多輥履支撐球磨機功耗實驗研究

謝 華, 劉建壽, 史東才

(1.蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 蘇州 320500；2.洛陽理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 洛陽 471023)

隨著水泥企業(yè)規(guī)模的擴大，球磨機不斷大型化，球磨機直徑為3.8～4.5 m之間。大型球磨機支撐方式多采用滑履支撐，滑履支撐的支撐點在筒體的兩端，取消了原球磨機的中空軸，球磨機兩個支點的距離減小，減小了薄壁筒體的彎曲應(yīng)力，減小了筒體的厚度和重量，還減小了進料口和進風(fēng)口面積的限制。由于滑瓦數(shù)量的變化、支撐力的增大、摩擦力的增大、摩擦副相對線速度成倍提高，球磨機應(yīng)用滑履軸承支撐比應(yīng)用中空軸滑動軸承支撐，摩擦功耗增大[1-4]。生產(chǎn)實踐表明，采用滑履軸承支撐后，滑履軸承溫升太大，常常造成球磨機跳閘停機。水泥生產(chǎn)中，破碎與粉磨作業(yè)耗電量占全廠耗電量的60%～70%，在粉磨作業(yè)球磨機的電耗中，傳動與支撐的機械損耗約占8%～12%，球磨機支撐中滾動軸承支撐比滑動軸承支撐有效降低摩擦系數(shù)，大型球磨機電機功率為2 500～3 550 kW，滑履軸承支撐摩擦功率消耗比滾動軸承支撐摩擦功率消耗更大。所以采用滾動軸承支撐可以有效降低電耗。但球磨機支撐采用大型滾動軸承造價昂貴，既不經(jīng)濟，也給滾動軸承制造提出更高的要求。滾動軸承摩擦力矩與滾動軸承的半徑成正比，小型滾動軸承功耗更小。

根據(jù)球磨機的受力特點，設(shè)計球磨機的輥履支撐和滑履支撐，采用滾動軸承和滑動軸承兩種支撐方式，現(xiàn)場測試滑履支撐功耗和輥履支撐的功耗，并做對比。在同樣工作條件下，輥履支撐球磨機比滑履軸承支撐球磨機節(jié)電，為球磨機使用滾動軸承支撐提供實際依據(jù)。球磨機節(jié)能降耗符合水泥行業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策，有利于可持續(xù)發(fā)展。

1 實驗平臺的搭建

球磨機實驗平臺包括5個組成部分，分別為由筒體組成的回轉(zhuǎn)部分，由電機和減速機組成的傳動部分，由滑履或輥履組成的支撐部分，進料裝置和出料裝置，如圖1所示。筒體回轉(zhuǎn)部分分兩倉，內(nèi)部裝有襯板、隔倉板和鋼球。球磨機傳動采用中心傳動，由電機通過聯(lián)軸器、減速器、聯(lián)軸器等進行傳動。

1-電動機；2-聯(lián)軸器；3-減速器；4-聯(lián)軸器；5-傳感器；6-半聯(lián)軸器；7-出料裝置；8-傳動接管；9-滑履或輥履支撐部；10-回轉(zhuǎn)裝置；11輪帶；12-進料裝置

為了對比研究球磨機滑履支撐和輥履支撐，實驗平臺球磨機采用筒體輥履支撐或筒體滑履支撐，球磨機筒體上裝有輪帶，支撐通過輪帶支撐筒體。

球磨機實驗平臺具體參數(shù)如下。

規(guī)格：Φ900 mm × 3 000 mm；筒體長度：2 m + 1 m；筒體回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速：36 r/min；電機功率：30 kW；鋼球裝載量：2 700 kg。

實驗平臺安裝了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器安裝在球磨機減速器輸出軸和中空軸之間，檢測筒體回轉(zhuǎn)提升研磨體的功率和筒體軸承支撐的摩擦損耗，傳感器轉(zhuǎn)矩量程10 000 N·m，轉(zhuǎn)速量程2 000 r/min。

輥履支撐裝置如圖2所示。輥子1安裝在輥子支架2上，且通過開口銷固定。輥子支架固定在凸球面3底面上且通過螺栓連接。凸球面支塊3又置于凹球面4支塊之中，凸凹球面接觸解決了調(diào)心的問題，保障輥子1與筒體輪帶12緊密接觸。凹球面通過螺栓連接在燕尾滑板5上，且燕尾滑板能在與底座7焊接在一起的燕尾槽6內(nèi)自由滑動，在球磨機軸向起到調(diào)整作用。拉桿8通過螺母調(diào)節(jié)兩個底座之間橫向距離，底座7與滑板9通過螺栓緊固?；?與底板10連接，滑板位置可橫向調(diào)節(jié)。

1-輥子；2-輥子支架；3-凸球面；4-凹球面；5-燕尾滑板;6-燕尾槽；7底座；8-拉桿；9=滑板；10-底板;11-筒體；12-輪帶

滑履支撐裝置如圖3所示。通過將輥履支撐裝置中的輥子和支架更換為滑瓦座得到。滑瓦座上鑄有巴士合金瓦，圖3中滑瓦座的徑向尺寸與圖2中的輥子和支架的徑向尺寸相同，兩種支撐裝置在同一臺實驗?zāi)C上可以互換，保障了實驗條件的相同性和實驗結(jié)果的可比性?；妮S承支撐與中空軸滑動軸承支撐裝置采用一套供油系統(tǒng)，實現(xiàn)動壓和靜壓潤滑。

1-底板；2-滑板；3-拉桿；4-底座；5-凹球面；6-凸球面；7-滑瓦座；8-擋板；9-筒體；10輪帶

2 實驗測試

實驗平臺在輥履支撐和滑履支撐兩種方式測試的球磨機輸入軸轉(zhuǎn)矩與功率如表1所示。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在減速器之后，測得的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速是球磨機研磨體提升和軸承支撐摩擦產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。在滑履支撐中，采用了靜壓和動壓兩套系統(tǒng)。

表1 主軸承支撐與滑履支撐實驗轉(zhuǎn)矩與功率

3 結(jié)果與討論

3.1 測試結(jié)果分析

為了比較輥履軸承支撐和滑履軸承支撐兩種支撐方式的差別，通過表1的測試數(shù)據(jù)進行計算。輥履軸承支撐球磨機比滑履軸承支撐球磨機在靜壓狀態(tài)下(啟動狀態(tài))扭矩減少4.92%，節(jié)電約4.89%；輥履軸承支撐球磨機比滑履軸承支撐球磨機在動壓狀態(tài)下(正常運轉(zhuǎn))扭矩減少10.37%，節(jié)電約10.35%。

此外，輥履軸承支撐球磨機比滑履軸承支撐球磨機節(jié)省了高壓油站、冷卻裝置及大量的潤滑油。應(yīng)用輥履軸承支撐球磨機還可以使球磨機易于啟動。

3.2 理論分析

球磨機功率消耗在兩個方面：一是提升研磨體，沖擊和研磨物料；二是軸承的機械摩擦并產(chǎn)生熱量。前者是有用功，后者是無用功。可用機械效率η來考慮，球磨機所需功率[5]為

式中：η為球磨機的機械效率；N0為球磨機需用功率，kW；n為球磨機的適宜轉(zhuǎn)速，r/min；G為球磨機筒體內(nèi)研磨體的總質(zhì)量，t。

球磨機機械效率影響球磨機功率消耗，球磨機機械效率與球磨機支撐裝置、減速器、電機的摩擦損耗有關(guān)。

滑動軸承的摩擦系數(shù)f= 0.08～0.12，滾動軸承的摩擦系數(shù)f= 0.001～0.005，二者差別很大。球磨機應(yīng)用滑履軸承支撐時，采用滑動軸承。球磨機應(yīng)用輥履軸承支撐時，采用小型滾動軸承。兩種支撐方式，摩擦系數(shù)差別很大，功率消耗差別也很大，輥履支撐取代滑履支撐，可以降低支撐裝置的摩擦損耗，提高機械效率，降低磨機需用功率。

在上述實驗中，球磨機兩種支撐裝置的其余實驗條件是一樣的，即球磨機工藝、球磨機本體、鋼球與物料裝載量、傳動系統(tǒng)、支撐裝置的支架部分均相同，能較好反映滾動軸承輥履支撐和滑動軸承滑履支撐扭矩的大小和功率消耗差別。

此外，小型滾動軸承為大批量生產(chǎn)并實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，配件易得，比大型滾動軸承成本低；滾動軸承加工精度高，振動小，易于球磨機運轉(zhuǎn)；滾動軸承功率消耗低，發(fā)熱量少，潤滑油的消耗減少，潤滑維護較為省事[6-7]。采用輥履支撐，不僅減小功耗，還有利于球磨機的運轉(zhuǎn)和維護。

4 結(jié) 語

通過實驗和理論分析得出如下結(jié)果：(1)在同樣工作條件下，輥履軸承支撐球磨機比滑履軸承支撐球磨機在靜壓狀態(tài)下(啟動狀態(tài))節(jié)電約4.89%，輥履軸承支撐球磨機比滑履軸承支撐球磨機在動壓狀態(tài)下(正常運轉(zhuǎn))節(jié)電10.35%；(2)球磨機輥履軸承支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計和實驗為大型球磨機采用小型滾動軸承支撐提供了新的方法。