形狀和安裝位置關(guān)系的研究逐步增加，德國(guó)耐馳公司所申請(qǐng)的中空攪拌器配合靜態(tài)分離器的攪拌式球磨機(jī)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)式出料篩分，這極大提升了破碎效率;隨后動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)離心式分離器配合攪拌式球磨機(jī)問世，其利用分離器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的吸引力實(shí)現(xiàn)物料和研磨介質(zhì)的進(jìn)入分離器，且利用分離器的離心力實(shí)現(xiàn)了超細(xì)粉磨和研磨介質(zhì)的分離。

振動(dòng)式球磨機(jī)在20世紀(jì)40年代振動(dòng)磨理論提出后才開始逐步研究起來，直到20世紀(jì)60年代年德國(guó)在超微粉碎領(lǐng)域的政策傾斜相繼推出了多款振動(dòng)磨機(jī)，例如偏心體慣性式作為激振器的振動(dòng)磨，極大促進(jìn)了振動(dòng)磨在各國(guó)的發(fā)展和延伸，在此基礎(chǔ)上相繼研制了偏心體立式、偏心體臥式、多筒式、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)式等振動(dòng)式磨機(jī);而我國(guó)振動(dòng)式球磨機(jī)的起步較晚，進(jìn)入21世紀(jì)以來，在國(guó)外先進(jìn)技術(shù)以及振動(dòng)理論研究的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)高校主體也相繼對(duì)振動(dòng)方式進(jìn)行逐步改進(jìn)，例如電磁式激振器、液壓式激振器也逐步作為振動(dòng)手段應(yīng)用于振動(dòng)式球磨機(jī)中，同時(shí)也利用多種輔助手段提升破碎效果，例如華南理工大學(xué)研發(fā)的等離子體輔助振動(dòng)磨。近些年來，關(guān)于振動(dòng)式球磨機(jī)的激振力控制的研究日益增加，如振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度等。

其中行星式球磨機(jī)在20世紀(jì)60年代問世以來經(jīng)歷了1960-2000年的初步發(fā)展期和2000年以后的快速發(fā)展兩個(gè)時(shí)期，相較于同一時(shí)期攪拌式球磨機(jī)技術(shù)分支發(fā)展較為緩慢，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單僅涉及臥式和立式行星式球磨機(jī)的改進(jìn)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，關(guān)于行星磨研磨效果提升的研究逐漸成為熱點(diǎn)，同時(shí)隨著多種破碎理論和輔助方式的出現(xiàn)，等離子體、超聲波、微波等輔助手段均融合至行星式球磨機(jī)中，此時(shí)關(guān)于研磨介質(zhì)、球磨罐體的設(shè)計(jì)、壓力控制、濕度控制、溫度調(diào)節(jié)的研究也使得行星式球磨機(jī)的發(fā)展演進(jìn)更加細(xì)節(jié)化。

3 結(jié)語

基于專利數(shù)據(jù)庫對(duì)高能球磨機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的專利技術(shù)進(jìn)行分析，以期為相關(guān)國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)行業(yè)的發(fā)展以及專利布局提供一定參考。

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