基于已建基礎的滑履磨設計

江蘇鵬飛集團股份有限公司 江蘇海安 226623

在 中聯二期 100 萬 t/a 水泥粉磨站項目中，江蘇鵬飛集團股份有限公司承擔除電動機、減速器外φ4.2 m×13.3 m 滑履磨主機設備設計制造任務。φ4.2 m×13.3 m 滑履磨為中心傳動驅動，其外形及安裝尺寸要求與已施工完成的一期磨機土建基礎配套。由于各廠家的磨機零部件差異以及土建施工誤差，該磨機回轉部件內部結構需滿足輥壓機+磨機的圈流粉磨生產工藝要求。同時針對一期磨機使用過程中出現的滑履軸承溫度高、滑環銅夾板維修不便等問題進行改進。

1 滑履磨主要零部件設計

滑履磨具有結構簡單、節能高效、沒有明顯的應力集中區及易于制造等優點，通常由進料裝置、進料端滑履軸承、回轉部分、出料端滑履軸承、出料裝置、電動機、減速器及液壓系統等組成。對于需與已建基礎配套的滑履磨，其各零部件應最大限度滿足基礎形狀及各部件預留地腳螺栓孔位置尺寸的安裝要求。

1.1 筒體設計

1.1.1 滑履中心距的計算

磨機運轉時會產生很大的熱量，因此在設計磨機時必須考慮筒體熱脹冷縮的問題。對于滑履支承的磨機，進料端采用滑動支承，出料端采用固定支承。

筒體軸向伸縮量[1]

式中：α為鋼的線膨脹系數，取 0.000 012 m/℃；Lk為 2 個滑履軸承中心距，mm；t2為磨機運轉時的最高平均溫度，取 120 ℃；t1為最低環境溫度，取 -20℃；L基為滑履基礎中心距，實測為 13 314 mm。

φ4.2 m×13.3 m 滑履磨采用水平滑履軸承結構，以加寬筒體進料滑環寬度來應對磨機熱脹冷縮問題。筒體進料滑環內端面與托瓦內端面間隙a≥ΔL(22.3 mm)，筒體進料滑環外端面與托瓦外端面間隙b≈a/4=5.6 mm，即以筒體進料滑環比托瓦寬 29 mm 的軸向距離來考慮伸縮量。

1.1.2 回轉部各零件參數的確定

各段筒體的鋼板厚度必須通過計算得到，并利用數據分析來論證其合理性和經濟性。一般磨機的筒體厚度須從兩方面來考慮：最小厚度δmin≥D/160，最大應力σmax≤[σ]。

該磨機長徑比L/D=13.3/4.2=3.166，對于長徑比為 2.5～3.5 的磨機，筒體厚度應不小于 0.01D。參照南京院φ4.2 m×13.0 m 磨機零部件尺寸，決定該磨機筒體厚度δ取 42 mm，滑履腹板厚度取 80 mm，滑環直徑取 4 390 mm，出料滑環寬取 650 mm，進料滑環寬取 690 mm。

1.1.3 筒體結構

筒體每個倉都開設 1 個磨門，通過磨門可以維護襯板、隔倉板，裝填或倒出研磨體，以及停磨時檢查磨機倉內情況。相鄰 2 個磨門呈 180°布置，為減小磨門的應力，采取增大磨門的圓角半徑，增加磨門加強板的厚度等措施，進一步提高筒體的可靠性。

襯板通過螺栓與筒體固定連接，襯板長為 250 mm，由于筒體長 13 300 mm，為非常用規格，筒體襯板孔以進料端為起始點，軸向孔間距為 250 mm，環向布置 42 個孔，最后一圈孔與出料端腹板距離 300 mm，設計一圈非標襯板。

筒體結構如圖 1 所示。圖 1(a) 所示為 2 個滑環與中間筒節和長錐管焊接在一起，錐管小端接膜片聯軸器，錐管上開設出料孔，并安裝出料罩，磨機總體布置長度相對較短；圖 1(b) 所示為 2 個滑環與中間筒節和短錐管焊接在一起，錐管外端連接傳動接管，傳動接管上開設出料孔，安裝出料罩，傳動接管另一端與膜片聯軸器連接，磨機總體布置長度相對較長；圖 1(c) 所示為 2 個滑環與中間筒節焊接，出料端滑環腹板與傳動接管連接，傳動接管上開設出料孔，安裝出料罩，傳動接管另一端與膜片聯軸器連接，磨機總體布置長度相對適中。由于圖 1(c) 結構中出料罩與滑履腹板有一段距離，使得出料滑環腹板與傳動接管間有段距離裸露，對出料滑履溫度降低有一定好處，因此決定φ4.2 m×13.3 m 磨機筒體選用圖 1(c) 結構形式(原一期筒體結構為圖 1(a) 形式)。

圖1 滑履磨筒體結構Fig.1 Structure of shell of slide ring mill

1.2 滑履軸承設計

滑履磨筒體滑環支承在滑履軸承上運轉，通常出料端采用固定式滑履軸承，進料端采用可移動式滑履軸承。滑履軸承結構如圖 2 所示，由托瓦、凸球體、凹球體、球體座、底座和滑履罩等組成。每個滑履軸承由 2 個托瓦支承磨機的滑環，滑履軸承的托瓦一般與垂直線夾角成 30°。每個托瓦下部都裝有凸、凹球體，凸球體落在凹球體的球窩內，兩者之間為球面接觸，磨機回轉時可自動調心，整個托瓦由凹球體支承在球體座、底座上，而球體座、底座的安裝固定常采用 V 形基礎和水平基礎支撐。

根據用戶現場已建磨機基礎形狀，φ4.2 m×13.3 m 磨機選用圖 2(b) 水平滑履軸承結構。

根據實測磨機基礎標高，按磨機配套的主電動機、減速器 (含連接底座) 分別加調整墊鐵作預裝立面圖，再以φ4.2 m×14.0 m 磨機滑履軸承結構加調整墊鐵作立面圖，使主電動機軸、減速器軸及滑履軸承中線在同一水平高度，以最高位置部件的中心線作為φ4.2 m×13.3 m 磨機中心線。新設計的進、出料滑履軸承中心高根據該中心線修正，低于設計中心線的由底座高度調整。

圖2 滑履軸承結構Fig.2 Structure of slide ring bearing

1.2.1 滑履載荷的計算

滑履支承所受載荷包括磨機回轉部分的重力和動態研磨體 (包含物料) 所產生的力[2]。

(1) 磨機回轉部分的重力

式中：G1為磨機筒體的重力，G1=965 000 N；G2為磨機襯板的重力，襯板平均厚度為 50 mm，G2=824 000 N；G3為磨機隔倉裝置重力 (2 道隔倉+出口揚料裝置)，G3=335 000 N。

(2) 動態研磨體 (包含物料) 所產生的力P

研磨體在磨機內拋落運轉時所產生的力P1主要有瀉落產生的重力Gp、離心力Pc和沖擊力Ps3 部分。一般情況下，這 3 部分所產生的合力只比靜態研磨體的自重G大 2%，即

式中：V為磨機筒體有效容積，m3；φ為研磨體填充系數，取 0.3；ρ為鋼球的容積密度，一般取 4.5 t/m3。

粉磨時研磨體和物料是混合在一起的，物料重力約為研磨體自重的 14%，則包括物料在內的動態研磨體所產生的力

(3) 磨機運轉時作用于筒體上的總載荷Q

式中：θp為Gm與P2 個方向力的夾角，θp=7°15′。則 cos (180°-θp)=cos (180°-7°15′)≈-1，代入式(4) 得Q=4 931 200 N。

1.2.2 滑履支承的受力分析

因為是雙滑履、雙托瓦支承，所以其一端的載荷F=Q/2= 2 465 600 N，則單個托瓦的受力

式中：f為不均勻受力系數，取 1.05。

1.2.3 托瓦設計

一般來說，托瓦的直徑和長度、油的黏度、筒體的轉速、供油壓力及偏心率等都是給定的，其中托瓦直徑和筒體轉速是固定不變的。

磨機的滑環與托瓦的半徑間隙

式中：r為筒體滑環半徑，r=2 195 mm。

取托瓦的直徑D1=4 394 mm，托瓦所受比壓

式中：B為托瓦的寬度，取B=650 mm；L瓦為托瓦的弧長，L瓦=1 100 mm。

磨機的轉速v=15.6 r/min (即 3.58 m/s)，則托瓦發熱特征值pv=7.48 MPa·m/s。

托瓦表面材料通常選用 ZSnSb11Cu6，查手冊得推薦許用值 [p]=25 MPa，[v]=60 m/s，[pv]=15 MPa·m/s，則p<[p]，v<[v]，pv<[pv]。

因此所設計的滑履托瓦能滿足磨機的工作要求。

1.2.4 凸球體、凹球體、球體座設計

凸球體、凹球體、球體座作為托瓦與底座間的支承件能使托瓦自動調心，分別采用φ4.2 m×14.0 m 磨機水平滑履軸承相應零件結構。

1.2.5 底座設計

底座上方裝球體座，下端與滑履基礎連接，由鋼板焊接成一體平板結構，在滿足支承磨機強度的同時又與已建基礎配套，其外形高度根據磨機中心確定，長寬參照基礎安裝地腳螺栓孔的位置和大小，由實測數據確定。

1.2.6 滑履罩設計

滑履罩除了起到防止潤滑油外濺及灰塵進入滑履污染潤滑油的作用外，罩的下座還起到油箱作用。在罩的上方設透氣孔，增設透氣帽，讓冷氣流從下方進入，形成空氣對流，加快熱量的散發。罩采用甩油環+人字形密封結構，甩油環擋住了大部分潤滑油，使得進入最外層橡膠人字密封的潤滑油極少，再加上人字形密封的獨特結構和安裝方式，避免了滑履罩漏油[3]。對于固定在托瓦兩側的銅夾板磨損后的修復和更換，采用如圖 3 所示結構。在罩下側板銅夾板位置開設檢修口，省去檢修時需放油與拆卸下側板工序，避免罩內油泄漏而污染環境。

圖3 滑履罩銅夾板處局部放大Fig.3 Partial enlargement of copper clip board of slide ring cover

滑履軸承采用動靜潤滑，滑履軸承使用中溫度升高有多方面原因，如粉磨熟料產生高溫，冷卻水質差、管路不暢與油冷卻器冷卻效果不佳；筒體回轉時上下串動，滑環軸頸端面與托瓦兩側銅夾板摩擦生溫等。在設計時采取如下應對措施：①出料端筒體滑環軸肩與托瓦兩側銅夾板留適當的間隙；② 在磨尾襯板與出料篦板下鋪設一層 1 m 寬的耐沖擊隔熱橡膠板；③稀油站中的油冷卻器采用板式冷卻器，并增加潤滑油量；④ 滑履罩設進風管和排氣管，進行循環冷卻。

1.3 進料裝置設計

進料裝置既要將物料順暢地給入磨機，又要保證不漏風漏料，設計時借用φ4.2 m×14.0 m 磨機進料結構，料斗面向進風方向設計成百葉窗式，其支承架按磨機中心高和已建基礎孔位置來確定。

1.4 出料裝置設計

常用的出料裝置結構如圖 4 所示。圖 4(a)、(b)、(c) 分別對應圖 1 中 3 種磨機筒體結構。根據用戶粉磨工藝要求，選用圖 4(c) 所示不帶篩的出料裝置，傳動接管內裝推料螺旋，出料罩支架按磨機設計中心高和已建基礎孔位置尺寸配制，出料罩進風口尺寸由罩內風速而定，罩下部的傾斜角度不小于 50°。

1.5 膜片聯軸器選型

膜片聯軸器的作用是連接磨機筒體與主減速器輸出軸，使其一同旋轉來傳遞轉矩，同時避免在使用過程中產生較大的振動，防止損壞減速器軸承而降低設備的使用壽命。膜片聯軸器的軸向尺寸由出料端滑履中線至主減速器基礎孔中線的長度，減去傳動接管長度以及主減速器輸出軸端長度來確定。膜片聯軸器一端與磨機出料接管配合，另一端與主減速器輸出軸連接，根據軸向尺寸和磨機接管的配合要求，由減速器廠配套生產。

圖4 3 種出料裝置結構Fig.4 Three kinds of discharging device structure

2 磨內結構設計

磨機粉磨效率與許多因素有關，如粉磨工藝流程及其配套輔機，磨前預破碎，入磨物料的特性及其粒度大小、配比、含水率及易磨性等。φ4.2 m×13.3 m滑履磨磨內通風隔倉板的形狀及位置、襯板布置形式都要與粉磨工藝相適應。

2.1 隔倉裝置

為了強制物料流動，要控制各倉的料球比，φ4.2 m 系列滑履磨的雙層隔倉裝置有帶篩分組合式和不帶篩分式 2 種，篦縫分布形式有放射形和多邊形 2 種[4]。根據用戶生產工藝要求，磨內設置 2 道隔倉裝置，將磨機分為 3 倉。隔倉裝置采用帶篩分的組合式雙層隔倉結構，篩分動力大，過料、通風能力強，其結構如圖 5 所示。

隔倉裝置的兩側裝有篦板，進料端側篦板后裝一層不銹鋼篩板，兩者間距約 55 mm，篦板中心位置安裝一個雙向導料錐，在篩板與出料端側的篦板間裝揚料板，篦板上的篦縫為同心圓狀，根據前倉長度，篩分循環負荷，入磨物料的平均粒度、含水率和種類等因素，決定 2 道隔倉篦板篦縫寬度為 6 mm，一二倉隔倉裝置篩孔寬度為 2.5 mm，二三倉隔倉裝置篩孔寬度為 2.0 mm。

2.2 倉長與襯板布置

圖5 隔倉裝置結構Fig.5 Structure of partition device

第一倉用于對物料的粗磨，研磨球對物料主要以沖擊粉碎為主，二三倉用于對物料的細磨，研磨球的直徑也較小，對物料主要是磨剝作用。倉太長，篩分循環負荷率過低，不利于發揮篩分的產量高、電耗低的特點；倉太短，篩分循環負荷率過高，篩分效率低，易堵塞，不利于前倉的破碎，易發生飽磨等不良現象。一倉有效長度為 3 690 mm，倉內設置階梯襯板。二倉有效長度為 2 690 mm，倉內設置大波紋襯板，波紋襯板可以有效增加襯板與研磨體的接觸面積，提升研磨能力。兩倉之間安裝帶有篩分功能的雙層隔倉板，一倉的物料進入篩分裝置后，對物料進行細分離，粗料返回一倉，細料順利進入二倉繼續研磨。三倉有效長度為 5 750 mm，倉內設置小波紋襯板，相應地研磨面積也大幅增加，適合進磨物料粒度很細的工況。為避免三倉內離筒體表面較遠的鋼球因襯板不能有效帶動而形成“滯留區”，對粉磨效率造成不利影響，在滯留區沿長度方向又等間距布置了 4道活化襯板，以加強鋼球的運動，達到提高粉磨效率的作用。

2.3 出料篦板

出料篦板安裝在球磨機筒體尾部，用于阻隔研磨體，使成品細粉能及時排出，保證磨機的研磨效率。其另一個作用是提高磨機的通風能力，尤其是水泥磨，磨內溫度比較高，出料篦板可帶走磨內一部分熱量，降低磨內溫度。根據粉磨工藝，采用中料位出料，出料篦板采用防堵型徑向單喇叭口型篦縫，篦縫寬度 (進料端) 為 6 mm，中心篩通風板篦縫為 4 mm，開孔率達到 35% 以上。

3 結語

根據已建成的φ4.2 m×13.3 m 滑履磨安裝基礎，通過現場基礎預留地腳系列螺栓孔的位置尺寸和基礎形狀，逆向設計滑履磨。

(1) 參照現有φ4.2 m 系列滑履磨結構形式，計算確定了磨機筒體、滑履軸承等零部件形式與結構尺寸。

(2) 根據用戶水泥粉磨生產線工藝要求，優化設計了滑履磨磨內部分倉長度、隔倉板及襯板等形式。

(3)φ4.2 m×13.3 m 滑履磨已交付現場安裝，磨機結構與已建基礎安裝尺寸配套正確，磨內結構滿足用戶水泥粉磨工藝要求。