多辊履支撑球磨机功耗实验研究

谢 华, 刘建寿, 史东才

(1.苏州中材建设有限公司，江苏 苏州 320500；2.洛阳理工学院 智能制造学院，河南 洛阳 471023)

随着水泥企业规模的扩大，球磨机不断大型化，球磨机直径为3.8～4.5 m之间。大型球磨机支撑方式多采用滑履支撑，滑履支撑的支撑点在筒体的两端，取消了原球磨机的中空轴，球磨机两个支点的距离减小，减小了薄壁筒体的弯曲应力，减小了筒体的厚度和重量，还减小了进料口和进风口面积的限制。由于滑瓦数量的变化、支撑力的增大、摩擦力的增大、摩擦副相对线速度成倍提高，球磨机应用滑履轴承支撑比应用中空轴滑动轴承支撑，摩擦功耗增大[1-4]。生产实践表明，采用滑履轴承支撑后，滑履轴承温升太大，常常造成球磨机跳闸停机。水泥生产中，破碎与粉磨作业耗电量占全厂耗电量的60%～70%，在粉磨作业球磨机的电耗中，传动与支撑的机械损耗约占8%～12%，球磨机支撑中滚动轴承支撑比滑动轴承支撑有效降低摩擦系数，大型球磨机电机功率为2 500～3 550 kW，滑履轴承支撑摩擦功率消耗比滚动轴承支撑摩擦功率消耗更大。所以采用滚动轴承支撑可以有效降低电耗。但球磨机支撑采用大型滚动轴承造价昂贵，既不经济，也给滚动轴承制造提出更高的要求。滚动轴承摩擦力矩与滚动轴承的半径成正比，小型滚动轴承功耗更小。

根据球磨机的受力特点，设计球磨机的辊履支撑和滑履支撑，采用滚动轴承和滑动轴承两种支撑方式，现场测试滑履支撑功耗和辊履支撑的功耗，并做对比。在同样工作条件下，辊履支撑球磨机比滑履轴承支撑球磨机节电，为球磨机使用滚动轴承支撑提供实际依据。球磨机节能降耗符合水泥行业的产业政策，有利于可持续发展。

1 实验平台的搭建

球磨机实验平台包括5个组成部分，分别为由筒体组成的回转部分，由电机和减速机组成的传动部分，由滑履或辊履组成的支撑部分，进料装置和出料装置，如图1所示。筒体回转部分分两仓，内部装有衬板、隔仓板和钢球。球磨机传动采用中心传动，由电机通过联轴器、减速器、联轴器等进行传动。

1-电动机；2-联轴器；3-减速器；4-联轴器；5-传感器；6-半联轴器；7-出料装置；8-传动接管；9-滑履或辊履支撑部；10-回转装置；11轮带；12-进料装置

为了对比研究球磨机滑履支撑和辊履支撑，实验平台球磨机采用筒体辊履支撑或筒体滑履支撑，球磨机筒体上装有轮带，支撑通过轮带支撑筒体。

球磨机实验平台具体参数如下。

规格：Φ900 mm × 3 000 mm；筒体长度：2 m + 1 m；筒体回转转速：36 r/min；电机功率：30 kW；钢球装载量：2 700 kg。

实验平台安装了转矩转速传感器，传感器安装在球磨机减速器输出轴和中空轴之间，检测筒体回转提升研磨体的功率和筒体轴承支撑的摩擦损耗，传感器转矩量程10 000 N·m，转速量程2 000 r/min。

辊履支撑装置如图2所示。辊子1安装在辊子支架2上，且通过开口销固定。辊子支架固定在凸球面3底面上且通过螺栓连接。凸球面支块3又置于凹球面4支块之中，凸凹球面接触解决了调心的问题，保障辊子1与筒体轮带12紧密接触。凹球面通过螺栓连接在燕尾滑板5上，且燕尾滑板能在与底座7焊接在一起的燕尾槽6内自由滑动，在球磨机轴向起到调整作用。拉杆8通过螺母调节两个底座之间横向距离，底座7与滑板9通过螺栓紧固。滑板9与底板10连接，滑板位置可横向调节。

1-辊子；2-辊子支架；3-凸球面；4-凹球面；5-燕尾滑板;6-燕尾槽；7底座；8-拉杆；9=滑板；10-底板;11-筒体；12-轮带

滑履支撑装置如图3所示。通过将辊履支撑装置中的辊子和支架更换为滑瓦座得到。滑瓦座上铸有巴士合金瓦，图3中滑瓦座的径向尺寸与图2中的辊子和支架的径向尺寸相同，两种支撑装置在同一台实验磨机上可以互换，保障了实验条件的相同性和实验结果的可比性。滑履轴承支撑与中空轴滑动轴承支撑装置采用一套供油系统，实现动压和静压润滑。

1-底板；2-滑板；3-拉杆；4-底座；5-凹球面；6-凸球面；7-滑瓦座；8-挡板；9-筒体；10轮带

2 实验测试

实验平台在辊履支撑和滑履支撑两种方式测试的球磨机输入轴转矩与功率如表1所示。转矩转速传感器安装在减速器之后，测得的转矩与转速是球磨机研磨体提升和轴承支撑摩擦产生的转矩与转速。在滑履支撑中，采用了静压和动压两套系统。

表1 主轴承支撑与滑履支撑实验转矩与功率

3 结果与讨论

3.1 测试结果分析

为了比较辊履轴承支撑和滑履轴承支撑两种支撑方式的差别，通过表1的测试数据进行计算。辊履轴承支撑球磨机比滑履轴承支撑球磨机在静压状态下(启动状态)扭矩减少4.92%，节电约4.89%；辊履轴承支撑球磨机比滑履轴承支撑球磨机在动压状态下(正常运转)扭矩减少10.37%，节电约10.35%。

此外，辊履轴承支撑球磨机比滑履轴承支撑球磨机节省了高压油站、冷却装置及大量的润滑油。应用辊履轴承支撑球磨机还可以使球磨机易于启动。

3.2 理论分析

球磨机功率消耗在两个方面：一是提升研磨体，冲击和研磨物料；二是轴承的机械摩擦并产生热量。前者是有用功，后者是无用功。可用机械效率η来考虑，球磨机所需功率[5]为

式中：η为球磨机的机械效率；N0为球磨机需用功率，kW；n为球磨机的适宜转速，r/min；G为球磨机筒体内研磨体的总质量，t。

球磨机机械效率影响球磨机功率消耗，球磨机机械效率与球磨机支撑装置、减速器、电机的摩擦损耗有关。

滑动轴承的摩擦系数f= 0.08～0.12，滚动轴承的摩擦系数f= 0.001～0.005，二者差别很大。球磨机应用滑履轴承支撑时，采用滑动轴承。球磨机应用辊履轴承支撑时，采用小型滚动轴承。两种支撑方式，摩擦系数差别很大，功率消耗差别也很大，辊履支撑取代滑履支撑，可以降低支撑装置的摩擦损耗，提高机械效率，降低磨机需用功率。

在上述实验中，球磨机两种支撑装置的其余实验条件是一样的，即球磨机工艺、球磨机本体、钢球与物料装载量、传动系统、支撑装置的支架部分均相同，能较好反映滚动轴承辊履支撑和滑动轴承滑履支撑扭矩的大小和功率消耗差别。

此外，小型滚动轴承为大批量生产并实现标准化、系列化，配件易得，比大型滚动轴承成本低；滚动轴承加工精度高，振动小，易于球磨机运转；滚动轴承功率消耗低，发热量少，润滑油的消耗减少，润滑维护较为省事[6-7]。采用辊履支撑，不仅减小功耗，还有利于球磨机的运转和维护。

4 结 语

通过实验和理论分析得出如下结果：(1)在同样工作条件下，辊履轴承支撑球磨机比滑履轴承支撑球磨机在静压状态下(启动状态)节电约4.89%，辊履轴承支撑球磨机比滑履轴承支撑球磨机在动压状态下(正常运转)节电10.35%；(2)球磨机辊履轴承支撑结构的设计和实验为大型球磨机采用小型滚动轴承支撑提供了新的方法。