大流量棒销式研磨机的优化设计
王佳庆 雷立猛 肖忠
摘 要：本论文旨在优化一种大流量棒销式研磨机的设计。对传统研磨机的分离器、转子、冷却系统、控制系统等做出了改进，提高了研磨机主轴的旋转速度、降低了研磨中心部位温度，研磨机的生产效率得到了提升。
关键词：优化设计;研磨分离;研磨转子;棒销
1 前言
研磨是超细粉体的一种主要的加工方法，研磨机是实现研磨加工的装置。从最初的矿物加工和陶瓷行业的应用，到最近新材料的研制，研磨机已广泛地应用于各行各业，成为了一种普遍使用的加工设备和技术手段。研磨机由输送系统、研磨系统、分离系统、控制系统等组成[1]，其中研磨系统、分离系统、控制系统设计较为复杂。研磨机复杂的结构容易带来安装及维护成本较高、易磨损等问题，因此，在研磨系统、分离系统的结构及连接设计上，需要考虑更加简易、通用、高效等因素作为设计依据。研磨筒的转速是衡量研磨系统效率的一个主要参数，转速快会带来研磨系统的温度上升，在提高转子速度的情况下不影响系统的温升，就需要对系统的冷却系统进行改进。为了提升制造业的智能化水平，研磨设备需要实现网络化、智能化控制和管理。总之，传统大流量棒销式研磨设备的主要结构、冷却系统和控制系统需要进行优化设计。
2 系统优化设计
2.1 系统结构优化设计
大流量棒销式研磨机是一个复杂的机电系统，包括进料、制浆、研磨、调配储罐、过滤出料、喷雾干燥、罐装等生产工艺子系统，并能够独立完成配料、真空自动吸料、分散、乳化、粗研磨、精研磨、冷却、过滤、喷雾干燥、自动灌装等生产过程[1]。
棒销式研磨机的棒销安装在左、右端密封的研磨筒内，研磨筒固定在研磨机两侧的机架上。传统的棒销有两种设计方式：一种是在研磨筒内设有转轴，在转轴上直接安装棒销;另一种是在转轴上安装转子，然后在转子上再安装棒销。分离装置一般安装在转轴的端部或者安装在转子的一侧，这种结构决定了研磨机的研磨筒长度比较长，转轴的长度需要更长，从而限制了研磨机旋转速度的提高，导致研磨介质和物料在研磨筒内的线速度较慢，形成的剪切力较小，研磨不够充分，达不到预定的研磨精度[2]。研磨筒长度长，物料通过率也较低，影响了研磨机的研磨效率。
优化设计针对安装了转子的研磨机。由于分离器增加了研磨筒长度，设计了较大直径的转子，转子与分离器相连的一侧设有轴向的凹槽，分离器的一侧安装在研磨筒的一端盖上并与出料管相连通，分离器的另一端穿过端盖伸入到转子的凹槽内。这样分离器在空间上与转子和一侧端盖重叠，转轴不需要增加长度安装分离器，从而可有效缩短研磨筒的长度而增大直径，转轴可设计得短而粗，提高转轴的旋转速度，增加了物料和研磨介质在研磨筒内的线速度，对物料形成了较大的剪切力。
优化设计的研磨转子采用环片组合式结构，环片不仅可以一片片安装和拆卸，而且可以单片重复生产，使得安装拆卸简单、连接牢固可靠、清洗方便，加工简单、节约成本。新型转子也可以按不同的产品研磨难度增加或减少转子的排列和组合方式，进一步扩大研磨机的应用领域。
对转子组合式结构进行了优化提升，转子本体与棒销采用可拆卸式连接，棒销由连接部和研磨部两部分组成，且连接部与研磨部也进行可拆卸式连接。采用新型材料如用氮化硅制成棒销研磨部，采用航空铝制作转子本体，进一步减轻转子的质量，减小了整机的负载，节约能耗。
经过多年的研磨经验，优化设计的研磨机采用了全封闭式研磨桶、分离器的直径为研磨桶的1/2左右、分离器的长度为研磨桶的1/3左右，可以形成超大的物料过流面积和高能密度的销棒，优化后的研磨机的生产效率为普通砂磨机的3 ～ 5倍。
2.2 冷却系统优化设计
由于研磨机是利用棒销的高速回转带动物料和研磨介质转动而产生很强的离心力，使物料均匀分散研磨，同时物料与研磨介质之间又形成剪切力，因此，物料在分散研磨的同时，有很多的能量转化为热能，这些热能使被研磨的物料及整个机器的温度迅速升高。传统的降温方法是在研磨筒内设置冷却水套，但效果不够理想，降温不明显，研磨机得不到有效冷却。为了提高研磨效率，需要重新设计一种高效的冷却系统，使研磨筒的中心部位得到有效冷却，进一步提升转轴的旋转速度。
传统的冷却方法只能降低转子中心部位的温度。为了降低研磨机整体温度，在不影响生产工艺的情况下，优化设计采用了双冷却通道的形式。转轴与转子之间设有相互连通的第一冷却通道，冷却液从转轴处的第一冷却通道流入，并从转子处流出，实现对转轴和转子的冷却，也就是冷却了研磨桶的中心部位。研磨筒与右端盖之间内设有相互连通的第二冷却通道，冷却液从研磨筒下侧进入研磨筒内的第二冷却通道，经右端盖从研磨筒上侧流出，实现对研磨筒的冷却。
研磨筒内装有多个温度传感器，冷却泵和第二冷却通道之间还设置有流量调节阀。当研磨筒的温度高于设置阈值时，通过流量调节阀加快冷却液的循环速度，自动调节研磨温度。如果温度过高，还可以通过智能控制系统调节转子的速度，直至系统停机。
两个独立的冷却循环系统不仅实现了研磨筒降温，也可冷却转轴和转子，使得整个机器的机械温度降低，进一步提高研磨效率，保证产品品质稳定。
2.3 控制系统优化设计
传统的研磨机只控制电机转速和出料温度，对研磨机中心部位的温度和出料的粒径没有控制，更没有对生产现场的数据进行远程监视。为了满足智能化工厂的要求，将进料系统、制浆系统、纳米研磨、调配储罐、过滤出料、喷雾干燥和罐装7大系统联合起来，通过各种传感器采集需要控制和监视的信息，使用高端PLC作为总控制单元，研磨主轴电机及进出料泵的驱动采用变频器调速控制，对研磨筒内部温度和主轴转速等关键参数进行了先进的智能控制，配料、真空自动吸料、分散、乳化、粗研磨、精研磨、冷却、过滤、喷雾干燥、自动灌装等过程自动控制，需要远程监视的数据可以提过网络传送到远程监控画面。如图1为控制系统结构简图。
3 結论
（1）设计一种新的研磨筒转子、转轴、棒销和分离器的连接结构，从而缩短研磨筒长度。
（2）采用双水冷却系统：在转轴和转子之间设有相互连通的冷却通道;研磨筒与右端盖之间同样设有相互连通的冷却通道。研磨机有2个独立冷却循环系统，不仅可以对研磨筒降温，也可以冷却转轴和转子，使得整个机器的温度降低。
（3）设计了实时监控系统，能够监控研磨机内环境状况。当发生故障时会自动发出警报。研磨的物料不符合规格会自动重新回到研磨筒内，重新进行研磨，直到符合要求为止。
（4）经过优化设计后，增大分离间隙和过流面积，物料的通过率更高，进、出料速度更快，提高研磨效率。
参考文献
[1] 张国旺.超细粉碎设备及其应用[M].北京：冶金工业出版社，2007.
[2] 雷立猛. 纳米级大流量棒销式砂磨机.中国专利，CN 201596544 U.2010-10-06
[3] 王子辉，吴玉香. 纳米研磨设备分离装置的研究与设计[J]. 矿山机械，2017，45（10）：34-36.
[4] 王佳庆，雷立猛.卧式砂磨机的结构优化设计[J].机电工程技术，2018（2）：5-7.
