淺談化工機(jī)械中臥式砂磨機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王曉波

摘要：在化工機(jī)械中，臥式砂磨機(jī)發(fā)揮著重要的物料研磨分散作用。本文通過闡述臥式砂磨機(jī)的組成結(jié)構(gòu)，分析其的工作原理，發(fā)現(xiàn)臥式砂磨機(jī)的結(jié)構(gòu)存在不合理的地方，導(dǎo)致其工作效率不高、研磨質(zhì)量不佳等問題。然后分析臥式砂磨機(jī)的主軸部件、冷卻系統(tǒng)、研磨裝置和機(jī)座四個(gè)重要組成部分，從這四個(gè)方面對臥式砂磨機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。改進(jìn)后的臥式砂磨機(jī)能增強(qiáng)物料的流動(dòng)性，增加了研磨效率和提高了研磨效果，冷卻效果也進(jìn)一步加強(qiáng)。這四部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化使臥式砂磨機(jī)能發(fā)揮更好的效用。

關(guān)鍵詞：臥式砂磨機(jī);主軸部件;冷卻系統(tǒng);研磨裝置;機(jī)座;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中國分類號(hào)：TQ050.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）06-0103-05

目前，我國化工行業(yè)飛速發(fā)展，化工機(jī)械作為化工的重要組成部分，而且化工行業(yè)對精細(xì)材料需求越來越嚴(yán)格，砂磨機(jī)作為精細(xì)材料制備的重要機(jī)械在化工中發(fā)揮著重要作用。砂磨帆最初的研發(fā)是從球磨機(jī)所得到的啟發(fā)，是屬于濕法超細(xì)研磨設(shè)備，其特點(diǎn)在于對物料的加工效率高，而且物料的實(shí)用性廣，砂磨機(jī)不僅應(yīng)用于化工行業(yè)，還在其他領(lǐng)域中廣泛使用，比如陶瓷和新材料領(lǐng)域、冶金和非金屬礦物材料等領(lǐng)域。一般情況下，砂磨機(jī)分為臥式砂磨機(jī)和立式砂磨機(jī)，臥式砂磨機(jī)主要由機(jī)座、主軸部件、研磨裝置、冷卻裝置、控制系統(tǒng)、輔助裝置等組成。在化工行業(yè)中，臥式砂磨機(jī)應(yīng)用較為廣泛，本文將以臥式砂磨機(jī)作為研究對象，對其四個(gè)重要組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，四個(gè)結(jié)構(gòu)分別為研磨裝置、冷卻裝置、主軸部分和機(jī)座，目的在于增加臥式砂磨機(jī)的使用效果，加強(qiáng)化工行業(yè)的研磨效果和研磨質(zhì)量。

1 臥式砂磨機(jī)的結(jié)構(gòu)介紹和工作原理

1.1臥式砂磨機(jī)的結(jié)構(gòu)介紹

圖1為臥式砂磨機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖。臥式砂磨機(jī)主要由六個(gè)部分構(gòu)成，分別為研磨裝置、主軸部件、冷卻裝置、機(jī)座、輔助裝置和控制系統(tǒng)。下面一一對其進(jìn)行介紹：

1.1.1研磨裝置

臥式砂磨機(jī)的研磨裝置是其最為核心的部分，研磨裝置的主要零部件包含研磨盤片、鋼套、過濾器、主軸、陶瓷筒等。臥式砂磨機(jī)開始工作時(shí)，通過主軸轉(zhuǎn)動(dòng)然后帶動(dòng)研磨盤工作，在研磨盤中開始攪拌物料和研磨介質(zhì)，最終將物料進(jìn)行研磨加工。

1.1.2主軸部件

臥式砂磨機(jī)的動(dòng)力傳輸就來自于主軸部件，主軸部件的主要組成零部件包含著主軸箱體、密封裝置、主軸、潤滑裝置和軸承等，主軸部件的作用就是通過電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給帶輪，然后帶輪帶動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng)，最后將動(dòng)力傳給了研磨裝置。

1.1.3冷卻裝置

臥式砂磨機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，冷卻裝置的作用就是散發(fā)臥式砂磨機(jī)的熱量，使其在工作時(shí)能夠保持恒溫，冷卻裝置的主要組成零部件包含連接水管、水槽、水泵和冷水機(jī)等。其原理就是水泵作為動(dòng)力系統(tǒng)，將水槽中的水通過連接水管抽到主軸、研磨筒和端蓋的冷卻管道內(nèi)冷卻，通過冷卻機(jī)可以達(dá)到將水重復(fù)利用的作用。

1.1.4輔助裝置

臥式砂磨機(jī)的輔助裝置包含隔膜泵、進(jìn)出料系統(tǒng)、氣泵等。

1.1.5機(jī)座

臥式砂磨機(jī)的機(jī)座雖然對研磨效果起不到實(shí)質(zhì)性的作用，但是能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)和臥式砂磨機(jī)組成的各個(gè)零部件起到很好的固定和保護(hù)作用，方便對臥式砂磨機(jī)進(jìn)行操作。其主要組成部分包含外殼、角鋼和鋼板，對其力學(xué)性能要求較高。

1.1.6控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)總司令，操控著臥式砂磨機(jī)，所以控制系統(tǒng)在臥式砂磨機(jī)中的作用很大，一個(gè)很小的控制環(huán)節(jié)都會(huì)造成研磨的質(zhì)量受損，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致機(jī)器壞掉?？刂葡到y(tǒng)主要的組成零部件包含著電機(jī)、控制面板、壓力表、信號(hào)放大器、變頻器、報(bào)警系統(tǒng)、流量表和PLC等?？刂葡到y(tǒng)的作用是控制主軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速是由臥式砂磨機(jī)內(nèi)的壓力、流量、溫度和速度等信息控制，而且當(dāng)壓力、速度、溫度等信息指標(biāo)超過安全值會(huì)通過報(bào)警系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，如果相關(guān)信息超過臨界值則會(huì)自動(dòng)停止臥式砂磨機(jī)工作。

1.2臥式砂磨機(jī)的工作原理

臥式砂磨機(jī)的工作流程比較簡單，總的來講就是將被研磨的物質(zhì)放于研磨筒內(nèi)進(jìn)行研磨。但是看似簡單的工作流程其工作原理比較復(fù)雜，是經(jīng)過了很多的裝置、零部件、控制系統(tǒng)等合作完成才能研磨出質(zhì)量好的產(chǎn)品。

臥式砂磨機(jī)的基本工作原理：首先需要將研磨介質(zhì)和被研磨的物料漿液按照一定的比例配合裝載研磨筒內(nèi)，然后通過電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng)，主軸通過快速運(yùn)動(dòng)攪拌物料，被研磨的物料和研磨介質(zhì)在研磨盤的作用下進(jìn)行研磨工作，最終達(dá)到研磨粉碎的程度。臥式砂磨機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)大的剪切力和沖擊力，因?yàn)橐环矫媸墙Y(jié)合了速度攪拌器的線速度，另一方面是加入的研磨介質(zhì)的重量會(huì)增加這種力量。臥式砂磨機(jī)這種強(qiáng)大的力量會(huì)讓物料達(dá)到一個(gè)很好的粉碎效果。一系列高速轉(zhuǎn)動(dòng)的水平側(cè)臂被中心軸帶動(dòng)，并且橫向切入不同位置的介質(zhì)層，在這樣高的旋轉(zhuǎn)力和低的下墜引力的共同影響下，造成了介質(zhì)在研磨筒內(nèi)不規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力和沖擊力，使砂磨機(jī)的超細(xì)研磨率提高，并使粒度分布曲線狹窄而均勻。

2 臥式砂磨機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

2.1研磨裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1.1研磨裝置出現(xiàn)的問題

目前，臥式砂磨機(jī)的研磨裝置在實(shí)際的使用過程存在一些普遍的問題，主要問題表現(xiàn)如下：

①研磨腔中的物料流動(dòng)不合理，抵消了砂磨機(jī)的運(yùn)動(dòng)力量，從而損害研磨的效果。②臥式砂磨機(jī)在工作時(shí)使研磨介質(zhì)受到破損，即研磨介質(zhì)非正常破損數(shù)量比較多。③限制了主軸的長度，所以主軸在工作時(shí)處于一種懸空狀態(tài)，這樣還會(huì)使研磨片的數(shù)量受到限制。④臥式砂磨機(jī)有較強(qiáng)的噪音和震動(dòng)，原因是主軸在帶動(dòng)研磨片高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，研磨片的偏擺幅度過大造成的。

為了解決研磨裝置的問題，使臥式砂磨機(jī)達(dá)到高效率生產(chǎn)，并且還能節(jié)約能源，需要對研磨裝置進(jìn)行一定的優(yōu)化改進(jìn)，使其能滿足當(dāng)今化工行業(yè)的快速發(fā)展。接下來將對研磨裝置進(jìn)行優(yōu)化

2.1.2研磨裝置優(yōu)化分析

目前，我國的臥式砂磨機(jī)中的研磨裝置主要使用的是傳統(tǒng)的圓盤式研磨盤，圖2就是傳統(tǒng)的研磨盤示意圖。傳統(tǒng)的研磨盤會(huì)導(dǎo)致研磨的效率低、分散性差、浪費(fèi)能源、研磨片數(shù)量受到限制等問題，基于此類問題，文章對研磨盤進(jìn)行優(yōu)化處理，如圖3即為改進(jìn)后的研磨盤。

相關(guān)研究表明，研磨介質(zhì)的動(dòng)能會(huì)受到研磨盤半徑的影響，當(dāng)研磨半徑越大時(shí)，研磨介質(zhì)的動(dòng)能越大，研磨效果也越好;當(dāng)研磨半徑越小時(shí)，研磨介質(zhì)的動(dòng)能越小，研磨效果也就越來越不好。優(yōu)化后的研磨盤會(huì)將靠近軸心的研磨介質(zhì)和被研磨的物料盡量向外側(cè)移動(dòng)，就可以讓被研磨物料和研磨介質(zhì)的動(dòng)能達(dá)到更大，而且輪輻可以使被研磨的物料加快流動(dòng)，增加了攪拌的力量，從而使研磨效果達(dá)到更好。優(yōu)化后的研磨裝置還可以使被研磨物料達(dá)到大的震動(dòng)。

優(yōu)化后的研磨裝置能夠解決因?yàn)橹鬏S的長度限制導(dǎo)致限制了研磨盤的數(shù)量，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以不用使用定距盤，同樣的主軸長度上可以增多研磨盤的數(shù)量，數(shù)量增加后就可以增加研磨的速度。將研磨盤的材質(zhì)改為氮化硅，因?yàn)榈璧哪湍バ阅芎芎?，而且還具有良好的導(dǎo)熱性能，它的作用可以保護(hù)研磨物料免受污染。然而氮化硅最大的缺點(diǎn)在于硬度太大了，而且韌性不好了，在傳統(tǒng)的砂磨機(jī)中使用會(huì)造成其破裂，就會(huì)縮短使用壽命，如是將研磨盤改為圓弧形，就可以減少應(yīng)力晉集中現(xiàn)象。這樣改良后的研磨裝置不僅提高了研磨的質(zhì)量效果，提高了使用周期，一定程度上減少物料污染，還將研磨盤的散熱性提高了，最重要的還提高的研磨效率，使其在化工生產(chǎn)中發(fā)揮更好的作用。

2.2主軸部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

主軸部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要從主軸箱體和軸封裝置上進(jìn)行改進(jìn)，目的在于提高臥式砂磨機(jī)的高效率、高強(qiáng)度和高回轉(zhuǎn)精度等。主軸箱體的作用是支撐其內(nèi)部零部件，要求主軸箱體的剛度、抗震性能和強(qiáng)度等要能做夠強(qiáng)大，因?yàn)橹鬏S箱體的好壞將會(huì)直接影響零部件的安裝精度和受力情況。主軸箱體要依據(jù)其力學(xué)性能和工作環(huán)境等選擇合適的材料，還要考慮主軸箱體的制造工藝，這兩個(gè)方面都將會(huì)影響主軸箱體的好壞。制作主軸箱體時(shí)本文選擇采用鑄造工藝，因?yàn)殍T造工藝的優(yōu)點(diǎn)在于高剛度、高強(qiáng)度、吸塵性能好等。

因?yàn)檩S封裝置在臥式砂磨機(jī)工作時(shí)會(huì)受到研磨物料和研磨介質(zhì)的擠壓，這就需要軸封裝置有能夠抵抗這種壓力的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，然而科學(xué)合理的軸封裝置設(shè)計(jì)難度較大。本文將采用雙端面密封方式，但是這種方式需要提供密封裝備和沖洗方案，為了滿足阻封液的液壓高于被密封的液壓，需要在外面設(shè)置一個(gè)增壓的裝備，提高阻封液的液壓。對阻封液的選擇也要科學(xué)、合理，盡量選擇成本低廉的阻封液，最重要的是不能對被密封介質(zhì)造成污染。而且需要設(shè)置一個(gè)輔助系統(tǒng)使阻封液能夠循環(huán)流動(dòng)，從而達(dá)到多次利用的目的。

2.3冷卻裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在化工生產(chǎn)中，臥式砂磨機(jī)由于研磨物料的攪動(dòng)和碰撞會(huì)產(chǎn)生非常多的熱量，如果機(jī)械的溫度不能降下去，將會(huì)對設(shè)備產(chǎn)生很嚴(yán)重的影響，還會(huì)對研磨的質(zhì)量造成問題，所以必須使用冷卻裝置降低臥式砂磨機(jī)的溫度，將溫度控制在機(jī)械可以承受的范圍內(nèi)。為了使冷卻裝置的冷卻效果達(dá)到最優(yōu)，本文將從研磨筒、主軸和研磨筒體三個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，提高冷卻效果。

傳統(tǒng)的主軸是實(shí)心的，不利于散熱，本文將實(shí)心的主軸改為空心軸，如圖4所示，為了滿足主軸的剛度和強(qiáng)度，主軸直徑設(shè)置為28mm，然后將一根水管放人到空心主軸中，連通冷卻循環(huán)水，就可以降低主軸及主軸周圍的溫度，還可以帶走周圍的各個(gè)零部件的熱量，使臥式砂磨機(jī)的溫度不至于過高而影響系統(tǒng)性能。

研磨簡體的優(yōu)化是在其兩個(gè)端口蓋子上分別設(shè)置一個(gè)O型凹槽，目的在于對冷卻兩個(gè)端蓋，從而可以降低與物料的溫度，最終將研磨通筒和密封件的溫度降低，使冷卻系統(tǒng)的冷卻效果更加優(yōu)良。圖5即為研磨腔端蓋冷卻水凹槽。

將缸體內(nèi)部設(shè)計(jì)成為螺紋槽，螺紋槽的數(shù)量越多，其導(dǎo)熱面積也就越大，就越容易散熱，再加上將缸套的材料設(shè)計(jì)成為氮化硅，該材料具有很好的熱傳導(dǎo)作用，而且，螺紋槽的設(shè)計(jì)能夠確保水時(shí)單向流動(dòng)的，防止水資源浪費(fèi)，從而可以節(jié)約臥式砂磨機(jī)的工作成本。螺紋槽的作用和氮化硅材質(zhì)的性能可以極大的提高研磨設(shè)備的冷卻效率。圖6即為缸體內(nèi)部的螺紋槽結(jié)構(gòu)。

2.4機(jī)座部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

機(jī)架雖然不會(huì)造成研磨質(zhì)量受損，但是其作用也不容小覷，它的主要作用在于支撐臥式砂磨機(jī)，將砂磨機(jī)的各個(gè)零部件進(jìn)行連接和固定。如果機(jī)架結(jié)構(gòu)不合理，將會(huì)影響臥式砂磨機(jī)的綜合性能。機(jī)架結(jié)構(gòu)不僅要求其具有高強(qiáng)度和高剛度，還要能節(jié)約材料、起到降低成本的作用。

一般情況下，臥式砂磨機(jī)工作時(shí)震動(dòng)會(huì)很大，而且工作環(huán)境比較惡劣，就會(huì)雖短機(jī)械的使用周期，就需要對機(jī)座有一個(gè)嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的軸承座是通過螺釘安裝在機(jī)架上的，這樣的安裝方式的最大缺點(diǎn)是剛性差，而且，安裝電機(jī)軸與主軸過程中需要保證平行，這樣人工操作會(huì)比較困難。傳統(tǒng)的形式是電機(jī)放在機(jī)架的內(nèi)部，當(dāng)通過螺栓螺母來調(diào)整皮帶的松緊程度也是比較麻煩的。所以本文將機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，目的在于滿足機(jī)架的力學(xué)性能還能，還能方便操作和節(jié)約材料。

軸承座和機(jī)架不用螺釘進(jìn)行連接，而是選擇將軸承座和機(jī)架整體鑄造，加工成為一體，這樣就會(huì)保證機(jī)架的剛性強(qiáng)。為了保證電機(jī)軸與主軸安裝在同一水平線上，在同一機(jī)器上同時(shí)加工電機(jī)軸上的安裝孔和主軸的安裝孔，這樣就可以保證安裝時(shí)能處于同一平面上。將電機(jī)放在機(jī)座的上面，皮帶的松緊程度不用螺栓螺母來調(diào)節(jié)而是選擇用漲緊輪調(diào)整。這樣就會(huì)降低操作的難度，帶個(gè)工人方便。

3 結(jié)論

在化工行業(yè)中，對物料的生產(chǎn)和加工都是非常嚴(yán)苛的，這就要求化工機(jī)械能有足夠的加工性能。通過本文對化工機(jī)械中臥式砂磨機(jī)的研磨裝置、主軸部件、冷卻裝置和機(jī)架的進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，與傳統(tǒng)的臥式砂磨機(jī)相比，能夠提高其使用性能，增加砂磨機(jī)的研磨效果，還提高了加工效率、簡化了人工操作。其中，對研磨裝置中結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了研磨效率和研磨質(zhì)量，節(jié)約了能源消耗，延長了使用周期;對主軸部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了其力學(xué)性能，增加了散熱功能;對冷卻裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強(qiáng)了冷卻效果，還節(jié)約了水資源;對機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加了結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，降低工人操作難度。