新技术在辊磨机上的应用

2011-12-31伍宏斌廖明锋

中国锰业 2011年1期

伍宏斌,廖明锋,贺伟

(湖南特种金属材料厂,湖南长沙 410013)

0 前言

最早采用连续粉碎动作的粉碎机械是公元前4世纪由公输班发明的畜力磨,另一种采用连续粉碎动作的粉碎机械是辊碾。蒸汽机和电动机等动力机械逐渐完善和推广之后相继创造出近代机械破碎设备,这些粉碎机械的出现,大大提高了粉碎作业的功效。但是,由于各种物料的粉碎特性互有差异,不同行业对产品的粒度要求也彼此不同,于是又先后创制出按不同工作原理进行粉碎作业的多种粉碎机械,如轮碾机、振动磨、涡轮粉碎机、气流粉碎机、风扇磨煤机、砂磨机、胶体磨等。1806年出现了用蒸汽机驱动的辊式破碎磨机,简称辊磨机；辊磨机的基本原理是通过将待磨物料置于磨辊和磨盘(或磨环)之间,利用自重力、弹簧力、液压力等机械力或由旋转产生的离心力等,将物料碾压粉碎。利用料床挤压粉碎原理的粉磨设备相比剪切、冲击力的粉磨设备具有粉磨效率高、电耗低、磨损小等特点。辊磨机种类繁多,有立式、卧式两大类。利用辊磨机进行粉碎作业的显著特征是：能量消耗大,耐磨材料和研磨介质的用量多,粉尘严重,噪声大[1]。

提高辊磨机的生产效率,延长耐磨材料的使用寿命,减少粉尘排放,是增加辊磨机的适用性的关键。

1 存在的问题

我国大部分铁矿矿石类型复杂、贫矿多、复合矿多,且嵌布粒度细,采出矿石的90％以上无需选矿处理。因此矿石入磨量大、能耗高,选厂的动力大部分都消耗在磨矿上,由于球磨机的生产效率小于10％,所以很多矿厂已改为其他破碎方式,如辊磨机。而现有的辊磨机存在传动方式复杂、不便于维修、辊面磨损后难以更换的缺陷。

用于碾磨诸如水泥生料、水泥渣块和类似材料的颗粒材料的辊磨机,其辊轴与竖直轴连接的铰链连接部典型地由传统滑动轴承组成,滑动轴承可以利用适合的润滑剂来润滑。铰链连接部的功能是确保辊能够彼此独立地跟随辊磨机操作期间发生在沉积于碾磨台上的材料层中的高度变化。就方向和大小来说,由铰链连接部吸收的力相对于轴承轴颈是大体恒定的,轴承轴颈的倾斜运动由材料层厚度的改变形成,典型的该材料层厚度的改变范围在正负0.5(°)～5(°)区间之内 ,轴承轴颈的倾斜运动的频率典型地在0.5～1 Hz区间之间。当这种已知的辊磨机被用于碾磨诸如水泥生料、水泥渣块和类似材料的颗粒材料时,铰链连接部将经受相对高的压力,会造成铰链连接部部件之间的摩擦、发热,由于持续地一侧施加压力并且轴承轴颈非常小的来回倾斜运动,会阻止润滑剂被抽吸到负载区。现有的辊磨机通过使用压力泵将润滑剂从储存器供给到轴承,再用真空泵将已起到润滑作用的润滑剂回流到储存器,但明显的只能适于很小的负载量。

立式辊磨机依其自重产生的压力效率是很低的,必须在磨辊上额外地施加垂直向下的力。立式辊磨机破碎物料时会对辊的外皮产生较大磨损,其采用机械弹簧作为压力源,因压力有限,且压力不可随机调整,导致粉碎物料效率低,零件易疲劳损坏,工作可靠性降低。

卧式辊磨机其磨辊处于粉尘多(干法粉磨)或有矿浆(湿法粉磨)的恶劣环境中,磨辊安装的轴承,其轴承的润滑和密封是这类设备面临的关键技术问题。原有的技术中,轴承的润滑一般采用定期加润滑脂,密封采用迷宫式或旋转轴骨架油封等常规技术手段,但随着工作时间的延长,油封的磨损,粉尘或矿浆不可避免地被带入轴承,轴承发热,致使轴承的润滑剂变稠、变干,于是加快了油封的磨损,造成轴承使用寿命短,影响磨机的工作效率。

2 新技术的应用

金属矿用高压辊磨机充分利用料层高压碎矿的原理,通过“多碎少磨”达到节能降耗和提高辊磨机效率的目的[2]。该系统由机架、高压辊、万向传动轴、减速机、给料调节装置、液压控制系统等主要部件组成,主动辊和从动辊分别平行安装在机架上,通过各自的电动机、减速机和万向传动轴驱动,可水平移动的动辊的一侧安装施压油缸,提供压力源,并配有高低压检测装置和超压自动卸荷装置。在高压辊的上方设给料调节装置,根据电控系统的检测结果和设定进行给料量的调节,在高压辊端面的两侧安装有自适应浮动侧挡板。

图1所示的金属矿用高压辊磨机所采用的电机、减速机、传动轴、高压辊传动方式,与通常由电动机经传动轴再经联接在高压辊上的行星式减速箱传递动力方式,并另设一套机构作为动辊的退让及反向力矩的平衡方案相比,结构简单实用,工作可靠性增强,检修也更加方便。其采用的自适应浮动侧挡板机构,可方便地调节侧挡板与高压辊端面间的间隙,能使辊磨机在破碎过程中,侧挡板与辊端面的间隙自动保持在一个合理的范围内,解决了高压辊磨机运行过程中物料的侧漏问题。分离式液压泵的设计避免了辊磨机在破碎过程中粉尘和振动对液压泵的不利影响,提高了系统整体运行的可靠性。

图1 卧式高压辊磨机

为了解决碾磨诸如水泥生料、水泥渣块和类似材料的颗粒材料的辊磨机,其辊轴与竖直轴连接的铰链连接部轴承润滑剂被阻止抽吸到负载区的问题,采用的辊磨机是大体水平的碾磨台和一组能够围绕竖直旋转的辊,这组辊包括多个围绕分离的辊轴旋转的辊,分离的辊轴由铰链连接部连接至竖直轴,铰链连接部包括轴承壳体和搁置在其中的轴承轴颈,设计的铰链连接部允许辊沿向上和向下的方向在包括辊轴的中心线的平面内做圆周运动,做为铰链连接部的轴承轴颈和轴承壳体之间的摩擦产生的热和磨损远远小于迄今为止所使用的轴承类型,这是由于较小的倾斜运动相关的轴承轴颈主要在轴承壳体中滚动,良好的散热性使这样设计的铰链连接部无需润滑操作也无需将在辊磨机中碾磨的材料进行密封保护。

图2 立式辊磨机及其轴承轴颈及轴承壳的结构

如图2所示,铰链连接部包括轴承壳体和搁置在其中的轴承轴颈,为了保证响应于碾磨台上材料层中一般改变的高频率小的倾斜运动通过与滚动运动相关的轴承以最优的方式被吸收而不导致表面压力达到超高水平,轴承壳体具有的直径超过轴承轴颈的直径5％,考虑到轴承轴颈主要在与小的倾斜运动相关的情况下在轴承壳体中滚动,铰链连接部的轴承轴颈和轴承壳体之间的磨损率会很小。当轴承轴颈沿顺时针方向滚动时其中心C0移动到C1,此时轴承壳体和轴承轴颈之间的接触点将从点A移动到点B,其中所述点C1代表当辊体在碾磨台上的材料层的上升点上滚动时的情况。在A和C0点给出的中立位置处,反作用力F是点A处切面的法向矢量。当轴承轴颈运动到C1,反作用力F将由两部分组成,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是静摩擦系数,对于轴承轴颈和轴承壳体的钢质材料来说,该静摩擦系数值大约为0.3。如果 Ft值超出,轴承轴颈将向点A滑回,采取与碾磨台上的上升材料层一致的滚动运动的新中立位置。

为了解决立式辊磨机现有加压装置所存在的问题,新技术所采用的加压装置根据杠杆原理对磨辊加压,压力臂下部联接油缸,油缸和蓄能器联接,通过控制油缸设定值向磨辊提供足够、稳定、可调的压力。其加压装置根据杠杆原理,由一个呈L型压力臂的上部通过胀套联接器联接带有一定锥度的工作面的磨辊,该磨辊的锥度工作面与磨盘的研磨滚道平行；L型压力臂的中上部固定在机架的轴承座上,并可绕轴承座有一定方向的偏转；L型压力臂的下部联接油缸和空气蓄能器组合部件并被固定在机架上,来自负载变化引起油缸的油压变化被空气蓄能器缓冲平衡,从而保持油缸油压恒定,并可按照设定值通过L型压力臂向磨辊提供足够大的、稳定的压力。其优越性在于：

1)由于设计了油缸和蓄能器组合部件作为加压动力源,磨辊压力可根据物料研磨需要通过液压和电气系统予以调整,充分适应各种工况。更重要的一点就是工作中来自物料厚度、硬度的随机变化不会引起磨辊大的压力波动,而这一点对降低磨机震动从而延长磨机无故障使用时间至关重要。

2)先进的、特殊的挟持套加磨辊与支撑轴的结构,使得一旦磨辊发生磨损等情况需要维护时,可以方便地将磨辊从磨机内部翻转到外部,极大地便利了各种维护工作。

3)新设计的螺纹联轴器结构简单却实用,它可以传递重载荷而紧固零件受力小。

4)方便的、可拆卸的胀套联接器和位于支撑轴上的胀套配合器,可以实现夹持套与L型压力臂之间快速联结和脱开。

5)提供了一种效率高、压力稳定、使用可靠、维护方便的磨辊加压装置,见图3。

图3 立式辊磨机的加压装置

为了解决因油封的磨损,粉尘或矿浆进入轴承,造成轴承寿命短的问题,许多新技术应用在辊磨机以克服此类缺陷。比如,在主轴上设计旋转接头,旋转接头内设有流体可以通过的单通道或多通道孔,主轴内设计轴向、横向的油气通道孔,旋转接头的通道与主轴内的相应通道贯通,主轴通道也通过连接管与磨辊轴承连通,便于润滑剂进入磨辊轴承,洁净气体通过通道进入密封装置起隔离作用,使粉尘或矿浆难以从该装置进入磨辊轴承,对轴承起保护作用。将润滑剂和洁净气体输入机内,使磨机制轴承寿命提高,磨机故障少,运转率高。新技术在一定程度上适用于金属矿、非金属矿、能源、冶金、化工、新型材料等行业多种物料的干、湿法粉磨。