陶瓷廠輪碾機的磨損研究

摘要 輪碾機的碾輪和碾盤的磨損是多年來困擾陶瓷廠的一個實際問題，本文從提高輪碾機效率、延長碾輪和碾盤的使用壽命著手，詳細分析和研究了輪碾機磨損產生的原因和磨后的形狀，最后得出了碾輪和碾盤磨損的規律，并提出了新的改進方法及其理論依據。

關鍵詞 輪碾機，磨損，滑動摩擦

1輪碾機消耗的功率

輪碾機所消耗的功率N主要包括三個方面：克服碾輪滾動時摩擦所消耗的功率N1、克服碾輪和碾盤相對滑動時摩擦所消耗的功率N2以及克服刮板對碾盤摩擦所消耗的功率N3。

1.1 克服碾輪滾動時的摩擦所消耗的功率N1

一個碾輪滾動時所需的牽引力為：P=μG

式中：

P——牽引力（kg）

μ——牽引系數，一般取0.05～0.15

G——碾輪重量（kg）

那么，克服碾輪滾動摩擦所消耗的功率為：

式中：

R——碾輪半徑（m）

n——碾輪轉速（rpm）

Z——碾輪個數

V1——碾輪滾動時外周的平均線速度（m/s）

一般情況下，碾輪的立軸轉速n1、碾輪重量、碾輪中心到立軸中心的距離rb為已知（假設碾輪與碾盤的接觸點b無相對滑動），見圖1。

1.2 克服碾輪和碾盤相對滑動時摩擦所消耗的功率N2

f1——碾輪與物料間的滑動摩擦系數，一般取0.2～0.3

V2——碾輪與碾盤相對滑動速度（m/s）

Z——碾輪個數

式中V2的求法如下（參見圖1）。

圖中輪碾各點相對碾盤的線速度為：

由圖1分析可知：碾輪上c、b、a各點均繞O點以轉速n1轉動。但是由于各點距O點的距離 ra>rb>rc，所以各點相對碾盤的線速度也應 Va>Vb>Vc 。即在任一瞬時，碾輪相對碾盤有三種運動：除繞O點的公轉和繞水平軸的自轉外，還有繞其重垂線的自轉，從而產生了碾輪與碾盤的相對滑動。假設碾輪是均質的，其重垂線過b點，并有cb=ba=B/2。所以碾輪與碾盤在b點的相對滑動速度為0，而a點、c點相對滑動速度最大。此最大滑動速度V2′為a點或c點相對b點的速度差。

即：V2′=Va-Vb=Vb-Vc

P1 ——刮板對碾盤的壓力 （kg）

f2 ——刮板對碾盤的摩擦系數，一般取0.2～0.3

V3 ——刮板相對碾盤的滑動速度，約等于碾輪外周的平均線速度

1.4 總功率N（配套電機功率）

η——機械效率，一般為0.6～0.8

2碾輪和碾盤的磨損

輪碾機作為粉碎機械，對被粉碎的物料主要有兩種粉碎作用。一是由于碾輪的滾動對物料的擠壓作用，一般情況下這是主要作用，其所消耗的功率由N1提供。二是由于碾輪相對于碾盤的滑動而產生對物料的研磨作用，其所消耗的功率由N2提供。一般情況下，陶瓷廠對輪碾機的研磨作用不作要求（粗磨和細磨由球磨機來完成）。因為過細的顆粒會把物料中的粗顆粒包裹起來，形成襯墊，使粗顆粒不易直接受到粉碎作用。輪碾機的研磨作用越大，碾輪相對于碾盤的滑動速度V2也越大。加速碾輪和碾盤磨損，縮短使用壽命，使生產率大幅度下降。

碾輪和碾盤的磨損部位與傳動方式有關。對于盤轉式輪碾機，碾輪a端的外周線速度與其接觸點碾盤的線速度相等，碾輪c端的外周線速度與其接觸點碾盤的線速度差為最大值，所以碾輪磨損成錐臺形狀。碾盤的相應部位也被磨損成凹槽形。輪轉式輪碾機的碾輪與碾盤相對速度為0的點應在碾輪的重垂線上，由于阻力距的大小不同略有偏移，磨損成近似的“鼓形”（見圖2中a和b）。

碾輪和碾盤磨損成圖2中a、b所示形狀后，由于碾輪與碾盤僅有一點接觸，其它部位嚴重懸空，生產能力大幅度下降。目前許多使用廠家發現磨損后，把碾輪拆下，調頭裝配，使大直徑端調到碾盤的里邊。磨損成圖3所示的形狀。通常情況下，石質輪緣多則兩個月，少則一個月換一次，鑄鐵輪緣三至四個月換一次，鑄鋼輪緣七八個月換一次。實踐證明：碾輪和碾盤的磨損速度與相對滑動速度、介質本身的硬度、被碾壓物料的硬度等物理性能有關。

3減少磨損的方法

3.1 將碾輪的輪緣做成鼓形

有的使用廠家，為了減少碾輪與碾盤的相對磨損，把新碾輪的輪緣做成鼓形（如圖3c所示），這是不可取的。因為這樣做雖然減少了新裝碾輪與碾盤的相對滑動摩擦，但由于碾輪兩端懸空，不能破碎物料，降低生產能力，解決不了非均勻磨損問題。

3.2 把碾輪和碾盤做成適當的錐臺形狀

減小磨損的最有效方法是把碾輪和碾盤做成適當的錐臺形狀以降低相對滑動速度。以下先討論輪碾機的碾輪和碾盤沒有相對滑動的形狀。若要使碾輪和碾盤任一接觸點K沒有相對滑動，則必須有：2πrkn1=2πRkn

式中：

n1——立軸的轉速（rpm）

n——碾輪的轉速（rpm）

rk——碾盤中心到K點的距離(m)

Rk——碾輪軸線到K點的距離(m)

因此，要使最大相對滑動速度V2′=0，則碾輪上a、b、c三點的半徑應為(見圖4)：

為了保持水平軸水平位置，碾盤也須做成相應的錐臺形狀。如果仍保持原設計碾輪轉速n不變，對輪轉式輪碾機，必須保持Rb與原設計相同（盤轉式Ra也與原設計相同）。Rb為定值后，則n=n1rb/ Rb也為定值。如果仍保持碾輪的寬度B不變，且安裝位置不變，則ra、rb、rc也均為定值，那么Ra與Rc的差值為：

為了保證水平軸的水平位置，碾盤rc與ra處的高度差ΔH與上述碾輪半徑差相等。

以上所述為輪轉式輪碾機的碾輪和碾盤形狀的確定方法。盤轉式輪碾機是碾盤主動旋轉，靠摩擦力帶動碾輪繞其軸線自轉，碾輪不存在公轉。碾輪的轉速n由其可能獲得的最大輪緣線速度決定，即碾輪輪緣的線速度與碾盤a點的線速度基本相等。所以n=n1ra/Ra，也就是Ra應保持原設計不變。正因為a、b、c等點碾輪與碾盤之間均無相對滑動速度，所以有：

式中：

Ra——原設計碾輪半徑（大端半徑）

Rc——碾輪小端半徑

B——原設計碾輪寬度

ra——原設計碾輪外端到碾盤中心的距離

為了保證水平軸的水平位置，碾盤rc與ra處的高度差ΔH與上述碾輪半徑差相等。

4結 束 語

錐臺形狀的碾輪與碾盤之間沒有相對滑動，即 V2′=0。因此N2=0，且最大限度地減小碾輪與碾盤的磨損，將大幅度延長其使用壽命；錐臺形的碾輪和碾盤的磨損是均勻的，不出現一點接觸、大面積懸空等現象，將長時間保持高生產率。由于碾盤作成錐臺形狀，物料被滾壓時自動由里向外移動；還由于碾輪由里向外漸大，重量漸大，擠壓作用由里向外漸大，使得物料顆粒由里向外運動過程中越來越小，便于順利地順序排料。但是改造后的碾輪和碾盤沒有相對滑動，則沒有研磨作用，對研磨作用要求高的操作不適用；且使碾輪的軸向力增加，因此對水平軸的止推軸承提出了更高的要求。

參考文獻

1 廣東輕工業學校主編.日用陶瓷工廠機械裝備[M].北京：輕工業出版社，1999

2 張嗣偉主編.基礎摩擦學[M].中國石油大學出版社，2001

3 劉新田主編.表面工程[M].河南：河南大學出版社

4 表面處理工藝手冊編審委員會編.表面處理工藝手冊[M].上海：上海科學技術出版社

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。