立磨選粉機的工作原理、結(jié)構(gòu)及三維建模

（成都建筑材料工業(yè)設(shè)計院，四川 成都 610041）

立磨又稱立式磨、輥磨、立式輥磨，廣泛用于各種物料的研磨，是塊料制備粉料的必備環(huán)節(jié)，已經(jīng)由最初的三輥立磨逐步發(fā)展到六輥立磨。立磨由于其電耗低、設(shè)備緊湊占地小、噪音低、揚塵少、產(chǎn)品細度易于調(diào)節(jié)、使用維護簡單、運行費用低、耐磨材料消耗少等優(yōu)點，在水泥工業(yè)中應(yīng)用日益廣泛，并取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

水泥工業(yè)中，主要有4個地方要運用到立磨，分別是生料粉磨系統(tǒng)、水泥粉磨系統(tǒng)、煤磨系統(tǒng)、礦渣磨系統(tǒng)。粉磨系統(tǒng)控制的好壞直接關(guān)系到水泥產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、成本，關(guān)系到水泥廠最直接的經(jīng)濟效益。立磨由磨機和選粉機兩部分組成，磨機主要功能是對物料進行研磨，選粉機主要功能是對研磨后的物料進行分選。工作中的立磨見圖1。

圖1 工作中的立磨

1 工作原理

立磨選粉機是一種氣流分級選粉機。各種混合物料從下料口卸下，與載體空氣一起流入選粉機中。固定在灰斗上與下殼體之間的固定導(dǎo)流片，將物料/空氣混合物從向上流動轉(zhuǎn)變成切向流動。其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子按切向物流的方向轉(zhuǎn)動。在固定導(dǎo)流片和轉(zhuǎn)子葉片之間的空隙部位形成一個大的旋流空間見圖2，在離心力的作用下，物料/空氣混合物發(fā)生分級分離。過大（特大）顆粒被甩出去，在重力作用下下沉，離開那個旋流空間，在灰斗中收集并返回到磨機磨盤進行再次研磨。較細的顆粒能通過選粉機旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的葉片，隨同載流氣體從選粉機上殼體出口離開選粉機被外部選粉收塵器收下然后進入下一工藝環(huán)節(jié)，這些較細的顆粒就是選粉機作用后的成品見圖3。成品的細度取決于選粉機導(dǎo)流片與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的綜合作用，導(dǎo)流片是固定的，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以對成品細度進行調(diào)節(jié)。提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，成品細度越細；降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，成品細度粗。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過安裝在選粉機上殼體的驅(qū)動部分的一個變頻電機進行調(diào)節(jié)，通過改變電流頻率對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進行控制，最終達到控制成品細度的目的。轉(zhuǎn)子下部的灰斗殼體創(chuàng)建了一個粗顆粒內(nèi)部循環(huán)的空間，形成一個有序的通道，一方面灰斗將最初上升的物料/空氣混合物與選粉后降落的粗顆粒分隔開來，避免兩部分混合而帶來的無用功、低效率；一方面引導(dǎo)不合格的粗顆粒下落到立磨磨盤進行二度研磨。

圖2 旋流空間俯視圖

圖3 選粉機工作原理圖

離心運動是指物體有遠離中心運動的現(xiàn)象。當物體在做非直線運動時（例如：圓周運動或轉(zhuǎn)彎運動），因物體一定有本身的質(zhì)量存在，質(zhì)量造成的慣性會強迫物體繼續(xù)朝著運動軌跡的切線方向前進。若這個在做非直線運動的物體上有乘客的話，乘客由于同樣隨著車子做轉(zhuǎn)彎運動，會受到車子向乘客提供的向心力，但是若以乘客為參照系，由于該參照系為非慣性系，他會受到與他相對靜止的車子給他的一個指向圓心的向心力作用，就好像沒有車子他就要被甩出去一樣，這個力就是所謂的離心力。由于處于非慣性系中，此狀況下物體所感受的力并非真實，所以有些說法會稱這種現(xiàn)象為“離心運動”。相對轉(zhuǎn)動的非慣性系中的物體，所受離心力為F=mω2r（其中ω表示非慣性系自身轉(zhuǎn)動的角速度），其方向沿半徑背離圓心。

離心技術(shù)指利用物質(zhì)在離心力的作用下，按其沉降系數(shù)不同而進行分離的一種技術(shù)。使用條件是：（1）混合物繞中心軸作圓周運動，即受到離心力作用。（2）強大的離心力作用于懸浮的粒子，使其沿離心力方向背離中心軸。（3）不同大小的顆粒沉降速度不同而進行有效分離。在離心力作用下，懸浮顆粒沉降速度與顆粒的半徑、顆粒的密度、介質(zhì)密度相關(guān)，即：

式中：r—球形粒子的半徑（mm）；

ρp—粒子的密度（g/mm3）；

ρm—介質(zhì)的密度（g/mm3）；

ω—粒子的角速度（rad/s）；

x—粒子的位置（mm）。

由公式（1）可看出：

① 當ρp＞ρm，粒子順著離心方向沉降。

② 當ρp=ρm，粒子到到某一位置后達到平衡。

③ 當ρp＜ρm，粒子逆著離心方向上浮。

由此可見，粗顆粒將脫離旋流空間，從灰斗進入立磨磨輥進行二次研磨。細顆粒將從轉(zhuǎn)子空隙處上浮，從上殼體出口經(jīng)外部旋風收塵器進入下一工序。通過變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可以改變粒子的角速度，使得粗顆粒更容易或者更難上升到選粉機出口，從而控制選粉成品的細度。

2 結(jié)構(gòu)特征

立磨選粉機采用側(cè)面進料，側(cè)面出風的結(jié)構(gòu)，由殼體、轉(zhuǎn)子部件、襯板及耐磨部件、驅(qū)動裝置等部件組成。其中選粉機殼體主要是由選粉機靜態(tài)部分組成，包括上殼體、中殼體、下殼體、灰斗、導(dǎo)流片、密封環(huán)等。轉(zhuǎn)子部件是選粉機的轉(zhuǎn)動部件，主要由轉(zhuǎn)子、主軸、上下軸承、上下軸承座、拉桿張緊裝置等組成。襯板及耐磨部件主要由耐磨澆筑材料、模塊化的耐磨堆焊復(fù)合襯板等組成。驅(qū)動裝置主要由電機、減速機、聯(lián)軸器、傳動底座等組成見圖4。

圖4 立磨選粉機三維模型圖

（1）選粉機殼體。

上殼體見圖5用于支撐轉(zhuǎn)子及其主軸，將合格的物料/空氣混合物導(dǎo)出選粉機系統(tǒng)，支撐驅(qū)動部分；上殼體出料口處有兩根鋼管進行支撐，一方面對物料/空氣混合氣流進行導(dǎo)流，一方面對出口的開口部分進行支撐。為保證殼體出口風速風量的工藝要求，選粉機殼體出口尺寸應(yīng)跟整個系統(tǒng)氣流的流速流量相配。

圖5 上殼體三維模型圖

中殼體見圖6用于支撐密封環(huán)與導(dǎo)流片。中殼體在規(guī)定氣流流速下應(yīng)有相應(yīng)的流通量截面，其內(nèi)徑應(yīng)滿足規(guī)定氣流量能按要求通過。

圖6 中殼體三維模型圖

下殼體見圖7下部焊接牛腿，用于支撐灰斗部件及其所盛物料，并為轉(zhuǎn)子主軸下部軸承張緊裝置提供安裝位置和著力點，下殼體一側(cè)集成下料槽一部。

圖7 下殼體三維模型圖

密封環(huán)見圖8分塊組成，由螺栓連接形成一個整體，避免旋流驅(qū)動的不合格粗顆粒繞過選粉系統(tǒng)從旁路直接進入出料口。

圖8 密封環(huán)三維模型

導(dǎo)流片見圖9用于對物料/空氣混合氣流進行導(dǎo)流，形成有利的旋流空間，配合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的離心力進行物料分級分離，導(dǎo)流片需要定期檢查其磨損情況，對已磨損零件進行及時更換。

圖9 導(dǎo)流片三維模型

灰斗見圖10用于引導(dǎo)不合格粗料直接進入下部磨機磨盤，進行二度研磨；灰斗通過牛腿支撐在下殼體上；灰斗上表面設(shè)置法蘭孔，與中殼體一上一下固定導(dǎo)流片；灰斗一側(cè)集成下料槽一部，與下殼體的下料槽通過法蘭連接，組合成一整個下料槽。

（2）轉(zhuǎn)子部件。

轉(zhuǎn)子見圖11與分段的主軸用螺栓進行連接，相應(yīng)的螺栓必須施加擰緊力矩，主軸通過上下軸承進行固定，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于導(dǎo)流片，其旋轉(zhuǎn)方向與導(dǎo)流片相切，在我們的設(shè)計中為俯視順時針方向，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)動方向不能搞反。在驅(qū)動電機停機時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣性較大，應(yīng)該讓轉(zhuǎn)子自然停止，不允許在電機上安裝停機剎車，以免沖擊載荷造成主軸擰彎或者折斷。轉(zhuǎn)子需要做靜平衡與動平衡以保證轉(zhuǎn)動時的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)子葉片焊接前單個稱重，重量相同或差別不大的需要對稱焊接在轉(zhuǎn)子上。

圖10 灰斗三維模型

圖11 轉(zhuǎn)子三維模型

主軸見圖12采用創(chuàng)新設(shè)計，因為選粉機工作中可能要經(jīng)常啟動，主軸將要承受多種沖擊載荷，而且選粉機工作時需要傳遞的扭矩較大，這些都給主軸造成很大負擔，傳統(tǒng)的實行主軸要滿足以上要求時，必須將軸徑做得很大，造成主軸鋼材使用量大，加工難度大，維修困難，與驅(qū)動部分的聯(lián)軸器連接困難。因此我們的創(chuàng)新思維是將主軸做成空心軸，這樣使用較少的鋼材能為主軸獲得更大的抗扭截面系數(shù)，減少鋼材使用量的同時能增加抗扭能力，傳遞更大的轉(zhuǎn)矩，并能直接選用結(jié)構(gòu)用無縫鋼管型材，減少了大量加工工作，也方便設(shè)備運轉(zhuǎn)后的維護檢修。主軸與轉(zhuǎn)子相連接的法蘭處設(shè)計止口，方便主軸與轉(zhuǎn)子安裝時的對中要求。主軸的對中很重要，沒對中的主軸在選粉機工作是容易發(fā)生晃動，造成對軸承、拉緊裝置等的損壞，進而破壞主軸，造成主軸的剪切破壞，安裝時借助對軸承的對中安裝進行實現(xiàn)，需要借助水準儀等儀器，相關(guān)安裝精度參照機械設(shè)備中選粉機的安裝規(guī)范。

圖12 主軸及軸承三維模型

上軸承為自動對中的滾子推力軸承，承受軸向力和少量徑向力，并起對中作用，為主要的受力支撐部件。下軸承為單列深溝球軸承，承受可能的徑向力。上下軸承均為油脂潤滑，通過輸油管配自動干油泵進行供油，一方面避免因缺油引起過渡摩擦而造成各種溫升、失效等缺陷發(fā)生。另一方面與上軸承座的密封環(huán)共同作用，與下軸承座的迷宮密封共同作用，避免外界灰塵與雜質(zhì)進入軸承，加油時務(wù)必需要看到油脂密封的形成。

上軸承座見圖13中安裝滾子推力軸承，整個軸承座支撐在選粉機上殼體上，通過法蘭與上殼體連接，法蘭帶止口，便于安裝時主軸的對中。下軸承座見圖14中安裝深溝球軸承，通過張緊裝置的4根拉桿固定，安裝時4根拉桿用扭力扳手施加擰緊力矩，將下軸承座牢牢拉緊在豎直位置，便于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的對中要求。

圖13 上軸承座三維模型

圖14 下軸承座三維模型

張緊裝置見圖15由4根拉桿、拉緊螺桿、蝶形彈簧、拉桿頭等組成，拉緊螺桿兩端頭分別攻正反絲，使得扭力扳手向一個方向擰就能實現(xiàn)對拉桿的張緊操作，蝶形彈簧壓緊后產(chǎn)生預(yù)緊力對下軸承座進行固定實現(xiàn)對中，并對不可預(yù)見的沖擊力起緩沖作用，4根拉桿的預(yù)緊力需要一致，這個可以通過扭力扳手實現(xiàn)，并需要定期檢查張緊力，下殼體是張緊裝置的著力點。

圖15 張緊裝置三維模型

（3）襯板及耐磨部件。

選粉機內(nèi)部存在著一個的旋流空間，充斥著各種細度的物料顆粒，在氣流的帶動下，在長時間工作后，將對選粉機部件產(chǎn)生很大的磨損作用。我們設(shè)計采用12 mm厚度的耐磨堆焊復(fù)合襯板和耐磨澆筑料進行保護。耐磨堆焊復(fù)合襯板及耐磨部件需要定期檢查，對其磨損情況進行記錄分析，對已磨損零件進行及時更換。

耐磨堆焊復(fù)合襯板見圖16規(guī)格為6 mm厚度的低碳鋼母材上堆焊6 mm的耐磨材，并采用模塊化設(shè)計思想，將選粉機內(nèi)部易磨損的規(guī)則的區(qū)域分成多個部分，比如下殼體、下料槽等，每個部分焊接數(shù)塊標準化耐磨堆焊復(fù)合襯板，這樣將耐磨堆焊復(fù)合襯板的規(guī)格分成了多個標準模塊，減少了其規(guī)格數(shù)量，便于生產(chǎn)后的維修更換，便于配備備品備件節(jié)約成本，耐磨堆焊復(fù)合襯板固定方式采用襯板內(nèi)開數(shù)個60 mm的孔焊接在選粉機上。堆焊材料結(jié)構(gòu)致密，耐磨性能優(yōu)異，非常適合作為主要的受磨部件。

圖16 耐磨堆焊復(fù)合襯板三維模型

在耐磨堆焊復(fù)合襯板不適用的即不規(guī)則區(qū)域，比如上殼體出風口部分等，因為部件表面的不規(guī)整，耐磨堆焊復(fù)合襯板不再適用，這時需要采用耐磨澆筑料進行保護，施工時先焊接金屬網(wǎng)，然后在金屬網(wǎng)骨架上打耐磨澆筑料。

（4）驅(qū)動裝置。

圖17 傳動底座三維模型

電機采用變頻調(diào)速電機，通過調(diào)節(jié)電流頻率對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)出粉成品細度，達到選粉控制的目的，特別需要注意的是，電機出軸轉(zhuǎn)動方向需要與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相符，安裝時可以手動盤動聯(lián)軸器來測試轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向，本設(shè)計的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向為俯視順時針方向，電機上配備接近開關(guān)對電機旋轉(zhuǎn)方向進行監(jiān)測并反饋的中央控制室。

工程不論是建設(shè)、調(diào)試還是運營中，總會有些人們意想不到的突發(fā)事件發(fā)生，如果對突發(fā)事件報僥幸的思想，那突發(fā)事件一旦發(fā)生將造成慘烈的損失，因此采用保護設(shè)計必不可少，聯(lián)軸器就是一種保護裝置。立磨選粉機的聯(lián)軸器選了2個，一個位于電機出軸與減速機之間，選用輪胎聯(lián)軸器，負責保護減速機，一個位于減速機出軸與主軸連接處，選用彈性塊聯(lián)軸器，負責保護主軸，避免事故狀態(tài)中的沖擊載荷對設(shè)備的破壞。

傳動底座見圖17起支撐驅(qū)動裝置各部件的作用，通過法蘭連接到上殼體上，法蘭上設(shè)置止口，方便主軸的對中。傳動底座采用箱式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有很好的力學性能，節(jié)約鋼材并方便維修。