淺談化工機械中臥式砂磨機結構優化研究

王曉波

摘要：在化工機械中，臥式砂磨機發揮著重要的物料研磨分散作用。本文通過闡述臥式砂磨機的組成結構，分析其的工作原理，發現臥式砂磨機的結構存在不合理的地方，導致其工作效率不高、研磨質量不佳等問題。然后分析臥式砂磨機的主軸部件、冷卻系統、研磨裝置和機座四個重要組成部分，從這四個方面對臥式砂磨機進行結構優化。改進后的臥式砂磨機能增強物料的流動性，增加了研磨效率和提高了研磨效果，冷卻效果也進一步加強。這四部分的結構優化使臥式砂磨機能發揮更好的效用。

關鍵詞：臥式砂磨機;主軸部件;冷卻系統;研磨裝置;機座;結構優化

中國分類號：TQ050.2文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）06-0103-05

目前，我國化工行業飛速發展，化工機械作為化工的重要組成部分，而且化工行業對精細材料需求越來越嚴格，砂磨機作為精細材料制備的重要機械在化工中發揮著重要作用。砂磨帆最初的研發是從球磨機所得到的啟發，是屬于濕法超細研磨設備，其特點在于對物料的加工效率高，而且物料的實用性廣，砂磨機不僅應用于化工行業，還在其他領域中廣泛使用，比如陶瓷和新材料領域、冶金和非金屬礦物材料等領域。一般情況下，砂磨機分為臥式砂磨機和立式砂磨機，臥式砂磨機主要由機座、主軸部件、研磨裝置、冷卻裝置、控制系統、輔助裝置等組成。在化工行業中，臥式砂磨機應用較為廣泛，本文將以臥式砂磨機作為研究對象，對其四個重要組成結構進行優化研究，四個結構分別為研磨裝置、冷卻裝置、主軸部分和機座，目的在于增加臥式砂磨機的使用效果，加強化工行業的研磨效果和研磨質量。

1 臥式砂磨機的結構介紹和工作原理

1.1臥式砂磨機的結構介紹

圖1為臥式砂磨機的結構簡圖。臥式砂磨機主要由六個部分構成，分別為研磨裝置、主軸部件、冷卻裝置、機座、輔助裝置和控制系統。下面一一對其進行介紹：

1.1.1研磨裝置

臥式砂磨機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。臥式砂磨機開始工作時，通過主軸轉動然后帶動研磨盤工作，在研磨盤中開始攪拌物料和研磨介質，最終將物料進行研磨加工。

1.1.2主軸部件

臥式砂磨機的動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產生的動力傳遞給帶輪，然后帶輪帶動主軸運動，最后將動力傳給了研磨裝置。

1.1.3冷卻裝置

臥式砂磨機在工作時會產生大量的熱，冷卻裝置的作用就是散發臥式砂磨機的熱量，使其在工作時能夠保持恒溫，冷卻裝置的主要組成零部件包含連接水管、水槽、水泵和冷水機等。其原理就是水泵作為動力系統，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冷卻，通過冷卻機可以達到將水重復利用的作用。

1.1.4輔助裝置

臥式砂磨機的輔助裝置包含隔膜泵、進出料系統、氣泵等。

1.1.5機座

臥式砂磨機的機座雖然對研磨效果起不到實質性的作用，但是能夠對電動機和臥式砂磨機組成的各個零部件起到很好的固定和保護作用，方便對臥式砂磨機進行操作。其主要組成部分包含外殼、角鋼和鋼板，對其力學性能要求較高。

1.1.6控制系統

控制系統相當于一個總司令，操控著臥式砂磨機，所以控制系統在臥式砂磨機中的作用很大，一個很小的控制環節都會造成研磨的質量受損，嚴重的還會導致機器壞掉。控制系統主要的組成零部件包含著電機、控制面板、壓力表、信號放大器、變頻器、報警系統、流量表和PLC等。控制系統的作用是控制主軸的轉速，轉速是由臥式砂磨機內的壓力、流量、溫度和速度等信息控制，而且當壓力、速度、溫度等信息指標超過安全值會通過報警系統自動報警，如果相關信息超過臨界值則會自動停止臥式砂磨機工作。

1.2臥式砂磨機的工作原理

臥式砂磨機的工作流程比較簡單，總的來講就是將被研磨的物質放于研磨筒內進行研磨。但是看似簡單的工作流程其工作原理比較復雜，是經過了很多的裝置、零部件、控制系統等合作完成才能研磨出質量好的產品。

臥式砂磨機的基本工作原理：首先需要將研磨介質和被研磨的物料漿液按照一定的比例配合裝載研磨筒內，然后通過電動機提供動力帶動主軸運動，主軸通過快速運動攪拌物料，被研磨的物料和研磨介質在研磨盤的作用下進行研磨工作，最終達到研磨粉碎的程度。臥式砂磨機工作時會產生非常強大的剪切力和沖擊力，因為一方面是結合了速度攪拌器的線速度，另一方面是加入的研磨介質的重量會增加這種力量。臥式砂磨機這種強大的力量會讓物料達到一個很好的粉碎效果。一系列高速轉動的水平側臂被中心軸帶動，并且橫向切入不同位置的介質層，在這樣高的旋轉力和低的下墜引力的共同影響下，造成了介質在研磨筒內不規律的運動，從而產生強大的剪切力和沖擊力，使砂磨機的超細研磨率提高，并使粒度分布曲線狹窄而均勻。

2 臥式砂磨機的結構優化分析

2.1研磨裝置的結構優化

2.1.1研磨裝置出現的問題

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

①研磨腔中的物料流動不合理，抵消了砂磨機的運動力量，從而損害研磨的效果。②臥式砂磨機在工作時使研磨介質受到破損，即研磨介質非正常破損數量比較多。③限制了主軸的長度，所以主軸在工作時處于一種懸空狀態，這樣還會使研磨片的數量受到限制。④臥式砂磨機有較強的噪音和震動，原因是主軸在帶動研磨片高速運轉時，研磨片的偏擺幅度過大造成的。

為了解決研磨裝置的問題，使臥式砂磨機達到高效率生產，并且還能節約能源，需要對研磨裝置進行一定的優化改進，使其能滿足當今化工行業的快速發展。接下來將對研磨裝置進行優化

2.1.2研磨裝置優化分析

目前，我國的臥式砂磨機中的研磨裝置主要使用的是傳統的圓盤式研磨盤，圖2就是傳統的研磨盤示意圖。傳統的研磨盤會導致研磨的效率低、分散性差、浪費能源、研磨片數量受到限制等問題，基于此類問題，文章對研磨盤進行優化處理，如圖3即為改進后的研磨盤。

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

優化后的研磨裝置能夠解決因為主軸的長度限制導致限制了研磨盤的數量，這種結構優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量，數量增加后就可以增加研磨的速度。將研磨盤的材質改為氮化硅，因為氮化硅的耐磨性能很好，而且還具有良好的導熱性能，它的作用可以保護研磨物料免受污染。然而氮化硅最大的缺點在于硬度太大了，而且韌性不好了，在傳統的砂磨機中使用會造成其破裂，就會縮短使用壽命，如是將研磨盤改為圓弧形，就可以減少應力晉集中現象。這樣改良后的研磨裝置不僅提高了研磨的質量效果，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，使其在化工生產中發揮更好的作用。

2.2主軸部件的結構優化

主軸部件的結構優化主要從主軸箱體和軸封裝置上進行改進，目的在于提高臥式砂磨機的高效率、高強度和高回轉精度等。主軸箱體的作用是支撐其內部零部件，要求主軸箱體的剛度、抗震性能和強度等要能做夠強大，因為主軸箱體的好壞將會直接影響零部件的安裝精度和受力情況。主軸箱體要依據其力學性能和工作環境等選擇合適的材料，還要考慮主軸箱體的制造工藝，這兩個方面都將會影響主軸箱體的好壞。制作主軸箱體時本文選擇采用鑄造工藝，因為鑄造工藝的優點在于高剛度、高強度、吸塵性能好等。

因為軸封裝置在臥式砂磨機工作時會受到研磨物料和研磨介質的擠壓，這就需要軸封裝置有能夠抵抗這種壓力的材質和結構，然而科學合理的軸封裝置設計難度較大。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，需要在外面設置一個增壓的裝備，提高阻封液的液壓。對阻封液的選擇也要科學、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造成污染。而且需要設置一個輔助系統使阻封液能夠循環流動，從而達到多次利用的目的。

2.3冷卻裝置的結構優化

在化工生產中，臥式砂磨機由于研磨物料的攪動和碰撞會產生非常多的熱量，如果機械的溫度不能降下去，將會對設備產生很嚴重的影響，還會對研磨的質量造成問題，所以必須使用冷卻裝置降低臥式砂磨機的溫度，將溫度控制在機械可以承受的范圍內。為了使冷卻裝置的冷卻效果達到最優，本文將從研磨筒、主軸和研磨筒體三個結構進行優化分析，提高冷卻效果。

傳統的主軸是實心的，不利于散熱，本文將實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度，主軸直徑設置為28mm，然后將一根水管放人到空心主軸中，連通冷卻循環水，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零部件的熱量，使臥式砂磨機的溫度不至于過高而影響系統性能。

研磨簡體的優化是在其兩個端口蓋子上分別設置一個O型凹槽，目的在于對冷卻兩個端蓋，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，使冷卻系統的冷卻效果更加優良。圖5即為研磨腔端蓋冷卻水凹槽。

將缸體內部設計成為螺紋槽，螺紋槽的數量越多，其導熱面積也就越大，就越容易散熱，再加上將缸套的材料設計成為氮化硅，該材料具有很好的熱傳導作用，而且，螺紋槽的設計能夠確保水時單向流動的，防止水資源浪費，從而可以節約臥式砂磨機的工作成本。螺紋槽的作用和氮化硅材質的性能可以極大的提高研磨設備的冷卻效率。圖6即為缸體內部的螺紋槽結構。

2.4機座部件的結構優化

機架雖然不會造成研磨質量受損，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，將砂磨機的各個零部件進行連接和固定。如果機架結構不合理，將會影響臥式砂磨機的綜合性能。機架結構不僅要求其具有高強度和高剛度，還要能節約材料、起到降低成本的作用。

一般情況下，臥式砂磨機工作時震動會很大，而且工作環境比較惡劣，就會雖短機械的使用周期，就需要對機座有一個嚴格的要求。傳統的軸承座是通過螺釘安裝在機架上的，這樣的安裝方式的最大缺點是剛性差，而且，安裝電機軸與主軸過程中需要保證平行，這樣人工操作會比較困難。傳統的形式是電機放在機架的內部，當通過螺栓螺母來調整皮帶的松緊程度也是比較麻煩的。所以本文將機架進行結構優化，目的在于滿足機架的力學性能還能，還能方便操作和節約材料。

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

3 結論

在化工行業中，對物料的生產和加工都是非常嚴苛的，這就要求化工機械能有足夠的加工性能。通過本文對化工機械中臥式砂磨機的研磨裝置、主軸部件、冷卻裝置和機架的進行結構優化，與傳統的臥式砂磨機相比，能夠提高其使用性能，增加砂磨機的研磨效果，還提高了加工效率、簡化了人工操作。其中，對研磨裝置中結構優化，提高了研磨效率和研磨質量，節約了能源消耗，延長了使用周期;對主軸部件的結構優化，提高了其力學性能，增加了散熱功能;對冷卻裝置的結構優化，增強了冷卻效果，還節約了水資源;對機架的結構優化，增加了結構的剛度和強度，降低工人操作難度。