大流量棒銷式研磨機的優化設計

王佳慶 雷立猛 肖忠

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

關鍵詞：優化設計;研磨分離;研磨轉子;棒銷

1 前言

研磨是超細粉體的一種主要的加工方法，研磨機是實現研磨加工的裝置。從最初的礦物加工和陶瓷行業的應用，到最近新材料的研制，研磨機已廣泛地應用于各行各業，成為了一種普遍使用的加工設備和技術手段。研磨機由輸送系統、研磨系統、分離系統、控制系統等組成[1]，其中研磨系統、分離系統、控制系統設計較為復雜。研磨機復雜的結構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、分離系統的結構及連接設計上，需要考慮更加簡易、通用、高效等因素作為設計依據。研磨筒的轉速是衡量研磨系統效率的一個主要參數，轉速快會帶來研磨系統的溫度上升，在提高轉子速度的情況下不影響系統的溫升，就需要對系統的冷卻系統進行改進。為了提升制造業的智能化水平，研磨設備需要實現網絡化、智能化控制和管理?？傊?，傳統大流量棒銷式研磨設備的主要結構、冷卻系統和控制系統需要進行優化設計。

2 系統優化設計

2.1 系統結構優化設計

大流量棒銷式研磨機是一個復雜的機電系統，包括進料、制漿、研磨、調配儲罐、過濾出料、噴霧干燥、罐裝等生產工藝子系統，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，研磨筒固定在研磨機兩側的機架上。傳統的棒銷有兩種設計方式：一種是在研磨筒內設有轉軸，在轉軸上直接安裝棒銷;另一種是在轉軸上安裝轉子，然后在轉子上再安裝棒銷。分離裝置一般安裝在轉軸的端部或者安裝在轉子的一側，這種結構決定了研磨機的研磨筒長度比較長，轉軸的長度需要更長，從而限制了研磨機旋轉速度的提高，導致研磨介質和物料在研磨筒內的線速度較慢，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。

優化設計針對安裝了轉子的研磨機。由于分離器增加了研磨筒長度，設計了較大直徑的轉子，轉子與分離器相連的一側設有軸向的凹槽，分離器的一側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子的凹槽內。這樣分離器在空間上與轉子和一側端蓋重疊，轉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，轉軸可設計得短而粗，提高轉軸的旋轉速度，增加了物料和研磨介質在研磨筒內的線速度，對物料形成了較大的剪切力。

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

對轉子組合式結構進行了優化提升，轉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，采用航空鋁制作轉子本體，進一步減輕轉子的質量，減小了整機的負載，節約能耗。

經過多年的研磨經驗，優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，優化后的研磨機的生產效率為普通砂磨機的3 ～ 5倍。

2.2 冷卻系統優化設計

由于研磨機是利用棒銷的高速回轉帶動物料和研磨介質轉動而產生很強的離心力，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。傳統的降溫方法是在研磨筒內設置冷卻水套，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，使研磨筒的中心部位得到有效冷卻，進一步提升轉軸的旋轉速度。

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

研磨筒內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節閥。當研磨筒的溫度高于設置閾值時，通過流量調節閥加快冷卻液的循環速度，自動調節研磨溫度。如果溫度過高，還可以通過智能控制系統調節轉子的速度，直至系統停機。

兩個獨立的冷卻循環系統不僅實現了研磨筒降溫，也可冷卻轉軸和轉子，使得整個機器的機械溫度降低，進一步提高研磨效率，保證產品品質穩定。

2.3 控制系統優化設計

傳統的研磨機只控制電機轉速和出料溫度，對研磨機中心部位的溫度和出料的粒徑沒有控制，更沒有對生產現場的數據進行遠程監視。為了滿足智能化工廠的要求，將進料系統、制漿系統、納米研磨、調配儲罐、過濾出料、噴霧干燥和罐裝7大系統聯合起來，通過各種傳感器采集需要控制和監視的信息，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動采用變頻器調速控制，對研磨筒內部溫度和主軸轉速等關鍵參數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，需要遠程監視的數據可以提過網絡傳送到遠程監控畫面。如圖1為控制系統結構簡圖。

3 結論

（1）設計一種新的研磨筒轉子、轉軸、棒銷和分離器的連接結構，從而縮短研磨筒長度。

（2）采用雙水冷卻系統：在轉軸和轉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個獨立冷卻循環系統，不僅可以對研磨筒降溫，也可以冷卻轉軸和轉子，使得整個機器的溫度降低。

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

（4）經過優化設計后，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.臥式砂磨機的結構優化設計[J].機電工程技術，2018（2）：5-7.