王秋珍

(湖北第二師范學院 物理與機電工程學院， 武漢 430205)

1 多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機創(chuàng)新設(shè)計的背景分析

1.1 磨粉機械在國民經(jīng)濟建設(shè)中的作用

2020年，我國生產(chǎn)水泥23.77億噸[1]，也就是通過粉磨的生料和熟料量超過55億噸,其粉磨粒度小于0.074mm(或比表面積大于3200mm2/g)。2019年，我國的建材砂石骨料產(chǎn)量188.1億噸，市場規(guī)模達17672億元[2]，其中把粒徑為0.074～2mm的礦物或巖石顆粒稱為砂，粒徑大于2mm的稱為礫或角礫,這些砂石或骨料都必須經(jīng)過破碎或粉磨才能達到使用要求。2019年，中國進口鐵礦石10.7億噸，國內(nèi)生產(chǎn)鐵礦石2.23億噸[3]，這些鐵礦石也需要經(jīng)過粉磨、精選、團球后，再冶煉鋼鐵。還有如磷礦粉、碳酸鈣粉、鉀長石粉等等，都需要粉磨加工環(huán)節(jié)。所以磨粉工程在國民經(jīng)濟建設(shè)中有著舉足輕重的作用。

1.2 多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機創(chuàng)新設(shè)計的必要性

沖擊磨因其節(jié)能高效，在我國礦山、冶金、化工、建材等行業(yè)的部分制粉及制砂企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但在實際使用過程中，由于采用單一內(nèi)轉(zhuǎn)子向外拋撒沖擊，外轉(zhuǎn)子向內(nèi)反擊,故內(nèi)轉(zhuǎn)子的直徑大小、旋轉(zhuǎn)速度、被拋撒物料的沖擊線速度大小、外轉(zhuǎn)子的直徑大小、反向旋轉(zhuǎn)速度，以及破碎腔的容積大小等決定其設(shè)備的臺時產(chǎn)量。因軸承額定轉(zhuǎn)速及動平衡等因素的限制，內(nèi)轉(zhuǎn)子不可能無限放大，外轉(zhuǎn)子因貼壁效應(yīng)對轉(zhuǎn)速的影響，也需對轉(zhuǎn)速控制在一定范圍內(nèi)，故限制了設(shè)備生產(chǎn)能力的擴大，不能適應(yīng)現(xiàn)實發(fā)展中的粉磨企業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的要求。如當前以內(nèi)外轉(zhuǎn)子作為沖擊件的沖擊粉磨微粉設(shè)備最高臺時產(chǎn)量在60噸左右，而現(xiàn)在很多水泥企業(yè)的日產(chǎn)量都要求在2000～10000噸，即粉磨設(shè)備的臺時產(chǎn)量要在100噸以上，才能滿足這些企業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的要求。目前大部分規(guī)模化生產(chǎn)企業(yè)粉磨生產(chǎn)所使用的球磨機，電能利用率不到3%，且生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境污染嚴重，都亟待升級改造。所以多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機的研究開發(fā)有著一定的現(xiàn)實意義和市場需求。

2 多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機的創(chuàng)新設(shè)計方案

多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機，由機架、進料、動力驅(qū)動、多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉、成品抽取、潤滑、運行監(jiān)控等部分組成。其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 1-機架、2-殼體、3-電機、9-支撐蓋板、10-主動三角帶輪、11-從動三角帶輪、12-三角帶、13-主動齒輪、14-從動齒輪、15-進科口、16-出科口

圖2 2-殼體、6-反擊轉(zhuǎn)子、7-錐形篩、9-支撐蓋板、11-從動三角帶輪、13-主動齡輪、14-從動齒輪、15-進科口、16-出科口

多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機設(shè)計的第一個創(chuàng)新點是多轉(zhuǎn)子沖擊組件的構(gòu)成單元是標準單轉(zhuǎn)子，標準單轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子軸與沖擊塊組合而成，沖擊塊分2～3層，按產(chǎn)品出料粒度的要求每層相應(yīng)布置3～8個沖擊面，如圖3所示。

圖3 8-標準單轉(zhuǎn)子、23-轉(zhuǎn)子軸、24-拋撒沖擊塊、25-轉(zhuǎn)子軸軸承

式中：σξ表示顆粒間聯(lián)接強度，γ表示材料的表面能，d表示顆粒的直徑。二次大粒子的破碎由粉碎腔內(nèi)部的動壓差決定。其條件可寫成：

式中：ω表示轉(zhuǎn)子角速度，r表示顆粒位置處的回轉(zhuǎn)半徑。

上式說明了粉碎的極限粒徑與轉(zhuǎn)子線速度與轉(zhuǎn)子半徑和與轉(zhuǎn)子角速度的關(guān)系。在轉(zhuǎn)子線速度一定的條件下，粉碎的極限粒徑與轉(zhuǎn)子的關(guān)系如圖4所示，與轉(zhuǎn)子角速度關(guān)系圖5所示。

圖4 粉碎的極限粒徑與轉(zhuǎn)子的關(guān)系

圖5 粉碎的極限粒徑與轉(zhuǎn)子角速度關(guān)系

由此可見，在V一定和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)允許的條件下， 采用高的旋轉(zhuǎn)角速度、 小旋半徑，有利于細化粒度。[4]

標準轉(zhuǎn)子的設(shè)計，正是考慮到將轉(zhuǎn)子的半徑控制在一定的范圍內(nèi)，獲取較高的旋轉(zhuǎn)角速度，達到生產(chǎn)理想產(chǎn)品粒度的目的。

標準轉(zhuǎn)子的設(shè)計，也是適應(yīng)現(xiàn)代化批量生產(chǎn)的要求，使得設(shè)備生產(chǎn)廠家便于組織生產(chǎn)，降低半成品庫存，降低管理成本；也可以使設(shè)備使用單位降低備品備件庫存，方便維修管理。

多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機設(shè)計的第二個創(chuàng)新點是：多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉部分，由多轉(zhuǎn)子沖擊組件和反沖擊組件構(gòu)成。

圖6 2-殼體、4-外轉(zhuǎn)子組件、5-內(nèi)轉(zhuǎn)子組件、18-中心軸、26-出科腔、27-粉碎腔

圖7 3-電機、8-標準單轉(zhuǎn)子、10-主動三角帶輪、11-從動三角帶輪、12-三角帶、13-主動齒輪、14-從動齒輪、17-下部支撐板

標準單轉(zhuǎn)子的數(shù)量是按用戶要求的設(shè)備臺時產(chǎn)量來安排，可選擇2～8個標準單轉(zhuǎn)子均布，轉(zhuǎn)子軸與中心軸豎直平行并以中心軸為圓心環(huán)繞，行星式布置。每一轉(zhuǎn)子軸的上端，有用鍵固定從動齒輪。

反沖擊組件由反擊支架、錐形篩和反擊轉(zhuǎn)子構(gòu)成，反擊支架用鍵聯(lián)接在反轉(zhuǎn)減速機下端輸出軸上，反轉(zhuǎn)減速機底端是通過一推力滾子軸承安裝在中心支座上，反轉(zhuǎn)減速機的上端與設(shè)備的下支撐板固定，其輸入軸端與中心軸聯(lián)接，反擊支架是一用耐磨合金鋼加工成型的中心有軸孔的十字支架，頂端聯(lián)接一倒置的用耐磨合金板沖孔卷制成型的錐形篩的小開口端，錐形篩的大開口端，聯(lián)接著用耐磨合金板卷制的圓筒形反擊轉(zhuǎn)子的下端，反擊轉(zhuǎn)子的上端無聯(lián)接或約束。多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉部分如圖6、圖7所示。

從理論上來看，對于接觸面上沒有摩擦的剛性球體的碰撞,其沖擊過程可以比較近似地用能量守恒定律和動量守恒定律來研究。根據(jù)赫爾茲(Hertz)——虎伯爾(Huber)公式,兩個碰撞物體間的彈性能分配為:

式中的V為沖擊速度,U彈為碰撞時的彈性能，E為彈性模量。

多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機設(shè)計的第三個創(chuàng)新點是：驅(qū)動多轉(zhuǎn)子沖擊組件的動作，是由電機的三角帶輪通過三角帶傳遞給中心軸，中心軸上用鍵固定的主動齒輪，通過與圍繞均布在周邊且固定在標準轉(zhuǎn)子軸上的從動齒輪嚙合，帶動標準轉(zhuǎn)子及沖擊塊高速旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動反沖擊件的動作，是在中心軸的底端，聯(lián)接有反轉(zhuǎn)減速機。中心軸旋轉(zhuǎn)時帶動反轉(zhuǎn)減速機作反向轉(zhuǎn)動，帶動反擊支架、錐形篩和反擊轉(zhuǎn)子朝與標準轉(zhuǎn)子相反的方向旋轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 4-電機、4-外轉(zhuǎn)子組件、6-反擊轉(zhuǎn)子、7-錐形篩、10-主動輪、11-從動輪、12-三角帶、13-主動齒輪、17-下部支撐板、18-中心軸、19-反轉(zhuǎn)減速機、20-廽轉(zhuǎn)篩支撐圈、21-中心支撐、22-標準轉(zhuǎn)子軸孔位

多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機的進料部分主要是設(shè)置在破碎腔上部對稱布置的進料管。進料管的上方聯(lián)接穩(wěn)料倉，下方向內(nèi)斜置，對準標準轉(zhuǎn)子上的沖擊塊。多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機的成品抽取部分是布置在頂部兩側(cè)的抽取管，在頂端合并后與抽風機聯(lián)接。

3 多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機的工作過程設(shè)計

多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機在工作時，物料通過進料口向多轉(zhuǎn)子沖擊組件中的標準轉(zhuǎn)子對稱進料，標準轉(zhuǎn)子上沖擊塊的沖擊面按相同旋向相同速度將物料拋撒向反擊轉(zhuǎn)子，同時也在多轉(zhuǎn)子之間相互拋撒沖擊。反擊轉(zhuǎn)子及錐形篩以與標準轉(zhuǎn)子旋向相反的方向旋轉(zhuǎn)，將標準轉(zhuǎn)子拋撒出來物料快速反擊。物料在標準轉(zhuǎn)子之間，在標準轉(zhuǎn)子與反擊轉(zhuǎn)子之間，在沖擊與反沖擊的路程之間，發(fā)生多次反復的碰撞，其晶粒產(chǎn)生界面滑移、撕裂，內(nèi)部裂紋向四周擴散，破碎成微粉。合格成品通過抽風機抽取輸送入庫，其粒度粗細由抽風機的風速及壓力大小控制。部分未被抽取的粗粉和倒置錐形篩內(nèi)的粗粉，經(jīng)下料口進入閉路循環(huán)系統(tǒng)。由于抽風機的原因，工作時機器內(nèi)部形成負壓工作狀態(tài)。

多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機在工作過程中，其軸承潤滑是由稀油站通過油管向各標準轉(zhuǎn)子軸承、中心主軸軸承、主被動齒輪及減速機供油潤滑。多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機在制作過程中，將中心主軸和各標準轉(zhuǎn)子軸適度中空，安裝軸溫測控傳感器和軸中心擺動位移傳感器，在進出料口安裝物料流量計，監(jiān)測進出料狀況，在抽風口安裝有風速風量測控器，方便遠程監(jiān)控。

4 結(jié)論

多轉(zhuǎn)子復合沖擊磨粉機的創(chuàng)新設(shè)計，具有十分有益的效果：機器的生產(chǎn)可以標準化系列化，節(jié)約生產(chǎn)成本和管理成本；通過調(diào)整標準轉(zhuǎn)子配置數(shù)量改變臺時產(chǎn)量適應(yīng)用戶要求；能夠滿足大多數(shù)粉磨企業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)需求。