球磨机出料口防止研磨体（钢球）流出的螺旋槽工艺设计

程平阳

（武汉星宇建设工程监理有限公司，武汉436000）

球磨机在工作过程中，为了保证筒体内所磨的矿浆料能顺利流出，一般在出口设计螺纹导流槽，随着球磨机筒体的旋转运动，摩出的矿浆，沿着螺纹槽流出球磨机。但是对于大型球磨机，由于其内钢球较大，在球磨机内工作过程中，钢球容易滚出筒体，为了保证被磨的矿浆液体流出筒体，又要防止筒体内的研磨体（钢球）随着浆液滑出，这就需要球磨机的出料口对铁球在随球磨机的筒体旋转过程中有一定的阻挡作用，怎样的工艺结构既能够让矿浆料顺利流出，又能够使摩擦钢球不滚出筒体呢？本文针对摩擦钢球在球磨机出口处的受力分析，设计出与筒体旋转方向相反的螺纹槽，借助螺旋槽转动和钢球自身重量和离心力产生的力和力矩，有效地阻止球磨机筒体内钢球滚出，保证球磨机正常工作。

1 球磨机的工作原理

球磨机是一种将矿石磨细的机器设备，其主体工作结构（见图1）是一个圆形筒体，筒体两端装有带空心轴颈的端盖，端盖的轴颈支承在轴承上，电动机通过装在筒体上的齿轮使球磨机回转，在筒体内装有磨矿介质（钢球、钢棒或砾石等）和被磨的矿石。当筒体按规定的转速绕水平轴线回转时，筒体内的磨矿介质和矿石在离心力和摩擦力的作用下，被筒体衬板提升到一定的高度，然后脱离筒壁自由泻落或抛落，使矿石受到冲击和磨剥作用而粉碎。矿石从筒体一端的空心轴颈不断地给入，而磨碎以后的产品经筒体另一端的空心轴颈不断地排出，筒体内矿石的移动是利用不断给入矿石的压力来实现的。在湿磨时，矿石被水流带走。在干磨时，矿石被向筒体外抽出的气流带走。同时筒体内的研磨体（钢球）随着浆液滑出，针对此种情况，设计出与筒体旋转方向相反的螺纹槽，借助螺旋槽转动和钢球自身重量和离心力产生的力和力矩，有效地阻止球磨机筒体内钢球滚出。

图1 两头螺纹反向导流槽结构

2 球磨机出矿的工艺技术要求

根据球磨机的工作原理可知，球磨机的粉磨作用主要是研磨体对物料的冲击和研磨，这就需要从球磨机的工艺参数上进行思考和选择，如适宜的工作转速、研磨体（钢球）装的填量以及掌握影响磨机粉磨效率的各项因素、筒体受力情况等。当磨机在正常工作时，研磨体（钢球）在筒体内按所在位置的运动轨迹只有两种：

一种是一层层地以筒体横断面几何中心为圆心，按同心圆弧轨迹随着筒体回转作向上运动；

另一种是一层层地按抛物线轨迹降落下来。而正是这种球体抛物运动，有时球体被碰撞出筒体，沿着空心轴出口随矿浆一起滚出。

为了满足以上钢球在球磨机筒体内的工艺要求，防止钢球在运动碰撞过程中滚出筒体，同时满足筒体中的矿浆料能顺利流出筒体，就需要在球磨机出口空心轴上设计出一个与导流槽螺旋方向相反的螺旋槽，通过螺旋槽与空心轴结合产生的力和力矩，来将钢球推回筒体仓内。

3 球磨机出料口结构设计技术参数的选择

通过图1 看出，在出料口的内壁上设计制造出几条与球磨机旋转方向相反的螺旋槽，可以有效地阻止磨球从出料口滑出。螺旋线的螺距及螺纹高度可以根据球磨机的直径和出口直径的具体尺寸确定。传力螺旋以传递动力为主，要求用较小的力矩转动研磨体（钢球），产生轴向运动和较大的轴向力，从而推动研磨体（钢球）回到筒仓内。

假设在螺旋滑道间充满钢球，那么钢球与螺旋滑道的摩擦为滚动摩擦。它的优点是：因为是滚动摩擦，摩擦力几乎可以忽略不计；可以变直线运动为旋转运动，借助自重和旋转的离心力使钢球返仓。

3.1 钢球在矩形螺纹滑道中的运动分析

当球磨机回转时，被碰撞到球磨机筒体出口螺旋滑道上的研磨体（钢球），在离心力和与自身重力的作用下，贴附在筒体内壁的螺旋滑道面上，随筒体一起回转，一部分钢球被带到一定高度，在重力作用下自由下落到空心轴的底部，另一部分在空心轴与筒体仓连接的端部的即聚集在筒体出口底部的钢球钢球，被筒体旋转经由螺旋滑道产生的力和力矩推回筒体仓内。研磨体上升、下落的循环运动是周而复始的。而由于进料端不断喂入新物料，使进料与出料端物料之间存在着料面差能强制物料流动，并且研磨体下落时冲击物料产生轴向推力也迫使物料流动，另外磨内气流运动也帮助物料流动。因此，磨机筒体虽然是水平放置，但物料却可以由进料端缓慢地流向出料端，完成粉磨作业，因而保证矿浆能顺利流出。

3.2 螺旋方向及螺纹技术参数的选择

由于研磨体（钢球）在螺旋滑道中的运动是滚动，其摩擦阻力可以忽略不计；磨机筒体内物料对研磨体（钢球）运动的影响也可以略去不计。

根据研磨体（钢球）的大小尺寸，合理地选择螺纹的技术参数。技术参数的选择既要有利于球磨机筒体内的矿浆溢流出来，又能有效地阻止研磨体（钢球）滚出筒体。

为了便于加工制造，螺纹的牙型选用矩形螺纹。螺纹大径与小径之差即为螺纹槽的深度尺寸必须保证钢球沿螺纹槽滑动。螺纹的头数设计为双头或者三头螺纹。螺纹距根据钢球直径大小确定。这样螺旋升角λ 通过公式tgλ =就可以确定了。

螺旋方向的选择：用左右手螺旋法则来确定螺旋的走向，用左右手握拳，四指所指的方向代表筒体的旋转方向，也就是附着在筒体上的螺旋槽的旋转方向，那么大拇指所指的方向就是在螺旋槽中的钢球的走向。

3.3 钢球在矩形螺纹滑道中的受力分析

矩形螺旋副中的螺旋面可以看作由斜平面卷绕在圆柱体上而形成的，并假设铁球和出口内螺纹面间的作用力集中作用在螺旋平均半径r 的螺旋线上。因此，可以将螺旋副的螺旋面沿平均半径展开成为一个连续斜平面，这样，摩擦副的摩擦问题可以化为摩擦问题来研究。该斜面的升角就是螺旋平均半径r处螺旋线的升角，以λ 表示，则通过公式tgλ =就可以确定了。式中L 为螺旋导程。为螺旋的导程。

图2 中钢球1 在力矩M 的作用下，逆着轴向荷载Q 而等速沿螺旋滑道向上运动，这与钢球球在水平力P 的作用下沿斜面2 向上情况相当。

（1）式中P 是在螺旋槽平均半径处施加的圆周力，为螺旋面的摩擦角。

图2 钢球在矩形螺纹滑道中的受力分析

所以驱动起重钢球上升所需的力矩为

（2）式中PM为作用于筒体上的外加驱动力，L 为外加驱动力作用线至钢球中心线间的距离。

反之，螺杆顺着Q 力的方向等速沿螺旋滑道向下运动，这与钢球在载荷Q 的作用下沿斜面等速下滑的情况相当，可以引用公式：

（3）式中P’是在螺旋槽平均半径处施加的圆周力。

故维持起重钢球等速下降所需的力矩为

根据（4）式所知，当γ ＞φ 时，M’＞0，其方向与钢球方向相反，起着阻抗力矩的作用。当γ ＜φ 时，M’＜0，其方向与钢球转动方向相同，说明要使钢球等速下降，必须施加这一驱动力矩M’，不然只靠轴向力Q 不能驱使钢球运动，即该钢球发生自锁，其自锁条件为γ ＜φ。

3.4 螺纹材料的选用

螺旋的材料除要求有足够的强度、耐磨性外，还要求铁球与螺旋的摩擦系数小，可以选用很容易得到的Q275 钢，作为螺旋材料，在空心轴铸造过程中同时将螺旋铸造上去。

4 结语

通过在球磨机出口设计出与筒体旋转方向相反的螺纹槽，选择合理的螺旋结构参数，借助螺旋槽转动和钢球自身产生的力和力矩，有效地阻止球磨机筒体内钢球滚出，保证球磨机正常工作。其实际应用效果图见（图1）两头螺纹反向导流槽结构。