立式輥磨機的磨輥加載系統研究與應用進展

裴永勝，李明現，朱俊玲，王素鳳

（1.河南理工大學，河南焦作454002；2.河南焦礦機器有限公司，河南焦作454002）

磨機是粉體加工行業不可缺少的重要設備，廣泛應用于國民經濟的各個行業。比如，冶金礦山行業，用礦磨來粉磨鐵礦石，然后經過選礦設備的篩選，再進入冶煉的工序，可提高鐵水質量，降低整個冶煉過程的能源消耗，從而降低冶煉成本；化工行業可用磨機來磨制一些化工原料，如用于磨制化妝品填充劑的超細碳酸鈣；水泥行業不僅可用磨機磨制水泥生料，還可用于水泥熟料的磨制；磨機更是大型火力發電廠煤粉制備主要設備。

粉體用量越來越多，對磨機的要求也越來越高。統計資料顯示，國內涉及到粉體制造和應用的產值，己高達數千億元。但現在我們的粉體加工企業常使用的磨機，一般都是傳統意義上的管式磨。現在是個能源緊缺的社會，煤炭和石油均是不可再生能源。這就要求我們開發出生產效率高、運行安全可靠的新型磨機，這就是立式輥磨機。

立式輥磨主要結構由主電機、主減速機、磨盤、磨輥及張緊加壓裝置、架體、分離器、三道閘門、安裝與檢修裝置、輔助傳動裝置及密封空氣管路等部分組成。其中，磨輥及張緊加壓裝置，是立式輥磨機的核心部件，起著承前啟后的作用，磨機的粉磨能力、粉體的顆粒大小與料度分布、整個磨機的能量消耗，均與此密切相關。本文就以立式輥磨機的磨輥加載系統的優化設計與研究為重點，通過磨輥加載系統的優化設計與研究為河南焦礦機器有限公司最后開發出安全、可靠、高效的立式輥磨機提供基礎。

1 立式輥磨與傳統管磨機的優缺點對比

立式輥磨與傳統管磨機的優缺點對比如下：

（1）立式輥磨機生產效率高，粉磨能耗大大降低。立磨與管磨機相比，粉磨電耗僅為球磨的50%～60%，隨原料水分含量的不同而不同，水分大的，節省的多。一般立磨粉磨水泥電耗是20～25 kW·h/t，而傳統管磨機的電耗是40～45 kW·h/t，節能效果顯而易見。

（2）烘干能力強。可以通過大量熱風，特別適用于PC窯或PH窯的窯尾低溫廢氣的再利用。

（3）系統簡單，集中破碎、烘干、選粉等工序一體，簡化了流程。用立磨作為粉磨系統，可去掉粉磨系統中烘干機和選粉機。不但減少了設備投入，還簡化了流程，使整個系統更加安全可靠。

（4）控制方便。物料在磨內停留時間短僅為2～3 min，而管磨機要15～20 min。因此，操作工藝易于改變，化學成分可以很快校正，產品粒度分布均勻。

（5）入磨物料粒度大，入料粒度可達輥徑的4%～5%。

（6）噪聲低。由于立磨的磨輥與磨盤不直接接觸，而管磨機是通過磨球與物料直接接觸來磨料，因此沒有金屬撞擊聲，噪聲比管磨機低10 dB以上。

（7）漏風少。立磨整體密封性能好，有一套“空氣密封系統”，比傳統機械式密封，更先進可靠，因此更有利于利用低溫廢氣。

（8）運轉率高。立磨具有效率高、磨耗小等優點。粉磨生料時，磨損件消耗一般為6～8 g/t，輥套、襯板壽命可達8 000 h以上。傳統管磨機運行時磨球與磨料之間直接接觸，磨球和襯板磨損快，配件更換頻繁，設備運轉率低，而立磨運轉率高達90%以上。

2 國際上常見磨粉機的加載方式

國際上工業發達國家早在上世紀初，就開發研制出各種粉磨設備，如第一臺雷蒙磨機是1906年C.Vgrueber在柏林南郊創建的CurtVon Grueber機械制造廠第一次制造出來，同時Curt Von Grueber利用他在美國獲得的專利生產出首臺Maxecon立式輥磨機，而我國首次應用雷蒙磨是在上世紀50年代。由于雷蒙磨的加載方式（如前述）的缺點，1927年德國人E.C.loesche在大量分析和總結不同磨機的經驗基礎上，設計出萊歇磨。最初的萊歇磨采用彈簧加載，也存在一些問題（如前述），隨著液壓技術的不斷發展，該機逐漸被改為液壓系統加載。

液壓系統加載使磨機的整機性能大為提高，得到各國專家的認可。該機應用廣泛，高效節能，穩定性好，至此各種新型磨機逐漸多采用這種加載方式。如德國KHD公司、日本宇部興產公司、美國富勒公司生產的盤輥形式的磨粉機，均采用液壓加載方式。由于磨機的結構形式和擠壓原理的區別，其液壓加載系統的設計方案有各種各樣。隨著近代磨機結構的變化，產生了新一代的液壓加載方式，如F.L.Smidth公司開的輥式磨Atox磨，日本Onoda公司的OK磨，Kawasaki的CK磨。

目前我國粉體制造業，在國際上仍處于落后狀態，國家每年不得不花費大量外匯從國外進口制粉設備，我國目前許多水泥廠使用了立式輥磨，很多是國外進口的，尤其火力發電廠使用的立式輥磨機，大部分均采用了進口設備。為了適應市場經濟和科技發展的需要，國內一些大專院校、科研院所也紛紛加入研制新一代磨機的行列，如武漢工業大學、中國礦業大學、天津水泥工業設計研究院、合肥水泥研究院等單位，均有新型磨機的研制成果。

3 國內常見磨粉機的加載方式

目前國內在制粉過程中，采用的磨體設備加載方式各有特點。常用的有：

（1）碾磨機。是利用碾輥的重力，使進入盤輥間的物料受到擠壓和剪切作用而被粉碎。該磨機的粉碎機理和現代意義上的的立式輥磨機是一樣的，但該機體形笨重，碾輥的體積及重力對粉碎力的值影響較大，其結構大小與受力要求不成比例，對于某些較硬的物料，因加載能力低下，該磨機根本無法粉磨。

（2）球磨機。其工作原理是當磨機筒體旋轉時，筒體內的研磨介質（球，棒，管等）在摩擦力和離心力的作用下，隨筒體廻轉至一定的高度后，按一定的速度拋落，對筒體內的物料產生沖擊、磨削和擠壓，使物料粉碎。這種磨機的加載，是靠改變研磨介質的質量大小來實現的，雖然安全可靠，但效率低下，體形笨重，在粉磨過程中因物料自身的相互摩擦產生的無用熱量太多，浪費能源。

（3）雷蒙磨機。這種磨機是利用磨輥轉動時產生的離心力，使進入輥和環之間的物料受到擠壓而破碎，由于輥子的離心力受轉速和輥子質量大小的影響較大，所以能產生的擠壓破碎力有限。這種磨機在工作中，磨輥對磨機機體產生的沖擊大，損耗大，所以整機效率低，壽命短，噪聲大，產量小，不能滿足現代工業綠色環保的要求。

（4）彈簧加載式盤輥磨粉機。是利用彈簧的預緊力，使磨輥和磨盤之間產生的擠壓力粉碎物料，產生的擠壓力受彈簧體積和彈簧變形的影響較大。這種加載方式，能夠產生的加載力幅值和緩沖沖擊載荷的效果及磨粉過程中穩定性均有限，使用中常出現彈簧疲勞斷裂的情況，使生產不能連續運行，很難滿足優質磨機的性能要求。

（5）液壓加載式輥式磨機。該機在移動輥兩側采用液壓系統加載，同時液壓系統中還配有蓄能器，其加載力幅值視工作條件確定，并由液壓系統控制。這種加載方式能提供的加載力較大，緩沖效果好。這正是我們開發與研究的加載方式。這種磨機仍然具有效率高、能耗低、噪聲小、操作方便等特點，是值得推廣的一種加載方式。

4 目前存在的主要問題

盡管立式輥磨技術發展迅速，但結合參考文獻及目前立式輥磨加載系統的現狀，可以總結出目前立式輥磨加載系統仍存在以下不足：

（1）機械振動。現有的磨輥加載裝置，一般由液壓缸、三角框架、磨輥組成。在生產中，一旦有較硬較大的物料進入磨機，由于加載裝置受力不均勻，或由于共振的原因，可能會引起磨輥支架與壓力框架之間的鉸接支座的斷裂，壓力框架與磨輥支架的連接關系就被打破。此時，磨輥極易傾覆，造成重大設備事故。因此，本課題在研究加載系統的優化中，將通過實驗分析找到問題的所在，對磨機加載系統的結構進行優化。

（2）磨機產量、產品顆粒大小與磨輥加載系統的關系模糊。根據資料，現有的立式輥磨的磨機產量、粉磨產品顆粒大小與磨機加載系統的關系，多由經驗和試驗數據確定，并未有成熟的理論和計算方法來計算和描述他們之間的關系。本課題試圖通過實驗，并建立數學模型，來分析其間的關系，最終找到其內在的規律。

（3）加載系統壽命短。過去的立式輥磨常用的加載方式是彈簧加載，此種加載方式往往加載系統的壽命較短，一般半年后就容易出現加載系統壓力不穩定、加載力漂移等缺點。而現在使用液壓加載便可克服這些缺點，該加載系統的加載力可調、直觀，很容易就能實現儀表顯示，甚至可與計算機控制系統相連實現自動加載系統控制，加載系統的壽命可達數年不出現大的故障，這正是我們要研究和實現的課題。

（4）加載系統可靠性差?，F有的很多立式輥磨的加載系統，由于磨輥的擺動或上下浮動，使液壓缸相連的拉桿工作處于橫向擺動和上下滑動狀態，在高壓工況下，液壓缸的密封圈壽命較短，常出現生產中的停機故障，影響作業效率。本課題，試圖通過研究，建立數學模型，然后利用數字仿真，找到問題的所在，并對加載系統進行結構優化，設法消除磨輥的擺動和上下浮動，以提高磨機的可靠性。

（5）機電一體化水平低，自動化水平低。

5 研究的進展

5.1 試驗情況

（1）以水泥生料、煤炭等物料為試驗對象，通過在試驗機上做實驗，并對實驗數據進行分析。以找出磨機加載系統中各個參數對系統性能的影響效果，確定出磨機的最佳參數，從而改善加載系統的綜合性能，提高磨機的整體工作性能。

（2）根據實驗數據，建立數學模型，然后利用數字仿真，研究磨機加載系統的數學動態特性。該仿真著重于對加載系統過程的“模擬”，從中獲取系統在穩定性、動態品質、緩沖效果、對環境條件的適應能力等方面的性能信息。仿真結果的正確性，取決于數學模型、仿真模型的正確性。因此，認真分析確定系統的研究范圍，對影響系統動態特性的因素進行合理的取舍和簡化，確定主系統的參數值，尋找求解系統數學模型的合理解法等環節成為仿真成敗的關鍵。

5.2 創新體現

針對現有輥磨機的加載裝置進行廣泛的資料收集、分析處理，在此基礎上，通過理論分析和試驗，并加上數字仿真，研究磨機加載系統的數學動態特性，找到立式輥磨機加載系統在工作過程中的動態特性最佳匹配參數，為同類型加載系統的設計提供依據。創新之處主要體現在以下方面：

（1）因為立式輥磨機的設計關鍵技術尚處于保密階段，目前只有國內外少數廠家和研究機構所掌握。因此通過本課題的研究，試圖找到磨機加載系統的系統特性及規律，有利于打破技術壁壘，攻克技術難關，為最終設計出安全可靠、性能穩定的立式輥磨機提供理論依據。

（2）本研究可為磨機液壓加載系統的自動化管理提供基礎。

6 結束語

技術關鍵需要系統地進行磨輥加載系統的動態仿真，并分析其動態特性。并以動態特性分析結論為基礎，對磨機加載系統進行進一步結構優化；筆者和公司有關技術人員也成立了立式輥磨機攻關小組，在充分研究國際先進磨粉機的經驗基礎上，正在從事這方面的研究。研究結果表明：采用液壓方式加載，是超細輥式磨必須具備的條件和要求，這也是傳統的雷蒙磨、球磨機或采用機械彈簧式加載的磨機所不能替代的，因此研究立式輥磨機的磨輥加載系統，是突破研發該類磨機的關鍵。

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