立磨选粉机的工作原理、结构及三维建模

（成都建筑材料工业设计院，四川 成都 610041）

立磨又称立式磨、辊磨、立式辊磨，广泛用于各种物料的研磨，是块料制备粉料的必备环节，已经由最初的三辊立磨逐步发展到六辊立磨。立磨由于其电耗低、设备紧凑占地小、噪音低、扬尘少、产品细度易于调节、使用维护简单、运行费用低、耐磨材料消耗少等优点，在水泥工业中应用日益广泛，并取得了较好的经济效益和社会效益。

水泥工业中，主要有4个地方要运用到立磨，分别是生料粉磨系统、水泥粉磨系统、煤磨系统、矿渣磨系统。粉磨系统控制的好坏直接关系到水泥产品的质量、产量、成本，关系到水泥厂最直接的经济效益。立磨由磨机和选粉机两部分组成，磨机主要功能是对物料进行研磨，选粉机主要功能是对研磨后的物料进行分选。工作中的立磨见图1。

图1 工作中的立磨

1 工作原理

立磨选粉机是一种气流分级选粉机。各种混合物料从下料口卸下，与载体空气一起流入选粉机中。固定在灰斗上与下壳体之间的固定导流片，将物料/空气混合物从向上流动转变成切向流动。其内部的转子按切向物流的方向转动。在固定导流片和转子叶片之间的空隙部位形成一个大的旋流空间见图2，在离心力的作用下，物料/空气混合物发生分级分离。过大（特大）颗粒被甩出去，在重力作用下下沉，离开那个旋流空间，在灰斗中收集并返回到磨机磨盘进行再次研磨。较细的颗粒能通过选粉机旋转转子的叶片，随同载流气体从选粉机上壳体出口离开选粉机被外部选粉收尘器收下然后进入下一工艺环节，这些较细的颗粒就是选粉机作用后的成品见图3。成品的细度取决于选粉机导流片与转子转速的综合作用，导流片是固定的，通过调节转子的转速可以对成品细度进行调节。提高转子转速，成品细度越细；降低转子转速，成品细度粗。转子的转速通过安装在选粉机上壳体的驱动部分的一个变频电机进行调节，通过改变电流频率对转子转速进行控制，最终达到控制成品细度的目的。转子下部的灰斗壳体创建了一个粗颗粒内部循环的空间，形成一个有序的通道，一方面灰斗将最初上升的物料/空气混合物与选粉后降落的粗颗粒分隔开来，避免两部分混合而带来的无用功、低效率；一方面引导不合格的粗颗粒下落到立磨磨盘进行二度研磨。

图2 旋流空间俯视图

图3 选粉机工作原理图

离心运动是指物体有远离中心运动的现象。当物体在做非直线运动时（例如：圆周运动或转弯运动），因物体一定有本身的质量存在，质量造成的惯性会强迫物体继续朝着运动轨迹的切线方向前进。若这个在做非直线运动的物体上有乘客的话，乘客由于同样随着车子做转弯运动，会受到车子向乘客提供的向心力，但是若以乘客为参照系，由于该参照系为非惯性系，他会受到与他相对静止的车子给他的一个指向圆心的向心力作用，就好像没有车子他就要被甩出去一样，这个力就是所谓的离心力。由于处于非惯性系中，此状况下物体所感受的力并非真实，所以有些说法会称这种现象为“离心运动”。相对转动的非惯性系中的物体，所受离心力为F=mω2r（其中ω表示非惯性系自身转动的角速度），其方向沿半径背离圆心。

离心技术指利用物质在离心力的作用下，按其沉降系数不同而进行分离的一种技术。使用条件是：（1）混合物绕中心轴作圆周运动，即受到离心力作用。（2）强大的离心力作用于悬浮的粒子，使其沿离心力方向背离中心轴。（3）不同大小的颗粒沉降速度不同而进行有效分离。在离心力作用下，悬浮颗粒沉降速度与颗粒的半径、颗粒的密度、介质密度相关，即：

式中：r—球形粒子的半径（mm）；

ρp—粒子的密度（g/mm3）；

ρm—介质的密度（g/mm3）；

ω—粒子的角速度（rad/s）；

x—粒子的位置（mm）。

由公式（1）可看出：

① 当ρp＞ρm，粒子顺着离心方向沉降。

② 当ρp=ρm，粒子到到某一位置后达到平衡。

③ 当ρp＜ρm，粒子逆着离心方向上浮。

由此可见，粗颗粒将脱离旋流空间，从灰斗进入立磨磨辊进行二次研磨。细颗粒将从转子空隙处上浮，从上壳体出口经外部旋风收尘器进入下一工序。通过变频调节转子转速，可以改变粒子的角速度，使得粗颗粒更容易或者更难上升到选粉机出口，从而控制选粉成品的细度。

2 结构特征

立磨选粉机采用侧面进料，侧面出风的结构，由壳体、转子部件、衬板及耐磨部件、驱动装置等部件组成。其中选粉机壳体主要是由选粉机静态部分组成，包括上壳体、中壳体、下壳体、灰斗、导流片、密封环等。转子部件是选粉机的转动部件，主要由转子、主轴、上下轴承、上下轴承座、拉杆张紧装置等组成。衬板及耐磨部件主要由耐磨浇筑材料、模块化的耐磨堆焊复合衬板等组成。驱动装置主要由电机、减速机、联轴器、传动底座等组成见图4。

图4 立磨选粉机三维模型图

（1）选粉机壳体。

上壳体见图5用于支撑转子及其主轴，将合格的物料/空气混合物导出选粉机系统，支撑驱动部分；上壳体出料口处有两根钢管进行支撑，一方面对物料/空气混合气流进行导流，一方面对出口的开口部分进行支撑。为保证壳体出口风速风量的工艺要求，选粉机壳体出口尺寸应跟整个系统气流的流速流量相配。

图5 上壳体三维模型图

中壳体见图6用于支撑密封环与导流片。中壳体在规定气流流速下应有相应的流通量截面，其内径应满足规定气流量能按要求通过。

图6 中壳体三维模型图

下壳体见图7下部焊接牛腿，用于支撑灰斗部件及其所盛物料，并为转子主轴下部轴承张紧装置提供安装位置和着力点，下壳体一侧集成下料槽一部。

图7 下壳体三维模型图

密封环见图8分块组成，由螺栓连接形成一个整体，避免旋流驱动的不合格粗颗粒绕过选粉系统从旁路直接进入出料口。

图8 密封环三维模型

导流片见图9用于对物料/空气混合气流进行导流，形成有利的旋流空间，配合转子转动的离心力进行物料分级分离，导流片需要定期检查其磨损情况，对已磨损零件进行及时更换。

图9 导流片三维模型

灰斗见图10用于引导不合格粗料直接进入下部磨机磨盘，进行二度研磨；灰斗通过牛腿支撑在下壳体上；灰斗上表面设置法兰孔，与中壳体一上一下固定导流片；灰斗一侧集成下料槽一部，与下壳体的下料槽通过法兰连接，组合成一整个下料槽。

（2）转子部件。

转子见图11与分段的主轴用螺栓进行连接，相应的螺栓必须施加拧紧力矩，主轴通过上下轴承进行固定，转子的旋转方向取决于导流片，其旋转方向与导流片相切，在我们的设计中为俯视顺时针方向，驱动电机转动时的转动方向不能搞反。在驱动电机停机时，转子转动惯性较大，应该让转子自然停止，不允许在电机上安装停机刹车，以免冲击载荷造成主轴拧弯或者折断。转子需要做静平衡与动平衡以保证转动时的稳定性，转子叶片焊接前单个称重，重量相同或差别不大的需要对称焊接在转子上。

图10 灰斗三维模型

图11 转子三维模型

主轴见图12采用创新设计，因为选粉机工作中可能要经常启动，主轴将要承受多种冲击载荷，而且选粉机工作时需要传递的扭矩较大，这些都给主轴造成很大负担，传统的实行主轴要满足以上要求时，必须将轴径做得很大，造成主轴钢材使用量大，加工难度大，维修困难，与驱动部分的联轴器连接困难。因此我们的创新思维是将主轴做成空心轴，这样使用较少的钢材能为主轴获得更大的抗扭截面系数，减少钢材使用量的同时能增加抗扭能力，传递更大的转矩，并能直接选用结构用无缝钢管型材，减少了大量加工工作，也方便设备运转后的维护检修。主轴与转子相连接的法兰处设计止口，方便主轴与转子安装时的对中要求。主轴的对中很重要，没对中的主轴在选粉机工作是容易发生晃动，造成对轴承、拉紧装置等的损坏，进而破坏主轴，造成主轴的剪切破坏，安装时借助对轴承的对中安装进行实现，需要借助水准仪等仪器，相关安装精度参照机械设备中选粉机的安装规范。

图12 主轴及轴承三维模型

上轴承为自动对中的滚子推力轴承，承受轴向力和少量径向力，并起对中作用，为主要的受力支撑部件。下轴承为单列深沟球轴承，承受可能的径向力。上下轴承均为油脂润滑，通过输油管配自动干油泵进行供油，一方面避免因缺油引起过渡摩擦而造成各种温升、失效等缺陷发生。另一方面与上轴承座的密封环共同作用，与下轴承座的迷宫密封共同作用，避免外界灰尘与杂质进入轴承，加油时务必需要看到油脂密封的形成。

上轴承座见图13中安装滚子推力轴承，整个轴承座支撑在选粉机上壳体上，通过法兰与上壳体连接，法兰带止口，便于安装时主轴的对中。下轴承座见图14中安装深沟球轴承，通过张紧装置的4根拉杆固定，安装时4根拉杆用扭力扳手施加拧紧力矩，将下轴承座牢牢拉紧在竖直位置，便于转子旋转时的对中要求。

图13 上轴承座三维模型

图14 下轴承座三维模型

张紧装置见图15由4根拉杆、拉紧螺杆、蝶形弹簧、拉杆头等组成，拉紧螺杆两端头分别攻正反丝，使得扭力扳手向一个方向拧就能实现对拉杆的张紧操作，蝶形弹簧压紧后产生预紧力对下轴承座进行固定实现对中，并对不可预见的冲击力起缓冲作用，4根拉杆的预紧力需要一致，这个可以通过扭力扳手实现，并需要定期检查张紧力，下壳体是张紧装置的着力点。

图15 张紧装置三维模型

（3）衬板及耐磨部件。

选粉机内部存在着一个的旋流空间，充斥着各种细度的物料颗粒，在气流的带动下，在长时间工作后，将对选粉机部件产生很大的磨损作用。我们设计采用12 mm厚度的耐磨堆焊复合衬板和耐磨浇筑料进行保护。耐磨堆焊复合衬板及耐磨部件需要定期检查，对其磨损情况进行记录分析，对已磨损零件进行及时更换。

耐磨堆焊复合衬板见图16规格为6 mm厚度的低碳钢母材上堆焊6 mm的耐磨材，并采用模块化设计思想，将选粉机内部易磨损的规则的区域分成多个部分，比如下壳体、下料槽等，每个部分焊接数块标准化耐磨堆焊复合衬板，这样将耐磨堆焊复合衬板的规格分成了多个标准模块，减少了其规格数量，便于生产后的维修更换，便于配备备品备件节约成本，耐磨堆焊复合衬板固定方式采用衬板内开数个60 mm的孔焊接在选粉机上。堆焊材料结构致密，耐磨性能优异，非常适合作为主要的受磨部件。

图16 耐磨堆焊复合衬板三维模型

在耐磨堆焊复合衬板不适用的即不规则区域，比如上壳体出风口部分等，因为部件表面的不规整，耐磨堆焊复合衬板不再适用，这时需要采用耐磨浇筑料进行保护，施工时先焊接金属网，然后在金属网骨架上打耐磨浇筑料。

（4）驱动装置。

图17 传动底座三维模型

电机采用变频调速电机，通过调节电流频率对转子转速进行调节，从而调节出粉成品细度，达到选粉控制的目的，特别需要注意的是，电机出轴转动方向需要与转子转动方向相符，安装时可以手动盘动联轴器来测试转子转向，本设计的转子转动方向为俯视顺时针方向，电机上配备接近开关对电机旋转方向进行监测并反馈的中央控制室。

工程不论是建设、调试还是运营中，总会有些人们意想不到的突发事件发生，如果对突发事件报侥幸的思想，那突发事件一旦发生将造成惨烈的损失，因此采用保护设计必不可少，联轴器就是一种保护装置。立磨选粉机的联轴器选了2个，一个位于电机出轴与减速机之间，选用轮胎联轴器，负责保护减速机，一个位于减速机出轴与主轴连接处，选用弹性块联轴器，负责保护主轴，避免事故状态中的冲击载荷对设备的破坏。

传动底座见图17起支撑驱动装置各部件的作用，通过法兰连接到上壳体上，法兰上设置止口，方便主轴的对中。传动底座采用箱式结构，这种结构具有很好的力学性能，节约钢材并方便维修。