高效转子选粉机的设计分析[1].pdf

第33卷2005年第7期Mining&ProcessingEquipment分选6969efefefefefefefefefefefefefefefeefefefefefefefefefefefefefefefe选粉机在矿山物料和水泥行业的粉磨系统中有着举足轻重的作用，随着选粉机从第一代的离心式和第二代的旋风式选粉机之后，已发展了第三代的高效转子式选粉机，近年来在水泥行业中得到了广泛的应用。在高效转子选粉机的设计过程中，如何提高系统的效率，降低电耗,提高使用寿命，能更加合理和科学的选择和设计其结构，以提高选粉机的性能,是我们要考虑的问题。1工作原理高效转子式选粉机结构见图1所示。出磨物料由选粉机上部加料口喂入，落到与转子成一体的撒料盘7上。转子随主轴转动时撒料盘上物料在离心力的作用下沿径向甩出而分散于选粉室5内。与旋转上升的气流相遇，在选粉室内，分级圈6表面附近的气流及分散于气流中的物料在分级圈的带动下与分级圈一起作高速旋转，而使气流中的物料受到较强的离心力，该力的大小可通过改变主轴2的转速来调节。当转速增大时，该力也增大，此时如保持处理风量一定，则切割粒径将减少，产品变细；如转速降低，则产品变粗。在工作中产品的细度可根据其他结构调节控制，如风量、风速等。选粉机的选粉过程主要分为3个环节，即物料的分散、分级及细粉的分离。为保证选粉机具有良好的分级性能，设计时必须使这3个环节得到妥善解决，即物料充分、均匀的分散，稳定的分级力场，机会均等、充分的物料分级和细粉的高效率分离。在设计中我们通过分析计算，以确定系统的主要参数，并依据这些参数进行电机和风机的选型，以及主轴、进风管、回风管、选粉室、分级圈、撒料盘、滴流装置、细粉收集筒、粗粉收集筒、进料斗等结构的设计。在选粉室的设计过程要充分考虑到设备的磨损和维护的问题，所以要考虑加衬板，挡灰板和检查门等。2结构分析由于我们所设计的高效转子选粉机是利用不同粒径的颗粒在空气介质中受力情况的不同而对粉体颗粒群进行分级的选粉设备，因此，在确定模型结构之前，首先对分散于气体介质中的固体颗粒进行受力分析。在空气介质中的粉体颗粒，除了受到所熟知的气体阻力、颗粒重力G及浮力F外，还受到压力梯度力、虚假质量力等力的作用，根据受力分析及物料分选过程的分析，结合各类空气选粉机的结构与性能特点，来选择设计的转子式选粉机模型结构。(1)采用离心力场作为分级力场，结构上采用笼式转子。考虑到选粉机内气流运动及分布的特点，转子采用倒锥形结构，以保证选粉机分级室内分级力场的稳定。(2)笼式转子与撒料盘通过支座一起安装在主轴上，主轴由调速电机传动，从而保证了分级力场的强度可通过改变电机转速灵活调节，以改变分级力场中颗粒的受力情况，控制分级的切割粒径，调节产品的细度与粒度组成。(3)采用撒料盘利用离心力的作用向上抛撒物料，在撒料盘上可以安装的角铁或开槽使物料能比较均匀地分散于分级区内。为了转子运动部件的稳定论文编号：1001-3954(2005)07-0069-71高效转子选粉机的设计分析陈蕾谈峰戴娟长沙大学(北院)工程系湖南长沙410003筛板能成为商品化产品进行市场，用户不需任何再加工即可安装使用，石矿不再需要专职筛板钻孔人员，改变了用户自购钢板、自加工筛板的落后状况，节省了大量的人力、物力；(2)节省了大量的钢材由于耐磨性的提高，使用寿命的延长，每年可为国家节约大量的钢材。原来用钢板钻孔的筛板，材料实际利用率仅为1/2，大量的钢材变成铁屑，铸造高锰钢筛板的孔可直接铸出，仅此一项就可比原来节约一半钢材；(3)提高了生产效率普通钢板钻孔制成的筛板，由于耐磨性差，更换频率高，影响正常的生产，高锰钢筛板的使用寿命比普通筛板要高，可较大地提高劳动生产率；(4)提高了石料筛分质量筛板筛孔在长时期内不被磨损，保证了石料筛分的统一规格，提高了石料质量。参考文献1张妍，符寒光.抗高温磨损高铬铸铁的研究.热加工工艺，2002(2)2陈华，符寒光.耐磨铸铁筛板的研究和应.钢铁研究，2002(2)(收稿日期：2005-05-08)1.驱动装置2.主轴3.分叉风管4.旋风管5.选粉室6.分级圈7.撒料盘8.滴流装置9.细粉收集筒10.粗粉收集筒11.主进风管12.风机13.调节阀14.风管15.风管弯头图1高效转子式选粉机示意图高效转子选粉机的设计分析第33卷2005年第7期分选Mining&ProcessingEquipment7070性，可以考虑方案一：在撒料盘上安装四根角钢支撑分级圈座，用螺栓固定，撒料盘与轴配合的凸台铸为一体；或者方案二：铸造一个撒料盘座与撒料盘用螺栓固定，撒料盘座四个支架支撑分级圈座，同时用四个螺栓把撒料盘与分级圈座定位，这种结构相对而言更加稳定。(4)采用滴溜装置，以稳定选粉室内的气体流场，并与环状进风的一起形成二次分选结构，增强二次分选的效果。(5)细粉的收集采用46个高效旋风筒，布置于选粉机主体的四周形成一整体，一方面可提高细粉的分离效率；另一方面与其它高效选粉机相比，可简化系统流程，节约系统投资，在选粉机模型结构上，因受空间布置及其它的限制，细粉的收集一般采用较大直径的旋风筒。(6)选粉机的处理风量采用外部循环风机供给并可根据工艺要求调节。这样，处理风量的变化也可起到调节分级力场强度、控制产品细度与粒度组成的作用。3主要参数和关键部件结构计算3.1产量转子式选粉机的产量与选粉室面积大小成比例，根据生产实践的数据近似地换算成与选粉机内锥体直径的比例关系Q=7.2d2式中Q转子式选粉机的产量，t/hd内锥体直径，m所以d=7.2Q/3.2风量根据生产经验，当操作温度为100，产品细度80m，高孔筛筛余是6%8%，粉料浓度为500g/m3时，选粉室中上升气流速度，v=3.44m/s按此气流上升速度算出风量后，考虑漏风量增加10%，即可作为风机的风量。W=1.13600vS式中v速度，3.44m/sS选粉室截面积，m2W鼓风机风量，m3/s以上例可知，风量一般可以根据给出的一些条件，利用手册查得经验值并计算出来。3.3风机选型风机的风压一般取2.35kPa(20)，一般通风换气及逆风故选取离心通风机，转子式选粉机的体外风机可以依上查阅机械设计手册，或参考水泥工业粉磨工艺及设备推荐的常用风机型号。3.4旋风筒的直径转子式选粉机的直径可近似计算ds=0.438d3.5转子分级计算3.5.1受力分析在选粉室内，颗粒物料的运动速度分为三个互相垂直的分速度。轴向运动速度ve、切向运动速度vt,和由离心运动引起的。轴向运动速度we是由重力G径向速度wr和循环气流对颗粒的向上吹力F所决定的，(实际不是垂直向上的)大颗粒受的气流力小于重力沉降，而小颗粒的重力小于浮力，所以向上运动。现规定运动轨迹,正好甩出分级室时的粒子为临界分离粒dc，当ddc为粗粒排出，当ddc，细粉进入旋风筒。3.5.2受力计算当颗粒被甩离撒粒盘边缘后,在撒粒盘边缘的受力如上图2所示在撒粒盘离心力和转子的离心力的合力的作用下沿撒料盘边缘切线运动，移向内筒壁。设撒料盘半径为R1，内筒的半径R2则颗粒的切线长度L为L=2221RR(1)颗粒离开撒料盘时的速度，为撒料盘的外缘圆周速度。vt=2piR1n/60(2)颗粒在粒子离心力场下径向力为Fc，空气阻力Fd，Fc-Fd=ma，当粒子离开撒粒盘边缘后,作初速度为Wt的匀加速运动。因此物粒颗粒甩向筒体内壁所需时间为t1L=vtt1+12at12(3)解得t1=2tt2vaLva+=211(19.9)219.9RaLRa(4)分析分级区内离心分级力场中，现在我们只考虑粉体颗粒受到这两个力，粉体颗粒在分级面附近因气流的携带作用而高速旋转所产生的离心力Fc和径向方向上流体对颗粒的阻力Fd，假设物料的分级就是在这两个力的作用下完成。设颗粒的直径dc，选粉机切割粒径的大小，可根据上述分析的力学特性，进行理论上的推导。可假设：颗粒为球体，在分级过程中，器壁与颗粒、颗粒与颗粒间的距离足够远，可忽略相互间的影响干扰；流体为不可压缩的牛顿体，既速度梯度呈直线变化的理想流体；颗粒在分级面附近的回转速度与分级面的圆周速度相等。球形颗粒在离心力场中受到的离心力为Fc=pidc3(rj-rp)vt2/6(5)颗粒所受的气体阻力Fd=CDAprgvr2/2=piCDrgdc2vr2/8(6)颗粒在径向方向上的动力学方程符合牛顿第二定律式中CD气体的阻力系数，是颗粒雷诺数Re的反函数的关系式，与气体的流动状态有关rj气体密度，kg/m3rp气体密度，rp=3.57kg/m3rg颗粒密度，2720kg/m3dvr/dt颗粒径向加速度，m/s2vr颗粒径向沉降速度，m/sdc颗粒直径，m图2物料的受力图高效转子选粉机的设计分析Fc-Fd=(dur/dt)m=pidc3(rj-rp)vt2/6-piCDrgvr2dc2/8(7)第33卷2005年第7期Mining&ProcessingEquipment分选7171Ap颗粒迎流面积，m2R旋转半径，m公式(1)(6)均摘自文献1，根据上述分析的切割粒径的物理意义，当ddrvt=0，即Fc=Fd时，选粉机的理论切割粒径可由下式计算dc=2Dr2jpt34()gCvvrrr根据选粉机所处理物料的持续性及分级室内流场的分析，颗粒在分级室内的离心沉降属于层流沉降，符合Stokes定律，即CD24/Re24m/dcrgvr(9)由假设可知，颗粒的回转速度与转子的圆周速度相等，则有：vr=2pinR/60R1RR2(10)CD=6024m/2pinRdcrg=7204m/2pinRdcrg(11)将(10)、(11)式代入(7)式可得a颗粒的沉降速度为vr，向上的气流速度为ve，则颗粒上升的速度为v=ve-vr(查文献2)根据有关资料，查得ve=3.44.0m/s。取ve=4.0m/s设颗粒上升的距离h为撒料到分级室到旋风筒入口之间的垂直距离，颗粒上升所用的时间t2为t2=erhvv(12)为了使颗粒能进入旋风筒,必须使t1t2则有22219.9(19.9)2RRaLa+erhvv(13)查文献2，颗粒的沉降速度vr为vr=2tjpgD4()3cvdCrrr(14)将式(11)带入式(14)得vr，根据水泥工业粉磨工艺及设备，查得ve。把vr、a代入公式(13)求出选粉机的分级室的高度h。选粉机分级性能与操作参数有关。随着转子转速的增加，牛顿效率与分级精度增加，切割粒径减小，产品变细；处理风量提高。牛顿效率在实验范围内有最佳值。分级精度增加，切割粒径增大，产品变粗；加料速度增加，牛顿效率与分级精度降低，切割粒径减小，产品变细。5主轴的设计我们所设计的转子式选粉机的主轴主要是承受三个方面的力，一是轴带动转子旋转过程中产生的扭矩；二是由于物料落下对轴的轴向冲击力；三是承受自身、转子、撒料盘等的重力。主轴的设计均可参照机械设计手册相关内容。进行：(1)受力分析；(2)求输出轴上的功率、转速和转矩；(3)初步确定轴的最小直径；(4)轴的结构设计；(5)对轴承的强度较核的步骤进行主轴的设计。6撒料盘的设计撒料盘由主轴带动旋转。出磨物料由进料管落到撒料盘上，在离心力作用下被撒开抛出，与上升气流正交相遇。通常选粉机撒料叶片采用焊接的方法固定到选粉机转子上，这种方式在初次制作安装时容易找平衡，但在选粉机使用过程中，撒料叶片因磨损严重，更换时，用氧炔焰割下旧叶片，这对转子有一定损伤。另外在选粉机内安装撒料叶片时，作业难度较大，叶片安装角度很难控制，主轴在垂直方向转子不容易找平衡，为了解决这一问题，将撒料盘安装方法进行改进，改进的方案有多种，这里介绍的是以下方案如图3。铸造一个撒料盘座与撒料盘用螺栓固定，撒料盘座四个支架支撑分级圈座，同时用4个螺栓把撒料盘与分级圈座固定，这种结构相对而言更加稳定，解除了由于物料冲击造成的撒料盘失去平衡造成晃动的情况。而且撒料盘与其座可以拆卸更换。支架上为一环形钢板，不会因此挡住物料的下落。增加撒料盘与分级圈座之间的距离。7结语与传统的选粉机相比，高效选粉机具有如下特点：(1)物料在分级室内在较强的旋流及径向剪切力的作用下，物料分散性好且分级强度高，分级效率高；(2)分选物料经过分级界面分明的选粉区，各部分的选粉条件稳定不变，故该机的分级精度高；(3)细度调节方便可靠，且调节范围较宽，可通过调节主轴转速及风量灵活控制。总之，在这里介绍的高效转子选粉机的设计是在传统的基础上有着进一步的改进和创新，为从事高效转子选粉机或类似机型设计的工程人员提供一个可参考的依据，以满足水泥行业的