伍宏斌,廖明鋒,賀 偉

(湖南特種金屬材料廠,湖南長(zhǎng)沙 410013)

0 前言

最早采用連續(xù)粉碎動(dòng)作的粉碎機(jī)械是公元前4世紀(jì)由公輸班發(fā)明的畜力磨,另一種采用連續(xù)粉碎動(dòng)作的粉碎機(jī)械是輥碾。蒸汽機(jī)和電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械逐漸完善和推廣之后相繼創(chuàng)造出近代機(jī)械破碎設(shè)備,這些粉碎機(jī)械的出現(xiàn),大大提高了粉碎作業(yè)的功效。但是,由于各種物料的粉碎特性互有差異,不同行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的粒度要求也彼此不同,于是又先后創(chuàng)制出按不同工作原理進(jìn)行粉碎作業(yè)的多種粉碎機(jī)械,如輪碾機(jī)、振動(dòng)磨、渦輪粉碎機(jī)、氣流粉碎機(jī)、風(fēng)扇磨煤機(jī)、砂磨機(jī)、膠體磨等。1806年出現(xiàn)了用蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的輥式破碎磨機(jī),簡(jiǎn)稱輥磨機(jī)；輥磨機(jī)的基本原理是通過(guò)將待磨物料置于磨輥和磨盤(pán)(或磨環(huán))之間,利用自重力、彈簧力、液壓力等機(jī)械力或由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力等,將物料碾壓粉碎。利用料床擠壓粉碎原理的粉磨設(shè)備相比剪切、沖擊力的粉磨設(shè)備具有粉磨效率高、電耗低、磨損小等特點(diǎn)。輥磨機(jī)種類繁多,有立式、臥式兩大類。利用輥磨機(jī)進(jìn)行粉碎作業(yè)的顯著特征是：能量消耗大,耐磨材料和研磨介質(zhì)的用量多,粉塵嚴(yán)重,噪聲大[1]。

提高輥磨機(jī)的生產(chǎn)效率,延長(zhǎng)耐磨材料的使用壽命,減少粉塵排放,是增加輥磨機(jī)的適用性的關(guān)鍵。

1 存在的問(wèn)題

我國(guó)大部分鐵礦礦石類型復(fù)雜、貧礦多、復(fù)合礦多,且嵌布粒度細(xì),采出礦石的90％以上無(wú)需選礦處理。因此礦石入磨量大、能耗高,選廠的動(dòng)力大部分都消耗在磨礦上,由于球磨機(jī)的生產(chǎn)效率小于10％,所以很多礦廠已改為其他破碎方式,如輥磨機(jī)。而現(xiàn)有的輥磨機(jī)存在傳動(dòng)方式復(fù)雜、不便于維修、輥面磨損后難以更換的缺陷。

用于碾磨諸如水泥生料、水泥渣塊和類似材料的顆粒材料的輥磨機(jī),其輥軸與豎直軸連接的鉸鏈連接部典型地由傳統(tǒng)滑動(dòng)軸承組成,滑動(dòng)軸承可以利用適合的潤(rùn)滑劑來(lái)潤(rùn)滑。鉸鏈連接部的功能是確保輥能夠彼此獨(dú)立地跟隨輥磨機(jī)操作期間發(fā)生在沉積于碾磨臺(tái)上的材料層中的高度變化。就方向和大小來(lái)說(shuō),由鉸鏈連接部吸收的力相對(duì)于軸承軸頸是大體恒定的,軸承軸頸的傾斜運(yùn)動(dòng)由材料層厚度的改變形成,典型的該材料層厚度的改變范圍在正負(fù)0.5(°)～5(°)區(qū)間之內(nèi) ,軸承軸頸的傾斜運(yùn)動(dòng)的頻率典型地在0.5～1 Hz區(qū)間之間。當(dāng)這種已知的輥磨機(jī)被用于碾磨諸如水泥生料、水泥渣塊和類似材料的顆粒材料時(shí),鉸鏈連接部將經(jīng)受相對(duì)高的壓力,會(huì)造成鉸鏈連接部部件之間的摩擦、發(fā)熱,由于持續(xù)地一側(cè)施加壓力并且軸承軸頸非常小的來(lái)回傾斜運(yùn)動(dòng),會(huì)阻止?jié)櫥瑒┍怀槲截?fù)載區(qū)?，F(xiàn)有的輥磨機(jī)通過(guò)使用壓力泵將潤(rùn)滑劑從儲(chǔ)存器供給到軸承,再用真空泵將已起到潤(rùn)滑作用的潤(rùn)滑劑回流到儲(chǔ)存器,但明顯的只能適于很小的負(fù)載量。

立式輥磨機(jī)依其自重產(chǎn)生的壓力效率是很低的,必須在磨輥上額外地施加垂直向下的力。立式輥磨機(jī)破碎物料時(shí)會(huì)對(duì)輥的外皮產(chǎn)生較大磨損,其采用機(jī)械彈簧作為壓力源,因壓力有限,且壓力不可隨機(jī)調(diào)整,導(dǎo)致粉碎物料效率低,零件易疲勞損壞,工作可靠性降低。

臥式輥磨機(jī)其磨輥處于粉塵多(干法粉磨)或有礦漿(濕法粉磨)的惡劣環(huán)境中,磨輥安裝的軸承,其軸承的潤(rùn)滑和密封是這類設(shè)備面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。原有的技術(shù)中,軸承的潤(rùn)滑一般采用定期加潤(rùn)滑脂,密封采用迷宮式或旋轉(zhuǎn)軸骨架油封等常規(guī)技術(shù)手段,但隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng),油封的磨損,粉塵或礦漿不可避免地被帶入軸承,軸承發(fā)熱,致使軸承的潤(rùn)滑劑變稠、變干,于是加快了油封的磨損,造成軸承使用壽命短,影響磨機(jī)的工作效率。

2 新技術(shù)的應(yīng)用

金屬礦用高壓輥磨機(jī)充分利用料層高壓碎礦的原理,通過(guò)“多碎少磨”達(dá)到節(jié)能降耗和提高輥磨機(jī)效率的目的[2]。該系統(tǒng)由機(jī)架、高壓輥、萬(wàn)向傳動(dòng)軸、減速機(jī)、給料調(diào)節(jié)裝置、液壓控制系統(tǒng)等主要部件組成,主動(dòng)輥和從動(dòng)輥分別平行安裝在機(jī)架上,通過(guò)各自的電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)和萬(wàn)向傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng),可水平移動(dòng)的動(dòng)輥的一側(cè)安裝施壓油缸,提供壓力源,并配有高低壓檢測(cè)裝置和超壓自動(dòng)卸荷裝置。在高壓輥的上方設(shè)給料調(diào)節(jié)裝置,根據(jù)電控系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果和設(shè)定進(jìn)行給料量的調(diào)節(jié),在高壓輥端面的兩側(cè)安裝有自適應(yīng)浮動(dòng)側(cè)擋板。

圖1所示的金屬礦用高壓輥磨機(jī)所采用的電機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)軸、高壓輥傳動(dòng)方式,與通常由電動(dòng)機(jī)經(jīng)傳動(dòng)軸再經(jīng)聯(lián)接在高壓輥上的行星式減速箱傳遞動(dòng)力方式,并另設(shè)一套機(jī)構(gòu)作為動(dòng)輥的退讓及反向力矩的平衡方案相比,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用,工作可靠性增強(qiáng),檢修也更加方便。其采用的自適應(yīng)浮動(dòng)側(cè)擋板機(jī)構(gòu),可方便地調(diào)節(jié)側(cè)擋板與高壓輥端面間的間隙,能使輥磨機(jī)在破碎過(guò)程中,側(cè)擋板與輥端面的間隙自動(dòng)保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi),解決了高壓輥磨機(jī)運(yùn)行過(guò)程中物料的側(cè)漏問(wèn)題。分離式液壓泵的設(shè)計(jì)避免了輥磨機(jī)在破碎過(guò)程中粉塵和振動(dòng)對(duì)液壓泵的不利影響,提高了系統(tǒng)整體運(yùn)行的可靠性。

圖1 臥式高壓輥磨機(jī)

為了解決碾磨諸如水泥生料、水泥渣塊和類似材料的顆粒材料的輥磨機(jī),其輥軸與豎直軸連接的鉸鏈連接部軸承潤(rùn)滑劑被阻止抽吸到負(fù)載區(qū)的問(wèn)題,采用的輥磨機(jī)是大體水平的碾磨臺(tái)和一組能夠圍繞豎直旋轉(zhuǎn)的輥,這組輥包括多個(gè)圍繞分離的輥軸旋轉(zhuǎn)的輥,分離的輥軸由鉸鏈連接部連接至豎直軸,鉸鏈連接部包括軸承殼體和擱置在其中的軸承軸頸,設(shè)計(jì)的鉸鏈連接部允許輥沿向上和向下的方向在包括輥軸的中心線的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),做為鉸鏈連接部的軸承軸頸和軸承殼體之間的摩擦產(chǎn)生的熱和磨損遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于迄今為止所使用的軸承類型,這是由于較小的傾斜運(yùn)動(dòng)相關(guān)的軸承軸頸主要在軸承殼體中滾動(dòng),良好的散熱性使這樣設(shè)計(jì)的鉸鏈連接部無(wú)需潤(rùn)滑操作也無(wú)需將在輥磨機(jī)中碾磨的材料進(jìn)行密封保護(hù)。

圖2 立式輥磨機(jī)及其軸承軸頸及軸承殼的結(jié)構(gòu)

如圖2所示,鉸鏈連接部包括軸承殼體和擱置在其中的軸承軸頸,為了保證響應(yīng)于碾磨臺(tái)上材料層中一般改變的高頻率小的傾斜運(yùn)動(dòng)通過(guò)與滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的軸承以最優(yōu)的方式被吸收而不導(dǎo)致表面壓力達(dá)到超高水平,軸承殼體具有的直徑超過(guò)軸承軸頸的直徑5％,考慮到軸承軸頸主要在與小的傾斜運(yùn)動(dòng)相關(guān)的情況下在軸承殼體中滾動(dòng),鉸鏈連接部的軸承軸頸和軸承殼體之間的磨損率會(huì)很小。當(dāng)軸承軸頸沿順時(shí)針?lè)较驖L動(dòng)時(shí)其中心C0移動(dòng)到C1,此時(shí)軸承殼體和軸承軸頸之間的接觸點(diǎn)將從點(diǎn)A移動(dòng)到點(diǎn)B,其中所述點(diǎn)C1代表當(dāng)輥體在碾磨臺(tái)上的材料層的上升點(diǎn)上滾動(dòng)時(shí)的情況。在A和C0點(diǎn)給出的中立位置處,反作用力F是點(diǎn)A處切面的法向矢量。當(dāng)軸承軸頸運(yùn)動(dòng)到C1,反作用力F將由兩部分組成,即：法向矢量 FN和摩擦力 Ft。摩擦力的最大值是 Ft=FN×μs,其中μs是靜摩擦系數(shù),對(duì)于軸承軸頸和軸承殼體的鋼質(zhì)材料來(lái)說(shuō),該靜摩擦系數(shù)值大約為0.3。如果 Ft值超出,軸承軸頸將向點(diǎn)A滑回,采取與碾磨臺(tái)上的上升材料層一致的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的新中立位置。

為了解決立式輥磨機(jī)現(xiàn)有加壓裝置所存在的問(wèn)題,新技術(shù)所采用的加壓裝置根據(jù)杠桿原理對(duì)磨輥加壓,壓力臂下部聯(lián)接油缸,油缸和蓄能器聯(lián)接,通過(guò)控制油缸設(shè)定值向磨輥提供足夠、穩(wěn)定、可調(diào)的壓力。其加壓裝置根據(jù)杠桿原理,由一個(gè)呈L型壓力臂的上部通過(guò)脹套聯(lián)接器聯(lián)接帶有一定錐度的工作面的磨輥,該磨輥的錐度工作面與磨盤(pán)的研磨滾道平行；L型壓力臂的中上部固定在機(jī)架的軸承座上,并可繞軸承座有一定方向的偏轉(zhuǎn)；L型壓力臂的下部聯(lián)接油缸和空氣蓄能器組合部件并被固定在機(jī)架上,來(lái)自負(fù)載變化引起油缸的油壓變化被空氣蓄能器緩沖平衡,從而保持油缸油壓恒定,并可按照設(shè)定值通過(guò)L型壓力臂向磨輥提供足夠大的、穩(wěn)定的壓力。其優(yōu)越性在于：

1)由于設(shè)計(jì)了油缸和蓄能器組合部件作為加壓動(dòng)力源,磨輥壓力可根據(jù)物料研磨需要通過(guò)液壓和電氣系統(tǒng)予以調(diào)整,充分適應(yīng)各種工況。更重要的一點(diǎn)就是工作中來(lái)自物料厚度、硬度的隨機(jī)變化不會(huì)引起磨輥大的壓力波動(dòng),而這一點(diǎn)對(duì)降低磨機(jī)震動(dòng)從而延長(zhǎng)磨機(jī)無(wú)故障使用時(shí)間至關(guān)重要。

2)先進(jìn)的、特殊的挾持套加磨輥與支撐軸的結(jié)構(gòu),使得一旦磨輥發(fā)生磨損等情況需要維護(hù)時(shí),可以方便地將磨輥從磨機(jī)內(nèi)部翻轉(zhuǎn)到外部,極大地便利了各種維護(hù)工作。

3)新設(shè)計(jì)的螺紋聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單卻實(shí)用,它可以傳遞重載荷而緊固零件受力小。

4)方便的、可拆卸的脹套聯(lián)接器和位于支撐軸上的脹套配合器,可以實(shí)現(xiàn)夾持套與L型壓力臂之間快速聯(lián)結(jié)和脫開(kāi)。

5)提供了一種效率高、壓力穩(wěn)定、使用可靠、維護(hù)方便的磨輥加壓裝置,見(jiàn)圖3。

圖3 立式輥磨機(jī)的加壓裝置

為了解決因油封的磨損,粉塵或礦漿進(jìn)入軸承,造成軸承壽命短的問(wèn)題,許多新技術(shù)應(yīng)用在輥磨機(jī)以克服此類缺陷。比如,在主軸上設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)接頭,旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)設(shè)有流體可以通過(guò)的單通道或多通道孔,主軸內(nèi)設(shè)計(jì)軸向、橫向的油氣通道孔,旋轉(zhuǎn)接頭的通道與主軸內(nèi)的相應(yīng)通道貫通,主軸通道也通過(guò)連接管與磨輥軸承連通,便于潤(rùn)滑劑進(jìn)入磨輥軸承,潔凈氣體通過(guò)通道進(jìn)入密封裝置起隔離作用,使粉塵或礦漿難以從該裝置進(jìn)入磨輥軸承,對(duì)軸承起保護(hù)作用。將潤(rùn)滑劑和潔凈氣體輸入機(jī)內(nèi),使磨機(jī)制軸承壽命提高,磨機(jī)故障少,運(yùn)轉(zhuǎn)率高。新技術(shù)在一定程度上適用于金屬礦、非金屬礦、能源、冶金、化工、新型材料等行業(yè)多種物料的干、濕法粉磨。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著節(jié)能降耗,提高生產(chǎn)效率以及高壓、超細(xì)等新技術(shù)的不斷發(fā)展,輥磨機(jī)越來(lái)越適用于金屬礦、非金屬礦、能源、冶金、化工、新型材料的破碎、粉磨。其低能耗、高產(chǎn)出已經(jīng)被廣泛認(rèn)同,技術(shù)創(chuàng)新使輥磨機(jī)高端技術(shù)向高產(chǎn)能、工藝制造簡(jiǎn)單、降低能耗、有效提高碾磨部件有效壽命的方向不斷邁進(jìn)。

[1]譚柱中,梅光貴,李維健,等.錳冶金學(xué)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社,2004.

[2]丁楷如,余遜賢,等.錳礦開(kāi)發(fā)與加工技術(shù)[M].長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1992.