王佳慶 雷立猛 肖忠

摘 要：本論文旨在優(yōu)化一種大流量棒銷式研磨機(jī)的設(shè)計(jì)。對(duì)傳統(tǒng)研磨機(jī)的分離器、轉(zhuǎn)子、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等做出了改進(jìn)，提高了研磨機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)速度、降低了研磨中心部位溫度，研磨機(jī)的生產(chǎn)效率得到了提升。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計(jì);研磨分離;研磨轉(zhuǎn)子;棒銷

1 前言

研磨是超細(xì)粉體的一種主要的加工方法，研磨機(jī)是實(shí)現(xiàn)研磨加工的裝置。從最初的礦物加工和陶瓷行業(yè)的應(yīng)用，到最近新材料的研制，研磨機(jī)已廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，成為了一種普遍使用的加工設(shè)備和技術(shù)手段。研磨機(jī)由輸送系統(tǒng)、研磨系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成[1]，其中研磨系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。研磨機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)容易帶來(lái)安裝及維護(hù)成本較高、易磨損等問(wèn)題，因此，在研磨系統(tǒng)、分離系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及連接設(shè)計(jì)上，需要考慮更加簡(jiǎn)易、通用、高效等因素作為設(shè)計(jì)依據(jù)。研磨筒的轉(zhuǎn)速是衡量研磨系統(tǒng)效率的一個(gè)主要參數(shù)，轉(zhuǎn)速快會(huì)帶來(lái)研磨系統(tǒng)的溫度上升，在提高轉(zhuǎn)子速度的情況下不影響系統(tǒng)的溫升，就需要對(duì)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。為了提升制造業(yè)的智能化水平，研磨設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制和管理?？傊?，傳統(tǒng)大流量棒銷式研磨設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

大流量棒銷式研磨機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，包括進(jìn)料、制漿、研磨、調(diào)配儲(chǔ)罐、過(guò)濾出料、噴霧干燥、罐裝等生產(chǎn)工藝子系統(tǒng)，并能夠獨(dú)立完成配料、真空自動(dòng)吸料、分散、乳化、粗研磨、精研磨、冷卻、過(guò)濾、噴霧干燥、自動(dòng)灌裝等生產(chǎn)過(guò)程[1]。

棒銷式研磨機(jī)的棒銷安裝在左、右端密封的研磨筒內(nèi)，研磨筒固定在研磨機(jī)兩側(cè)的機(jī)架上。傳統(tǒng)的棒銷有兩種設(shè)計(jì)方式：一種是在研磨筒內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)軸，在轉(zhuǎn)軸上直接安裝棒銷;另一種是在轉(zhuǎn)軸上安裝轉(zhuǎn)子，然后在轉(zhuǎn)子上再安裝棒銷。分離裝置一般安裝在轉(zhuǎn)軸的端部或者安裝在轉(zhuǎn)子的一側(cè)，這種結(jié)構(gòu)決定了研磨機(jī)的研磨筒長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)軸的長(zhǎng)度需要更長(zhǎng)，從而限制了研磨機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的提高，導(dǎo)致研磨介質(zhì)和物料在研磨筒內(nèi)的線速度較慢，形成的剪切力較小，研磨不夠充分，達(dá)不到預(yù)定的研磨精度[2]。研磨筒長(zhǎng)度長(zhǎng)，物料通過(guò)率也較低，影響了研磨機(jī)的研磨效率。

優(yōu)化設(shè)計(jì)針對(duì)安裝了轉(zhuǎn)子的研磨機(jī)。由于分離器增加了研磨筒長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)了較大直徑的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與分離器相連的一側(cè)設(shè)有軸向的凹槽，分離器的一側(cè)安裝在研磨筒的一端蓋上并與出料管相連通，分離器的另一端穿過(guò)端蓋伸入到轉(zhuǎn)子的凹槽內(nèi)。這樣分離器在空間上與轉(zhuǎn)子和一側(cè)端蓋重疊，轉(zhuǎn)軸不需要增加長(zhǎng)度安裝分離器，從而可有效縮短研磨筒的長(zhǎng)度而增大直徑，轉(zhuǎn)軸可設(shè)計(jì)得短而粗，提高轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度，增加了物料和研磨介質(zhì)在研磨筒內(nèi)的線速度，對(duì)物料形成了較大的剪切力。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的研磨轉(zhuǎn)子采用環(huán)片組合式結(jié)構(gòu)，環(huán)片不僅可以一片片安裝和拆卸，而且可以單片重復(fù)生產(chǎn)，使得安裝拆卸簡(jiǎn)單、連接牢固可靠、清洗方便，加工簡(jiǎn)單、節(jié)約成本。新型轉(zhuǎn)子也可以按不同的產(chǎn)品研磨難度增加或減少轉(zhuǎn)子的排列和組合方式，進(jìn)一步擴(kuò)大研磨機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

對(duì)轉(zhuǎn)子組合式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化提升，轉(zhuǎn)子本體與棒銷采用可拆卸式連接，棒銷由連接部和研磨部?jī)刹糠纸M成，且連接部與研磨部也進(jìn)行可拆卸式連接。采用新型材料如用氮化硅制成棒銷研磨部，采用航空鋁制作轉(zhuǎn)子本體，進(jìn)一步減輕轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，減小了整機(jī)的負(fù)載，節(jié)約能耗。

經(jīng)過(guò)多年的研磨經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的研磨機(jī)采用了全封閉式研磨桶、分離器的直徑為研磨桶的1/2左右、分離器的長(zhǎng)度為研磨桶的1/3左右，可以形成超大的物料過(guò)流面積和高能密度的銷棒，優(yōu)化后的研磨機(jī)的生產(chǎn)效率為普通砂磨機(jī)的3 ～ 5倍。

2.2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于研磨機(jī)是利用棒銷的高速回轉(zhuǎn)帶動(dòng)物料和研磨介質(zhì)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生很強(qiáng)的離心力，使物料均勻分散研磨，同時(shí)物料與研磨介質(zhì)之間又形成剪切力，因此，物料在分散研磨的同時(shí)，有很多的能量轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能使被研磨的物料及整個(gè)機(jī)器的溫度迅速升高。傳統(tǒng)的降溫方法是在研磨筒內(nèi)設(shè)置冷卻水套，但效果不夠理想，降溫不明顯，研磨機(jī)得不到有效冷卻。為了提高研磨效率，需要重新設(shè)計(jì)一種高效的冷卻系統(tǒng)，使研磨筒的中心部位得到有效冷卻，進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度。

傳統(tǒng)的冷卻方法只能降低轉(zhuǎn)子中心部位的溫度。為了降低研磨機(jī)整體溫度，在不影響生產(chǎn)工藝的情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)采用了雙冷卻通道的形式。轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子之間設(shè)有相互連通的第一冷卻通道，冷卻液從轉(zhuǎn)軸處的第一冷卻通道流入，并從轉(zhuǎn)子處流出，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子的冷卻，也就是冷卻了研磨桶的中心部位。研磨筒與右端蓋之間內(nèi)設(shè)有相互連通的第二冷卻通道，冷卻液從研磨筒下側(cè)進(jìn)入研磨筒內(nèi)的第二冷卻通道，經(jīng)右端蓋從研磨筒上側(cè)流出，實(shí)現(xiàn)對(duì)研磨筒的冷卻。

研磨筒內(nèi)裝有多個(gè)溫度傳感器，冷卻泵和第二冷卻通道之間還設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥。當(dāng)研磨筒的溫度高于設(shè)置閾值時(shí)，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥加快冷卻液的循環(huán)速度，自動(dòng)調(diào)節(jié)研磨溫度。如果溫度過(guò)高，還可以通過(guò)智能控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的速度，直至系統(tǒng)停機(jī)。

兩個(gè)獨(dú)立的冷卻循環(huán)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了研磨筒降溫，也可冷卻轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子，使得整個(gè)機(jī)器的機(jī)械溫度降低，進(jìn)一步提高研磨效率，保證產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定。

2.3 控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的研磨機(jī)只控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和出料溫度，對(duì)研磨機(jī)中心部位的溫度和出料的粒徑?jīng)]有控制，更沒(méi)有對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。為了滿足智能化工廠的要求，將進(jìn)料系統(tǒng)、制漿系統(tǒng)、納米研磨、調(diào)配儲(chǔ)罐、過(guò)濾出料、噴霧干燥和罐裝7大系統(tǒng)聯(lián)合起來(lái)，通過(guò)各種傳感器采集需要控制和監(jiān)視的信息，使用高端PLC作為總控制單元，研磨主軸電機(jī)及進(jìn)出料泵的驅(qū)動(dòng)采用變頻器調(diào)速控制，對(duì)研磨筒內(nèi)部溫度和主軸轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了先進(jìn)的智能控制，配料、真空自動(dòng)吸料、分散、乳化、粗研磨、精研磨、冷卻、過(guò)濾、噴霧干燥、自動(dòng)灌裝等過(guò)程自動(dòng)控制，需要遠(yuǎn)程監(jiān)視的數(shù)據(jù)可以提過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面。如圖1為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)一種新的研磨筒轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、棒銷和分離器的連接結(jié)構(gòu)，從而縮短研磨筒長(zhǎng)度。

（2）采用雙水冷卻系統(tǒng)：在轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子之間設(shè)有相互連通的冷卻通道;研磨筒與右端蓋之間同樣設(shè)有相互連通的冷卻通道。研磨機(jī)有2個(gè)獨(dú)立冷卻循環(huán)系統(tǒng)，不僅可以對(duì)研磨筒降溫，也可以冷卻轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子，使得整個(gè)機(jī)器的溫度降低。

（3）設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠監(jiān)控研磨機(jī)內(nèi)環(huán)境狀況。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。研磨的物料不符合規(guī)格會(huì)自動(dòng)重新回到研磨筒內(nèi)，重新進(jìn)行研磨，直到符合要求為止。

（4）經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，增大分離間隙和過(guò)流面積，物料的通過(guò)率更高，進(jìn)、出料速度更快，提高研磨效率。

參考文獻(xiàn)

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