立式輥磨機(jī)的磨輥加載系統(tǒng)研究與應(yīng)用進(jìn)展

裴永勝，李明現(xiàn)，朱俊玲，王素鳳

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

磨機(jī)是粉體加工行業(yè)不可缺少的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)。比如，冶金礦山行業(yè)，用礦磨來(lái)粉磨鐵礦石，然后經(jīng)過(guò)選礦設(shè)備的篩選，再進(jìn)入冶煉的工序，可提高鐵水質(zhì)量，降低整個(gè)冶煉過(guò)程的能源消耗，從而降低冶煉成本；化工行業(yè)可用磨機(jī)來(lái)磨制一些化工原料，如用于磨制化妝品填充劑的超細(xì)碳酸鈣；水泥行業(yè)不僅可用磨機(jī)磨制水泥生料，還可用于水泥熟料的磨制；磨機(jī)更是大型火力發(fā)電廠煤粉制備主要設(shè)備。

粉體用量越來(lái)越多，對(duì)磨機(jī)的要求也越來(lái)越高。統(tǒng)計(jì)資料顯示，國(guó)內(nèi)涉及到粉體制造和應(yīng)用的產(chǎn)值，己高達(dá)數(shù)千億元。但現(xiàn)在我們的粉體加工企業(yè)常使用的磨機(jī)，一般都是傳統(tǒng)意義上的管式磨。現(xiàn)在是個(gè)能源緊缺的社會(huì)，煤炭和石油均是不可再生能源。這就要求我們開(kāi)發(fā)出生產(chǎn)效率高、運(yùn)行安全可靠的新型磨機(jī)，這就是立式輥磨機(jī)。

立式輥磨主要結(jié)構(gòu)由主電機(jī)、主減速機(jī)、磨盤(pán)、磨輥及張緊加壓裝置、架體、分離器、三道閘門(mén)、安裝與檢修裝置、輔助傳動(dòng)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(jī)的核心部件，起著承前啟后的作用，磨機(jī)的粉磨能力、粉體的顆粒大小與料度分布、整個(gè)磨機(jī)的能量消耗，均與此密切相關(guān)。本文就以立式輥磨機(jī)的磨輥加載系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究為重點(diǎn)，通過(guò)磨輥加載系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究為河南焦礦機(jī)器有限公司最后開(kāi)發(fā)出安全、可靠、高效的立式輥磨機(jī)提供基礎(chǔ)。

1 立式輥磨與傳統(tǒng)管磨機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

立式輥磨與傳統(tǒng)管磨機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下：

（1）立式輥磨機(jī)生產(chǎn)效率高，粉磨能耗大大降低。立磨與管磨機(jī)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(jié)省的多。一般立磨粉磨水泥電耗是20～25 kW·h/t，而傳統(tǒng)管磨機(jī)的電耗是40～45 kW·h/t，節(jié)能效果顯而易見(jiàn)。

（2）烘干能力強(qiáng)?？梢酝ㄟ^(guò)大量熱風(fēng)，特別適用于PC窯或PH窯的窯尾低溫廢氣的再利用。

（3）系統(tǒng)簡(jiǎn)單，集中破碎、烘干、選粉等工序一體，簡(jiǎn)化了流程。用立磨作為粉磨系統(tǒng)，可去掉粉磨系統(tǒng)中烘干機(jī)和選粉機(jī)。不但減少了設(shè)備投入，還簡(jiǎn)化了流程，使整個(gè)系統(tǒng)更加安全可靠。

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

（5）入磨物料粒度大，入料粒度可達(dá)輥徑的4%～5%。

（6）噪聲低。由于立磨的磨輥與磨盤(pán)不直接接觸，而管磨機(jī)是通過(guò)磨球與物料直接接觸來(lái)磨料，因此沒(méi)有金屬撞擊聲，噪聲比管磨機(jī)低10 dB以上。

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

（8）運(yùn)轉(zhuǎn)率高。立磨具有效率高、磨耗小等優(yōu)點(diǎn)。粉磨生料時(shí)，磨損件消耗一般為6～8 g/t，輥套、襯板壽命可達(dá)8 000 h以上。傳統(tǒng)管磨機(jī)運(yùn)行時(shí)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(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率低，而立磨運(yùn)轉(zhuǎn)率高達(dá)90%以上。

2 國(guó)際上常見(jiàn)磨粉機(jī)的加載方式

國(guó)際上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家早在上世紀(jì)初，就開(kāi)發(fā)研制出各種粉磨設(shè)備，如第一臺(tái)雷蒙磨機(jī)是1906年C.Vgrueber在柏林南郊創(chuàng)建的CurtVon Grueber機(jī)械制造廠第一次制造出來(lái)，同時(shí)Curt Von Grueber利用他在美國(guó)獲得的專(zhuān)利生產(chǎn)出首臺(tái)Maxecon立式輥磨機(jī)，而我國(guó)首次應(yīng)用雷蒙磨是在上世紀(jì)50年代。由于雷蒙磨的加載方式（如前述）的缺點(diǎn)，1927年德國(guó)人E.C.loesche在大量分析和總結(jié)不同磨機(jī)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出萊歇磨。最初的萊歇磨采用彈簧加載，也存在一些問(wèn)題（如前述），隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，該機(jī)逐漸被改為液壓系統(tǒng)加載。

液壓系統(tǒng)加載使磨機(jī)的整機(jī)性能大為提高，得到各國(guó)專(zhuān)家的認(rèn)可。該機(jī)應(yīng)用廣泛，高效節(jié)能，穩(wěn)定性好，至此各種新型磨機(jī)逐漸多采用這種加載方式。如德國(guó)KHD公司、日本宇部興產(chǎn)公司、美國(guó)富勒公司生產(chǎn)的盤(pán)輥形式的磨粉機(jī)，均采用液壓加載方式。由于磨機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和擠壓原理的區(qū)別，其液壓加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案有各種各樣。隨著近代磨機(jī)結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生了新一代的液壓加載方式，如F.L.Smidth公司開(kāi)的輥式磨Atox磨，日本Onoda公司的OK磨，Kawasaki的CK磨。

目前我國(guó)粉體制造業(yè)，在國(guó)際上仍處于落后狀態(tài)，國(guó)家每年不得不花費(fèi)大量外匯從國(guó)外進(jìn)口制粉設(shè)備，我國(guó)目前許多水泥廠使用了立式輥磨，很多是國(guó)外進(jìn)口的，尤其火力發(fā)電廠使用的立式輥磨機(jī)，大部分均采用了進(jìn)口設(shè)備。為了適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的需要，國(guó)內(nèi)一些大專(zhuān)院校、科研院所也紛紛加入研制新一代磨機(jī)的行列，如武漢工業(yè)大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院、合肥水泥研究院等單位，均有新型磨機(jī)的研制成果。

3 國(guó)內(nèi)常見(jiàn)磨粉機(jī)的加載方式

目前國(guó)內(nèi)在制粉過(guò)程中，采用的磨體設(shè)備加載方式各有特點(diǎn)。常用的有：

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

（2）球磨機(jī)。其工作原理是當(dāng)磨機(jī)筒體旋轉(zhuǎn)時(shí)，筒體內(nèi)的研磨介質(zhì)（球，棒，管等）在摩擦力和離心力的作用下，隨筒體廻轉(zhuǎn)至一定的高度后，按一定的速度拋落，對(duì)筒體內(nèi)的物料產(chǎn)生沖擊、磨削和擠壓，使物料粉碎。這種磨機(jī)的加載，是靠改變研磨介質(zhì)的質(zhì)量大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的，雖然安全可靠，但效率低下，體形笨重，在粉磨過(guò)程中因物料自身的相互摩擦產(chǎn)生的無(wú)用熱量太多，浪費(fèi)能源。

（3）雷蒙磨機(jī)。這種磨機(jī)是利用磨輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力，使進(jìn)入輥和環(huán)之間的物料受到擠壓而破碎，由于輥?zhàn)拥碾x心力受轉(zhuǎn)速和輥?zhàn)淤|(zhì)量大小的影響較大，所以能產(chǎn)生的擠壓破碎力有限。這種磨機(jī)在工作中，磨輥對(duì)磨機(jī)機(jī)體產(chǎn)生的沖擊大，損耗大，所以整機(jī)效率低，壽命短，噪聲大，產(chǎn)量小，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)綠色環(huán)保的要求。

（4）彈簧加載式盤(pán)輥磨粉機(jī)。是利用彈簧的預(yù)緊力，使磨輥和磨盤(pán)之間產(chǎn)生的擠壓力粉碎物料，產(chǎn)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(chǎn)生的加載力幅值和緩沖沖擊載荷的效果及磨粉過(guò)程中穩(wěn)定性均有限，使用中常出現(xiàn)彈簧疲勞斷裂的情況，使生產(chǎn)不能連續(xù)運(yùn)行，很難滿足優(yōu)質(zhì)磨機(jī)的性能要求。

（5）液壓加載式輥式磨機(jī)。該機(jī)在移動(dòng)輥兩側(cè)采用液壓系統(tǒng)加載，同時(shí)液壓系統(tǒng)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(tǒng)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(kāi)發(fā)與研究的加載方式。這種磨機(jī)仍然具有效率高、能耗低、噪聲小、操作方便等特點(diǎn)，是值得推廣的一種加載方式。

4 目前存在的主要問(wèn)題

盡管立式輥磨技術(shù)發(fā)展迅速，但結(jié)合參考文獻(xiàn)及目前立式輥磨加載系統(tǒng)的現(xiàn)狀，可以總結(jié)出目前立式輥磨加載系統(tǒng)仍存在以下不足：

（1）機(jī)械振動(dòng)?，F(xiàn)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(chǎn)中，一旦有較硬較大的物料進(jìn)入磨機(jī)，由于加載裝置受力不均勻，或由于共振的原因，可能會(huì)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(guān)系就被打破。此時(shí)，磨輥極易傾覆，造成重大設(shè)備事故。因此，本課題在研究加載系統(tǒng)的優(yōu)化中，將通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析找到問(wèn)題的所在，對(duì)磨機(jī)加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

（2）磨機(jī)產(chǎn)量、產(chǎn)品顆粒大小與磨輥加載系統(tǒng)的關(guān)系模糊。根據(jù)資料，現(xiàn)有的立式輥磨的磨機(jī)產(chǎn)量、粉磨產(chǎn)品顆粒大小與磨機(jī)加載系統(tǒng)的關(guān)系，多由經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，并未有成熟的理論和計(jì)算方法來(lái)計(jì)算和描述他們之間的關(guān)系。本課題試圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)，并建立數(shù)學(xué)模型，來(lái)分析其間的關(guān)系，最終找到其內(nèi)在的規(guī)律。

（3）加載系統(tǒng)壽命短。過(guò)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(tǒng)的壽命較短，一般半年后就容易出現(xiàn)加載系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定、加載力漂移等缺點(diǎn)。而現(xiàn)在使用液壓加載便可克服這些缺點(diǎn)，該加載系統(tǒng)的加載力可調(diào)、直觀，很容易就能實(shí)現(xiàn)儀表顯示，甚至可與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載系統(tǒng)控制，加載系統(tǒng)的壽命可達(dá)數(shù)年不出現(xiàn)大的故障，這正是我們要研究和實(shí)現(xiàn)的課題。

（4）加載系統(tǒng)可靠性差?，F(xiàn)有的很多立式輥磨的加載系統(tǒng)，由于磨輥的擺動(dòng)或上下浮動(dòng)，使液壓缸相連的拉桿工作處于橫向擺動(dòng)和上下滑動(dòng)狀態(tài)，在高壓工況下，液壓缸的密封圈壽命較短，常出現(xiàn)生產(chǎn)中的停機(jī)故障，影響作業(yè)效率。本課題，試圖通過(guò)研究，建立數(shù)學(xué)模型，然后利用數(shù)字仿真，找到問(wèn)題的所在，并對(duì)加載系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)法消除磨輥的擺動(dòng)和上下浮動(dòng)，以提高磨機(jī)的可靠性。

（5）機(jī)電一體化水平低，自動(dòng)化水平低。

5 研究的進(jìn)展

5.1 試驗(yàn)情況

（1）以水泥生料、煤炭等物料為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)在試驗(yàn)機(jī)上做實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以找出磨機(jī)加載系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響效果，確定出磨機(jī)的最佳參數(shù)，從而改善加載系統(tǒng)的綜合性能，提高磨機(jī)的整體工作性能。

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，然后利用數(shù)字仿真，研究磨機(jī)加載系統(tǒng)的數(shù)學(xué)動(dòng)態(tài)特性。該仿真著重于對(duì)加載系統(tǒng)過(guò)程的“模擬”，從中獲取系統(tǒng)在穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)品質(zhì)、緩沖效果、對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)能力等方面的性能信息。仿真結(jié)果的正確性，取決于數(shù)學(xué)模型、仿真模型的正確性。因此，認(rèn)真分析確定系統(tǒng)的研究范圍，對(duì)影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的因素進(jìn)行合理的取舍和簡(jiǎn)化，確定主系統(tǒng)的參數(shù)值，尋找求解系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的合理解法等環(huán)節(jié)成為仿真成敗的關(guān)鍵。

5.2 創(chuàng)新體現(xiàn)

針對(duì)現(xiàn)有輥磨機(jī)的加載裝置進(jìn)行廣泛的資料收集、分析處理，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)，并加上數(shù)字仿真，研究磨機(jī)加載系統(tǒng)的數(shù)學(xué)動(dòng)態(tài)特性，找到立式輥磨機(jī)加載系統(tǒng)在工作過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性最佳匹配參數(shù)，為同類(lèi)型加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）因?yàn)榱⑹捷伳C(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)尚處于保密階段，目前只有國(guó)內(nèi)外少數(shù)廠家和研究機(jī)構(gòu)所掌握。因此通過(guò)本課題的研究，試圖找到磨機(jī)加載系統(tǒng)的系統(tǒng)特性及規(guī)律，有利于打破技術(shù)壁壘，攻克技術(shù)難關(guān)，為最終設(shè)計(jì)出安全可靠、性能穩(wěn)定的立式輥磨機(jī)提供理論依據(jù)。

（2）本研究可為磨機(jī)液壓加載系統(tǒng)的自動(dòng)化管理提供基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語(yǔ)

技術(shù)關(guān)鍵需要系統(tǒng)地進(jìn)行磨輥加載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真，并分析其動(dòng)態(tài)特性。并以動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)論為基礎(chǔ)，對(duì)磨機(jī)加載系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化；筆者和公司有關(guān)技術(shù)人員也成立了立式輥磨機(jī)攻關(guān)小組，在充分研究國(guó)際先進(jìn)磨粉機(jī)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，正在從事這方面的研究。研究結(jié)果表明：采用液壓方式加載，是超細(xì)輥式磨必須具備的條件和要求，這也是傳統(tǒng)的雷蒙磨、球磨機(jī)或采用機(jī)械彈簧式加載的磨機(jī)所不能替代的，因此研究立式輥磨機(jī)的磨輥加載系統(tǒng)，是突破研發(fā)該類(lèi)磨機(jī)的關(guān)鍵。

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