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传统中小型球磨机的改进
发布时间：2013-10-10 09:32 来源：未知
0、前言
有研究数据表明，球磨机的能耗利用率只有2%一3%左右，如球磨机电耗是lOOkWh，其中“克服应力和内聚力，使物料生成新表面”的有用功仅2—3kWh，其余97～98kWb的能量则消耗在“提升研磨体、噪音、发热以及传动系统的摩擦损耗”等环节上。虽然立磨等挤压粉磨设备的能耗利用率有较大幅度的提高，但球磨机具有产品颗粒组成比较理想等独特优点，使其在水泥等行业依然保持难以替代的地位，节能降耗因此成为当前球磨机相关研究和改进的主攻方向。
笔者曾是一家建材机械厂的产品设计人员，该厂生产的选矿用中小型球磨机，此前一直沿袭“滑动轴承、边缘传动、剐性联轴器”等效率较低的传统结构（见图1）。笔者结合现场服务经验，借鉴当前球磨机相关节能技术，对传统中小型球磨机进行了结构改进。以下是∮1200×2400规格球磨机改进的实例说明：
1、滑动轴承改滚动轴承
球磨机能耗利用率极低的根源在于工作原理上的“先天缺陷”，球磨机是靠简体旋转带动研磨体进行“抛射运动”，以实现对物料的冲击和磨削作用，这就制约了“研磨体的提升、噪音、摩擦发热”等能耗环节。要达到节能降耗的目标，设计人员往往在球磨机传动系统上下工夫。综观当前有关球磨机的节能技术，大多数遵循“改进传动系统，降低摩擦损耗”的思路，这其中最具典型的就是滑动轴承改滚动轴承。研究表明，滑动摩擦功耗约占球磨机配用电机功率的18%~29%，滚动轴承替代滑动轴承后，磨机配用电机功率可减少17%～22%，能够有效实现节能的目标。因大型滚动轴承的设计、制造及密封等难题没有完全攻克，滚动轴承在大型球磨机上的应用还处于探索阶段，但对中小型球磨机而言，则不存在轴承的配套问题，富通新能源销售球磨机、雷蒙磨粉机等磨机机械设备。
笔者对Ø1200×2400球磨机首先进行了滑动轴承改滚动轴承（见图2）。该规格球磨机原电机功率55KW，改进后降为45KW，实践证明设备运转正常，按照一天工作8h，一年工作300d计算，其节能的经济效益相当可观。需要补充说明，滑动轴承必须配套稀油润滑系统，干法生产的球磨机还必须配套冷却水系统，这两个系统结构复杂，维护困难，其油耗、水耗占生产成本的很大比重。滚动轴承采用油脂润滑，免去了稀油润滑和冷却水循环系统。归纳起来，滚动轴承对用户有“节能、节油、节水”三大好处，对制造商而言，也有简化工艺和降低成本的好处。滑动轴承的轴瓦采用巴氏合金材料，不仅价格昂贵，而且浇铸和机加工要求高，润滑系统和冷却水系统所对应的轴承座的内部结构也相当复杂，改滚动轴承后，笔者将轴承底座设计为无需木模的钢板焊接件。
滑动轴承改滚动轴承设计要点有：①轴承类型的选择：球磨机具有低速、重载的特点，支承装置必须弥补“两端中空轴同心度误差”和“筒体运行中产生的挠度”等问题，本案最终选用调心性能较好的双列调心球面滚子轴承；②轴承具体规格的选择：需要兼顾承载能力和装配尺度两个因素。具体思路是：由生产能力确定进、出料通路的尺度，继而确定中空轴的外径即滚动轴承内径（见第3部分中空轴设计），然后再由承载能力确定轴承外径和宽度；③轴承轴向定位组合：球磨机载荷大，工作过程中简体发热，热胀冷缩的应力是轴承轴向定位必须考虑的关键问题，方案中采用了“出料端固定、进料端游动”的组合方式，为了避开进料端大块物料的冲击，传动装置往往布置在出料端，出料端固定保证了传动装置的正常工作。需要特别注意，两端轴承组件中仅端盖轴向定位尺寸有5mm的微小差异，进出料端的轴承组件在现场不得装反。
2、边缘传动改中心传动
中心传动方案在大型球磨机上比较常见，中小型球磨机大多数默认边缘传动的方案。有研究表明，中心传动的机械效率比边缘传动高，在一般情况下，中心传动n=0.92 - 0.95，边缘传动17=0. 86-0.90，两者相差5%左右，采用中心传动对能耗基数大并常年运转的球磨机而言，其节能的经济效益非�？晒�。另外中心传动结构紧凑，规格相同的条件下，中心传动比边缘传动重量要轻，节省钢材约15%18%左右，这就大大降低了制造商的生产成本。中心传动采用完全密封的减速器，使用寿命长，日常维修工作量少，而边缘传动的开式齿轮处于难以严格密封的齿轮罩内，粉尘侵入磨损相当剧烈，其寿命较短，边缘传动的零件分散，供油点和检查点较多，操作、检修困难。
传统Ø1200×2400规格球磨机嫁接“中心传动”的设计难点，首推“中空轴结构和尺度的设计”，具体有以下三个方面：①中空轴外径的确定：传统的进出料中空轴内部装有进出料口（见图1），考虑物料没有强烈“磨蚀”性质，改进方案去除了进出料口，进出料通路改走中空轴内孔，孔内铸有螺旋结构，内孔直径和原先进出料口接近，去除进出料口的好处就在于缩小了中空轴外径（即滚动轴承的内径），在满足承载能力和使用寿命的前提下，尽可能减小滚动轴承的配套规格，滚动轴承规格越大，对制造商和用户均意味着配件采购成本越高；②中空轴与简体连接结构的设计：改进前简体端盖和中空轴是整体碗形结构（见图1），筒体出料仓布置在碗形空腔之中，改进后简体端部采用焊接式平端盖，中空轴与简体连接法兰大大缩小，简体中空轴采用铰制孔螺栓连接，机加工必须保证简体两端的法兰止口同轴度，出料仓结构形式也要作相应的改变等；③中空轴强度计算：边缘传动的出料中空轴不承受设备传动的扭矩载荷，中心传动的出料中空轴（见图3）是典型的转轴（既承受弯矩又传递扭矩），本案同时兼任出料口的角色，笔者采用经验类比法，初定中空轴的壁厚，然后再校核疲劳强度、刚度等。因球磨机的载荷因素非常复杂，中空轴计算模型有待行家进一步探讨。
减速器型号和速比的选择也是边缘传动改中心传动的重要问题�？悸欠奖悴晒旱囊蛩�，本案最终选择了通用型圆柱齿轮减速器，其规格满足设备“重载、连续运转”的工作状态，速比按照“简体旋转速度保持不变”的原则计算，即边缘传动齿轮副的传动比转嫁给减速器，减速器规格有所增大（单级变两级），采购成本相对提高，但综合考虑节省大小齿轮副等因素，产品的总体制造成本和用户使用（维修、配件）成本均明显下降。
3、其他方面的改进
在上述改进方案的基础上，笔者考虑球磨机使用运行中的其他因素．对传统∮1200×2400规格球磨机，同时进行了以下两点改进：
刚性联轴器改液力偶合器：球磨机必须带负荷（研磨介质球体）启动，为此必须加大电机容量和相应增加供电系统容量，导致电网运行因数下降，磨机启动电流大，对电网形成冲击，影响生产系统中其它设备的正常运行。笔者将球磨机电机输出轴与减速器输入轴之间的刚性联轴器改为液力偶合器（见图2），使用效果证明，尽管使用滚动轴承后电机功率下降一档，但球磨机启动性能却大大改善（启动电流下降），事实上也就提高了设备运行中的电机使用效能。
独立底座改一体化底座：传统结构中小型球磨机的筒体两端轴承底座、电机底座、减速器的底座是“各自为政”，产品出厂时部件分散发运，集成度低，现场安装调整工作量较大等。笔者采纳用户建议，本案将筒体部的两端轴承底座用钢架连成一体，将电机和减速器的底座合二为一（见图2）。一体化底座既方便产品集成发运，又减少了现场安装工作量，用户水泥基础也可以节省下来（小规格磨机底座连成一体后，可直接在地面上安置），本案提高了传动系统的刚度和传动精度，从而延长了设备的使用寿命。
4、结束语
在全社会倡导科学发展观的今天，节能降耗具有重要的意义。但中小型球磨机因能耗基数相对较低，目前国内研究机构对其关注程度远不及大型球磨机。还有一些传统的观念制约着中小型球磨机的改进步伐，比如很多资料和教科书都有“中心传动虽然效率高，但设备制造复杂，多用于大型磨机”的说法。实践证明，笔者将“中心传动”嫁接到中小型球磨机上，制造商简化了工艺，降低了生产成本，用户实现节能，降低了维护和配件成本。
