王佳慶 雷立猛 肖忠

摘 要：本論文旨在優(yōu)化一種大流量棒銷式研磨機的設計。對傳統(tǒng)研磨機的分離器、轉(zhuǎn)子、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等做出了改進，提高了研磨機主軸的旋轉(zhuǎn)速度、降低了研磨中心部位溫度，研磨機的生產(chǎn)效率得到了提升。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化設計;研磨分離;研磨轉(zhuǎn)子;棒銷

1 前言

研磨是超細粉體的一種主要的加工方法，研磨機是實現(xiàn)研磨加工的裝置。從最初的礦物加工和陶瓷行業(yè)的應用，到最近新材料的研制，研磨機已廣泛地應用于各行各業(yè)，成為了一種普遍使用的加工設備和技術(shù)手段。研磨機由輸送系統(tǒng)、研磨系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成[1]，其中研磨系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、控制系統(tǒng)設計較為復雜。研磨機復雜的結(jié)構(gòu)容易帶來安裝及維護成本較高、易磨損等問題，因此，在研磨系統(tǒng)、分離系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及連接設計上，需要考慮更加簡易、通用、高效等因素作為設計依據(jù)。研磨筒的轉(zhuǎn)速是衡量研磨系統(tǒng)效率的一個主要參數(shù)，轉(zhuǎn)速快會帶來研磨系統(tǒng)的溫度上升，在提高轉(zhuǎn)子速度的情況下不影響系統(tǒng)的溫升，就需要對系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)進行改進。為了提升制造業(yè)的智能化水平，研磨設備需要實現(xiàn)網(wǎng)絡化、智能化控制和管理?？傊?，傳統(tǒng)大流量棒銷式研磨設備的主要結(jié)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)需要進行優(yōu)化設計。

2 系統(tǒng)優(yōu)化設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

大流量棒銷式研磨機是一個復雜的機電系統(tǒng)，包括進料、制漿、研磨、調(diào)配儲罐、過濾出料、噴霧干燥、罐裝等生產(chǎn)工藝子系統(tǒng)，并能夠獨立完成配料、真空自動吸料、分散、乳化、粗研磨、精研磨、冷卻、過濾、噴霧干燥、自動灌裝等生產(chǎn)過程[1]。

棒銷式研磨機的棒銷安裝在左、右端密封的研磨筒內(nèi)，研磨筒固定在研磨機兩側(cè)的機架上。傳統(tǒng)的棒銷有兩種設計方式：一種是在研磨筒內(nèi)設有轉(zhuǎn)軸，在轉(zhuǎn)軸上直接安裝棒銷;另一種是在轉(zhuǎn)軸上安裝轉(zhuǎn)子，然后在轉(zhuǎn)子上再安裝棒銷。分離裝置一般安裝在轉(zhuǎn)軸的端部或者安裝在轉(zhuǎn)子的一側(cè)，這種結(jié)構(gòu)決定了研磨機的研磨筒長度比較長，轉(zhuǎn)軸的長度需要更長，從而限制了研磨機旋轉(zhuǎn)速度的提高，導致研磨介質(zhì)和物料在研磨筒內(nèi)的線速度較慢，形成的剪切力較小，研磨不夠充分，達不到預定的研磨精度[2]。研磨筒長度長，物料通過率也較低，影響了研磨機的研磨效率。

優(yōu)化設計針對安裝了轉(zhuǎn)子的研磨機。由于分離器增加了研磨筒長度，設計了較大直徑的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與分離器相連的一側(cè)設有軸向的凹槽，分離器的一側(cè)安裝在研磨筒的一端蓋上并與出料管相連通，分離器的另一端穿過端蓋伸入到轉(zhuǎn)子的凹槽內(nèi)。這樣分離器在空間上與轉(zhuǎn)子和一側(cè)端蓋重疊，轉(zhuǎn)軸不需要增加長度安裝分離器，從而可有效縮短研磨筒的長度而增大直徑，轉(zhuǎn)軸可設計得短而粗，提高轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度，增加了物料和研磨介質(zhì)在研磨筒內(nèi)的線速度，對物料形成了較大的剪切力。

優(yōu)化設計的研磨轉(zhuǎn)子采用環(huán)片組合式結(jié)構(gòu)，環(huán)片不僅可以一片片安裝和拆卸，而且可以單片重復生產(chǎn)，使得安裝拆卸簡單、連接牢固可靠、清洗方便，加工簡單、節(jié)約成本。新型轉(zhuǎn)子也可以按不同的產(chǎn)品研磨難度增加或減少轉(zhuǎn)子的排列和組合方式，進一步擴大研磨機的應用領域。

對轉(zhuǎn)子組合式結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化提升，轉(zhuǎn)子本體與棒銷采用可拆卸式連接，棒銷由連接部和研磨部兩部分組成，且連接部與研磨部也進行可拆卸式連接。采用新型材料如用氮化硅制成棒銷研磨部，采用航空鋁制作轉(zhuǎn)子本體，進一步減輕轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，減小了整機的負載，節(jié)約能耗。

經(jīng)過多年的研磨經(jīng)驗，優(yōu)化設計的研磨機采用了全封閉式研磨桶、分離器的直徑為研磨桶的1/2左右、分離器的長度為研磨桶的1/3左右，可以形成超大的物料過流面積和高能密度的銷棒，優(yōu)化后的研磨機的生產(chǎn)效率為普通砂磨機的3 ～ 5倍。

2.2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計

由于研磨機是利用棒銷的高速回轉(zhuǎn)帶動物料和研磨介質(zhì)轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生很強的離心力，使物料均勻分散研磨，同時物料與研磨介質(zhì)之間又形成剪切力，因此，物料在分散研磨的同時，有很多的能量轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能使被研磨的物料及整個機器的溫度迅速升高。傳統(tǒng)的降溫方法是在研磨筒內(nèi)設置冷卻水套，但效果不夠理想，降溫不明顯，研磨機得不到有效冷卻。為了提高研磨效率，需要重新設計一種高效的冷卻系統(tǒng)，使研磨筒的中心部位得到有效冷卻，進一步提升轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度。

傳統(tǒng)的冷卻方法只能降低轉(zhuǎn)子中心部位的溫度。為了降低研磨機整體溫度，在不影響生產(chǎn)工藝的情況下，優(yōu)化設計采用了雙冷卻通道的形式。轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子之間設有相互連通的第一冷卻通道，冷卻液從轉(zhuǎn)軸處的第一冷卻通道流入，并從轉(zhuǎn)子處流出，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子的冷卻，也就是冷卻了研磨桶的中心部位。研磨筒與右端蓋之間內(nèi)設有相互連通的第二冷卻通道，冷卻液從研磨筒下側(cè)進入研磨筒內(nèi)的第二冷卻通道，經(jīng)右端蓋從研磨筒上側(cè)流出，實現(xiàn)對研磨筒的冷卻。

研磨筒內(nèi)裝有多個溫度傳感器，冷卻泵和第二冷卻通道之間還設置有流量調(diào)節(jié)閥。當研磨筒的溫度高于設置閾值時，通過流量調(diào)節(jié)閥加快冷卻液的循環(huán)速度，自動調(diào)節(jié)研磨溫度。如果溫度過高，還可以通過智能控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的速度，直至系統(tǒng)停機。

兩個獨立的冷卻循環(huán)系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了研磨筒降溫，也可冷卻轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子，使得整個機器的機械溫度降低，進一步提高研磨效率，保證產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定。

2.3 控制系統(tǒng)優(yōu)化設計

傳統(tǒng)的研磨機只控制電機轉(zhuǎn)速和出料溫度，對研磨機中心部位的溫度和出料的粒徑?jīng)]有控制，更沒有對生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)視。為了滿足智能化工廠的要求，將進料系統(tǒng)、制漿系統(tǒng)、納米研磨、調(diào)配儲罐、過濾出料、噴霧干燥和罐裝7大系統(tǒng)聯(lián)合起來，通過各種傳感器采集需要控制和監(jiān)視的信息，使用高端PLC作為總控制單元，研磨主軸電機及進出料泵的驅(qū)動采用變頻器調(diào)速控制，對研磨筒內(nèi)部溫度和主軸轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)進行了先進的智能控制，配料、真空自動吸料、分散、乳化、粗研磨、精研磨、冷卻、過濾、噴霧干燥、自動灌裝等過程自動控制，需要遠程監(jiān)視的數(shù)據(jù)可以提過網(wǎng)絡傳送到遠程監(jiān)控畫面。如圖1為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。

3 結(jié)論

（1）設計一種新的研磨筒轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、棒銷和分離器的連接結(jié)構(gòu)，從而縮短研磨筒長度。

（2）采用雙水冷卻系統(tǒng)：在轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子之間設有相互連通的冷卻通道;研磨筒與右端蓋之間同樣設有相互連通的冷卻通道。研磨機有2個獨立冷卻循環(huán)系統(tǒng)，不僅可以對研磨筒降溫，也可以冷卻轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子，使得整個機器的溫度降低。

（3）設計了實時監(jiān)控系統(tǒng)，能夠監(jiān)控研磨機內(nèi)環(huán)境狀況。當發(fā)生故障時會自動發(fā)出警報。研磨的物料不符合規(guī)格會自動重新回到研磨筒內(nèi)，重新進行研磨，直到符合要求為止。

（4）經(jīng)過優(yōu)化設計后，增大分離間隙和過流面積，物料的通過率更高，進、出料速度更快，提高研磨效率。

參考文獻

[1] 張國旺.超細粉碎設備及其應用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2] 雷立猛. 納米級大流量棒銷式砂磨機.中國專利，CN 201596544 U.2010-10-06

[3] 王子輝，吳玉香. 納米研磨設備分離裝置的研究與設計[J]. 礦山機械，2017，45（10）：34-36.

[4] 王佳慶，雷立猛.臥式砂磨機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].機電工程技術(shù)，2018（2）：5-7.