立式辊磨机的磨辊加载系统研究与应用进展

裴永胜，李明现，朱俊玲，王素凤

（1.河南理工大学，河南焦作454002；2.河南焦矿机器有限公司，河南焦作454002）

磨机是粉体加工行业不可缺少的重要设备，广泛应用于国民经济的各个行业。比如，冶金矿山行业，用矿磨来粉磨铁矿石，然后经过选矿设备的筛选，再进入冶炼的工序，可提高铁水质量，降低整个冶炼过程的能源消耗，从而降低冶炼成本；化工行业可用磨机来磨制一些化工原料，如用于磨制化妆品填充剂的超细碳酸钙；水泥行业不仅可用磨机磨制水泥生料，还可用于水泥熟料的磨制；磨机更是大型火力发电厂煤粉制备主要设备。

粉体用量越来越多，对磨机的要求也越来越高。统计资料显示，国内涉及到粉体制造和应用的产值，己高达数千亿元。但现在我们的粉体加工企业常使用的磨机，一般都是传统意义上的管式磨。现在是个能源紧缺的社会，煤炭和石油均是不可再生能源。这就要求我们开发出生产效率高、运行安全可靠的新型磨机，这就是立式辊磨机。

立式辊磨主要结构由主电机、主减速机、磨盘、磨辊及张紧加压装置、架体、分离器、三道闸门、安装与检修装置、辅助传动装置及密封空气管路等部分组成。其中，磨辊及张紧加压装置，是立式辊磨机的核心部件，起着承前启后的作用，磨机的粉磨能力、粉体的颗粒大小与料度分布、整个磨机的能量消耗，均与此密切相关。本文就以立式辊磨机的磨辊加载系统的优化设计与研究为重点，通过磨辊加载系统的优化设计与研究为河南焦矿机器有限公司最后开发出安全、可靠、高效的立式辊磨机提供基础。

1 立式辊磨与传统管磨机的优缺点对比

立式辊磨与传统管磨机的优缺点对比如下：

（1）立式辊磨机生产效率高，粉磨能耗大大降低。立磨与管磨机相比，粉磨电耗仅为球磨的50%～60%，随原料水分含量的不同而不同，水分大的，节省的多。一般立磨粉磨水泥电耗是20～25 kW·h/t，而传统管磨机的电耗是40～45 kW·h/t，节能效果显而易见。

（2）烘干能力强。可以通过大量热风，特别适用于PC窑或PH窑的窑尾低温废气的再利用。

（3）系统简单，集中破碎、烘干、选粉等工序一体，简化了流程。用立磨作为粉磨系统，可去掉粉磨系统中烘干机和选粉机。不但减少了设备投入，还简化了流程，使整个系统更加安全可靠。

（4）控制方便。物料在磨内停留时间短仅为2～3 min，而管磨机要15～20 min。因此，操作工艺易于改变，化学成分可以很快校正，产品粒度分布均匀。

（5）入磨物料粒度大，入料粒度可达辊径的4%～5%。

（6）噪声低。由于立磨的磨辊与磨盘不直接接触，而管磨机是通过磨球与物料直接接触来磨料，因此没有金属撞击声，噪声比管磨机低10 dB以上。

（7）漏风少。立磨整体密封性能好，有一套“空气密封系统”，比传统机械式密封，更先进可靠，因此更有利于利用低温废气。

（8）运转率高。立磨具有效率高、磨耗小等优点。粉磨生料时，磨损件消耗一般为6～8 g/t，辊套、衬板寿命可达8 000 h以上。传统管磨机运行时磨球与磨料之间直接接触，磨球和衬板磨损快，配件更换频繁，设备运转率低，而立磨运转率高达90%以上。

2 国际上常见磨粉机的加载方式

国际上工业发达国家早在上世纪初，就开发研制出各种粉磨设备，如第一台雷蒙磨机是1906年C.Vgrueber在柏林南郊创建的CurtVon Grueber机械制造厂第一次制造出来，同时Curt Von Grueber利用他在美国获得的专利生产出首台Maxecon立式辊磨机，而我国首次应用雷蒙磨是在上世纪50年代。由于雷蒙磨的加载方式（如前述）的缺点，1927年德国人E.C.loesche在大量分析和总结不同磨机的经验基础上，设计出莱歇磨。最初的莱歇磨采用弹簧加载，也存在一些问题（如前述），随着液压技术的不断发展，该机逐渐被改为液压系统加载。

液压系统加载使磨机的整机性能大为提高，得到各国专家的认可。该机应用广泛，高效节能，稳定性好，至此各种新型磨机逐渐多采用这种加载方式。如德国KHD公司、日本宇部兴产公司、美国富勒公司生产的盘辊形式的磨粉机，均采用液压加载方式。由于磨机的结构形式和挤压原理的区别，其液压加载系统的设计方案有各种各样。随着近代磨机结构的变化，产生了新一代的液压加载方式，如F.L.Smidth公司开的辊式磨Atox磨，日本Onoda公司的OK磨，Kawasaki的CK磨。

目前我国粉体制造业，在国际上仍处于落后状态，国家每年不得不花费大量外汇从国外进口制粉设备，我国目前许多水泥厂使用了立式辊磨，很多是国外进口的，尤其火力发电厂使用的立式辊磨机，大部分均采用了进口设备。为了适应市场经济和科技发展的需要，国内一些大专院校、科研院所也纷纷加入研制新一代磨机的行列，如武汉工业大学、中国矿业大学、天津水泥工业设计研究院、合肥水泥研究院等单位，均有新型磨机的研制成果。

3 国内常见磨粉机的加载方式

目前国内在制粉过程中，采用的磨体设备加载方式各有特点。常用的有：

（1）碾磨机。是利用碾辊的重力，使进入盘辊间的物料受到挤压和剪切作用而被粉碎。该磨机的粉碎机理和现代意义上的的立式辊磨机是一样的，但该机体形笨重，碾辊的体积及重力对粉碎力的值影响较大，其结构大小与受力要求不成比例，对于某些较硬的物料，因加载能力低下，该磨机根本无法粉磨。

（2）球磨机。其工作原理是当磨机筒体旋转时，筒体内的研磨介质（球，棒，管等）在摩擦力和离心力的作用下，随筒体廻转至一定的高度后，按一定的速度抛落，对筒体内的物料产生冲击、磨削和挤压，使物料粉碎。这种磨机的加载，是靠改变研磨介质的质量大小来实现的，虽然安全可靠，但效率低下，体形笨重，在粉磨过程中因物料自身的相互摩擦产生的无用热量太多，浪费能源。

（3）雷蒙磨机。这种磨机是利用磨辊转动时产生的离心力，使进入辊和环之间的物料受到挤压而破碎，由于辊子的离心力受转速和辊子质量大小的影响较大，所以能产生的挤压破碎力有限。这种磨机在工作中，磨辊对磨机机体产生的冲击大，损耗大，所以整机效率低，寿命短，噪声大，产量小，不能满足现代工业绿色环保的要求。

（4）弹簧加载式盘辊磨粉机。是利用弹簧的预紧力，使磨辊和磨盘之间产生的挤压力粉碎物料，产生的挤压力受弹簧体积和弹簧变形的影响较大。这种加载方式，能够产生的加载力幅值和缓冲冲击载荷的效果及磨粉过程中稳定性均有限，使用中常出现弹簧疲劳断裂的情况，使生产不能连续运行，很难满足优质磨机的性能要求。

（5）液压加载式辊式磨机。该机在移动辊两侧采用液压系统加载，同时液压系统中还配有蓄能器，其加载力幅值视工作条件确定，并由液压系统控制。这种加载方式能提供的加载力较大，缓冲效果好。这正是我们开发与研究的加载方式。这种磨机仍然具有效率高、能耗低、噪声小、操作方便等特点，是值得推广的一种加载方式。

4 目前存在的主要问题

尽管立式辊磨技术发展迅速，但结合参考文献及目前立式辊磨加载系统的现状，可以总结出目前立式辊磨加载系统仍存在以下不足：

（1）机械振动。现有的磨辊加载装置，一般由液压缸、三角框架、磨辊组成。在生产中，一旦有较硬较大的物料进入磨机，由于加载装置受力不均匀，或由于共振的原因，可能会引起磨辊支架与压力框架之间的铰接支座的断裂，压力框架与磨辊支架的连接关系就被打破。此时，磨辊极易倾覆，造成重大设备事故。因此，本课题在研究加载系统的优化中，将通过实验分析找到问题的所在，对磨机加载系统的结构进行优化。

（2）磨机产量、产品颗粒大小与磨辊加载系统的关系模糊。根据资料，现有的立式辊磨的磨机产量、粉磨产品颗粒大小与磨机加载系统的关系，多由经验和试验数据确定，并未有成熟的理论和计算方法来计算和描述他们之间的关系。本课题试图通过实验，并建立数学模型，来分析其间的关系，最终找到其内在的规律。

（3）加载系统寿命短。过去的立式辊磨常用的加载方式是弹簧加载，此种加载方式往往加载系统的寿命较短，一般半年后就容易出现加载系统压力不稳定、加载力漂移等缺点。而现在使用液压加载便可克服这些缺点，该加载系统的加载力可调、直观，很容易就能实现仪表显示，甚至可与计算机控制系统相连实现自动加载系统控制，加载系统的寿命可达数年不出现大的故障，这正是我们要研究和实现的课题。

（4）加载系统可靠性差。现有的很多立式辊磨的加载系统，由于磨辊的摆动或上下浮动，使液压缸相连的拉杆工作处于横向摆动和上下滑动状态，在高压工况下，液压缸的密封圈寿命较短，常出现生产中的停机故障，影响作业效率。本课题，试图通过研究，建立数学模型，然后利用数字仿真，找到问题的所在，并对加载系统进行结构优化，设法消除磨辊的摆动和上下浮动，以提高磨机的可靠性。

（5）机电一体化水平低，自动化水平低。

5 研究的进展

5.1 试验情况

（1）以水泥生料、煤炭等物料为试验对象，通过在试验机上做实验，并对实验数据进行分析。以找出磨机加载系统中各个参数对系统性能的影响效果，确定出磨机的最佳参数，从而改善加载系统的综合性能，提高磨机的整体工作性能。

（2）根据实验数据，建立数学模型，然后利用数字仿真，研究磨机加载系统的数学动态特性。该仿真着重于对加载系统过程的“模拟”，从中获取系统在稳定性、动态品质、缓冲效果、对环境条件的适应能力等方面的性能信息。仿真结果的正确性，取决于数学模型、仿真模型的正确性。因此，认真分析确定系统的研究范围，对影响系统动态特性的因素进行合理的取舍和简化，确定主系统的参数值，寻找求解系统数学模型的合理解法等环节成为仿真成败的关键。

5.2 创新体现

针对现有辊磨机的加载装置进行广泛的资料收集、分析处理，在此基础上，通过理论分析和试验，并加上数字仿真，研究磨机加载系统的数学动态特性，找到立式辊磨机加载系统在工作过程中的动态特性最佳匹配参数，为同类型加载系统的设计提供依据。创新之处主要体现在以下方面：

（1）因为立式辊磨机的设计关键技术尚处于保密阶段，目前只有国内外少数厂家和研究机构所掌握。因此通过本课题的研究，试图找到磨机加载系统的系统特性及规律，有利于打破技术壁垒，攻克技术难关，为最终设计出安全可靠、性能稳定的立式辊磨机提供理论依据。

（2）本研究可为磨机液压加载系统的自动化管理提供基础。

6 结束语

技术关键需要系统地进行磨辊加载系统的动态仿真，并分析其动态特性。并以动态特性分析结论为基础，对磨机加载系统进行进一步结构优化；笔者和公司有关技术人员也成立了立式辊磨机攻关小组，在充分研究国际先进磨粉机的经验基础上，正在从事这方面的研究。研究结果表明：采用液压方式加载，是超细辊式磨必须具备的条件和要求，这也是传统的雷蒙磨、球磨机或采用机械弹簧式加载的磨机所不能替代的，因此研究立式辊磨机的磨辊加载系统，是突破研发该类磨机的关键。

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