（材料加工工程专业论文）波形辊压机辊子波形的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着工业化、城镇化进程加快和消费持续升级，我国能源需求呈刚性增 长，资源环境约束日趋强化，国家的“十二、五”规划对节能减排的要求越来 越高。目前我国整体的工业生产技术水平低，作为工业生产中必不可少的粉 碎作业是一项耗能工序。传统粉碎作业高能耗的问题亟待解决。本文对一种 新型的节能、降耗的粉磨设备波形辊压机进行了深入研究，具有深远的 理论意义和较高的实用价值。 本文对粉碎理论进行了全面的阐述，同时对料层粉碎理论做深入的分 析，并且介绍了粉碎设备的发展情况。在“差速粉碎”理论的原理上，差速挤 压剪切粉碎理论和料层粉碎理论解释了波形辊压机的工作。分析波形辊的特 点，对波形辊压机、传统圆柱形辊压机以及其他差速辊压机进行比较，在理 论上解释了波形辊高效节能的粉碎特性。 本文提出了几种波形的波形辊，并分析了波形辊的波形函数以及其他的 工作参数，如辊子的间隙、压力、入磨粒度以及压力角。对现有的波形辊压 机试验机进行改造，增加了液压控制系统，完善试验机的性能。通过对比实 验，研究了波形辊压机与圆柱辊压机的粉碎特性，试验结果表明波形辊压机 具有优异的性能，最后对波形辊压机的工作参数进行了优化。 关键词：波形辊压机；工作参数；波形辊的改造 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l i z a t i o na n du r b a n i z a t i o n ，a sw e l la s c o n t i n u e de s c a l a t i o no ft h e c o n s u m p t i o ns t r u c t u r e ，t h ee n e r g yd e m a n do fo u r c o u n t r yi sg r o w i n gr i g i d l y , m e a n w h i l e ，r e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t a lc o n s t r a i n t s b e c o m ei n c r e a s i n g l ys e v e r e ，s ot h es e c o n df i v e y e a rp l a ne n h a n c e sd e m a n df o r e n e r g ys a v i n g t h eo v e r a l ll e v e lo fc h i n a si n d u s t r i a lp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yi s l o w c u r r e n t l y a sa ni n d i s p e n s a b l ep r o c e s s ，e n e r g yc r u s h i n go p e r a t i o nc o n s u m ea l a r g ea m o u n to fe n e r g y , w h i c hh a st ob es e t t l e du r g e n t l y p r e s s u r er o l l e r , an e w m o d e lo f e n e r g y 。s a v i n gp u l v e r i z i n ge q u i p m e n t ，w a ss t u d i e dd e e p l yi nt h i st h e s i s ， w h i c hi so fc e r t a i nt h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ed e v e l o p m e n to ft h et r a d i t i o n a lg r i n d i n ge q u i p m e n t ， a n d e x p l a i n e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ew a v e r o l l e rc o m b i n e dw i t h d i f f e r e n t i a l s p e e de x t r u s i o ns h e a rc r u s h i n gt h e o r ya n dt h em a t e r i a l1 a v e ro f c r u s h e dt h e o r yb a s e do nt h ep r i n c i p l e so fd i f f e r e n t i a l s p e e ds m a s h i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c so fw a v er o l l e rw e r ea n a l y z e dc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lc y l i n d r i c a l r o l l e ra n do t h e rd i f f e r e n t i a ls p e e dr o l l e r s t h ec r u s h i n gf e a t u r e so fw a v er o l l e r w i t he n e r g ye f f i c i e n tw e r ee x p l a i n e di nt h e o r y i nt h i sp a p e r , s e v e r a lw a v er o l l e r sw i t hd i f f e r e n tw a v e f 0 1 t n w e r ei n t r o d u c e d ， a n dt h ew a v ef u n c t i o no ft h ew a v er o l l e rw a sa n a l y z e d t h e e x i s t i n gw a v er o l l e r t e s t i n gm a c h i n ew a st r a n s f o r m e d ，t h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mw a si n c r e a s e d a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e t e s t i n gm a c h i n ew a si m p r o v e d t h eg r i n d i n g c h a r a c t e r i s t i c so fw a v er o l l e ra n dc y l i n d r i c a lr o l l e rw e r es t u d i e db ye x p e r i m e n t a l t e s t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er o l lp e r f o r m a n c eo fw a v er o l l e ri se x c e l l e n t f i n a l l y , t h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r so fw a v er o l l e rw e r eo p t i m i z e d k e y w o r d s ：w a v e t y p er o l l e rm i l l ；o p e r a t i n gp a r a m e t e r s ；t r a n s f o r m a t i o no f r o l l e r ；c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 选题的背景及意义 国家“十二、五规划”明确提出了节能减排的目标，即到2 0 1 5 年，单位 g d p 二氧化碳排放降低1 7 ；单位g d p 能耗下降1 6 ；非化石能源占一次 能源消费比重提高3 1 个百分点，从8 3 到1 1 4 ；主要污染物排放总量减 少8 到1 0 的目标。此外，“十二、五规划”中还明确了主要污染物控制种 类，在“十一、五”期间化学需氧量、二氧化碳这两个类别基础上，增加了氨 氮和氮氧化物两个类别的污染物控制指标。“十二、五”规划提出的约束性指 标更加明确了国家节能减排的决t l , 。 现代的工业生产消耗了大量的能量和原材料，由于技术水平的原因，生 产过程中普遍存在能源利用率低、材料浪费严重等问题。粉碎是工业原料加 工的重要工序。粉碎指对固体物料旋加外力，使其分裂为尺寸更小的颗粒一 种属于粉体工程的单元操作。在各种金属、非金属、化工矿物原料及建筑材 料的生产过程中，其原料常需粉碎到一定粒径才能使用。物料粉碎消耗了巨 大的能量，但是作业过程中产生发声、发热、振动和摩擦等作用，消耗了大 量的能源，所以物料粉碎是一个高能耗，低效率的工艺过程【。 水泥行业是我国国民经济建设的重要基础材料产业，也是主要的能源资 源消耗和污染物排放行业之一。2 0 0 9 年全国水泥总产量1 6 5 亿吨，水泥行 业能源消耗总量约占全国能源消耗总量的5 。2 0 1 0 年中国水泥产量达到 1 8 6 8 亿吨，产量占比全球5 0 以上。但是我们必须看到，水泥产业低产值 高能耗的问题非常突出。在当前的形势下，水泥工业属于急需治理的高耗能、 高排放行业，因此，水泥企业的注意力必须聚焦到节能减排上。具体一点说， 就是严格执行国家三大强制性标准：质量标准、环保标准和能耗标准【2 】【3 】。 粉体颗粒的制备是水泥生产中原料制备的基本手段，而粉体颗粒的制备 主要采用各种物料粉碎机械。把大颗粒原料加工到很细的粉体颗粒时，需要 消耗能量。据资料显示，粉磨作业采用传统的球磨机，耗电量约为全厂总耗 电量的6 5 7 0 ，而球磨机粉磨的有效利用率为1 2 。能量利用率非常 低，衬板摩擦损失4 3 ，齿轮摩擦损失8 1 ，筒体热损失6 4 ，空气热吸 收3 1 4 ，产品热吸收4 7 6 。由此可见，大部分的能量没有真正用在粉碎 物料上，有8 5 以上转变成热能损耗【4 6 1 。从表1 可以看出，不同的粉磨设备 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 电耗差距明显【 。因此改善物料粉碎的设备和工艺势在必行。 表1不同粉磨设备能耗比较 t a b l el e n e r g yc o n s u m p t i o no fd i f f e r e n tg r i n d i n ge q u i p m e n t 项目名称粉磨原理粉磨物料粉磨比表面积粉磨系统耗电 ( m 2 k g ) ( k w h t ) 球磨机( 闭路)单颗粒粉碎p 0 4 2 5 水泥 3 5 03 4 3 6 及研磨 辊压机( + 球磨料层粉碎、 p 0 4 2 5 水泥3 5 02 8 3 0 机)一次挤压 近年来学者们不断了粉碎应该“多碎少磨”的观点【b - 旧，。辊压机作为粉磨过 程中能耗最省的设备，在粉碎过程中用辊压机目前广泛使用的高能耗球磨机， 是粉碎节能的重点研究方向。但是传统辊压机由于自身结构设计的问题，存 在粉碎压力低，运行不稳定等缺点，因此开发新型的辊压机对提高粉磨技术， 降低粉磨能耗，提高经济和社会效益具有重大的现实意义 1 1 】【l 。 本课题对一种新型辊压机波形辊压机进行深入研究，并通过与传统 辊压机的对比实验验证了波形辊压机高效节能的优点。波形辊压机继承了传 统辊压磨优点，通过新的设计，增大了粉碎力，进一步提高了粉磨效率。 1 2 粉碎目的和机理以及粉碎的方式 1 2 1粉碎的目的和机理 人们进行物料粉碎的目的主要有： ( 1 ) 分解矿石中有用成份，剔除杂质； ( 2 ) 粒度分级，根据具体工艺，在工业生产中对原料的粒度分布的有 严格的要求； ( 3 ) 增大物料的比表面积，增加物料的反应能力和其他性能； ( 4 ) 新型科学研究的需要，如在一些功能材料，复合材料的生产中， 利用粉碎过程中的物理化学效应来让粉体表面改性，晶格变形和性变 1 3 - 1 5 ，。 物料受外力作用时，先产生弹性变形，当变形达到一定值时，材料内部 应力增大，在外力作用下继续变形，在最脆弱面破碎。物料破碎的部分显示， 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 该材料被垂直应力压碎( 或挤碎) ，或在剪切力的作用下滑移，或是二者共同 的作用下而被粉碎【】。 粉碎过程是一个物料尺寸变化的复杂过程。物料的变化与诸多因素有 关，主要有：材料的强度，硬度，韧性，形状，大小，湿度，密度和均匀性， 以及外部条件( 如材料粉碎的相互作用力和物料的分布) 1 1 7 。上述因素导致 的破碎过程中，至今尚未统一和完整的理论指导粉碎的生产。 1 2 2 粉碎的方式 粉碎方式主要有机械粉碎和非机械粉碎两类。工业生产中机械粉碎是主 要的粉碎的方法，机械粉碎指的是在机械力作用下进行的，根据粉碎机械施 力方式的差异，对物料施以挤压、弯曲、剪切、劈碎、研磨、打击或冲击等。 目前常用的粉碎设备，一般是以一种施力方式为主，配合其他作用力共 同粉碎，提高粉碎效率。按外力作用方式机械粉碎可分为：挤压粉碎、冲击 粉碎、剪切粉碎和磨碎： ( 1 ) 压碎：物料在两平面之间受到压力作用而被粉碎。挤压粉碎适用 于脆性物料。 ( 2 )劈碎：物料受楔状刀具的作用而分裂。多用于脆性、韧性物料的 破碎，能耗较低。 ( 3 ) 剪碎：物料在两个破碎工作面问，如同承受载荷的两支点( 或多支 点) 梁，不仅受到支点的劈力，还发生弯曲折断。多用于较大块的长或薄的 硬、脆性物料粉碎。 ( 4 ) 击碎：物料受到瞬间冲击力而被破碎。一般用于粉碎脆性物料，粉 碎范围很大。 ( 5 ) 磨碎：采用研磨介质，使物料受到摩擦、剪切作用而被磨削成为细 粒，多用于小块物料或韧性物料的粉碎r - s 1 9 ，。 非机械粉碎方式也有很多如爆炸粉碎、水力粉碎、超声波粉碎( 物料被 高频振荡超声冲击粉碎) 、热裂粉碎、高频电磁波粉碎( 用3 0 0 0 m h z s 以上 的高频或超高频电磁波让物料表面产生极高温而被巨大张力粉碎) 。 物料的粉碎方式很多，但是任何一种粉碎方式在物料受外力作用时，粉 碎总是发生在产生应力集中的最脆弱面。粉碎后的物料，原有应力脆弱面减 少甚至消失了，却又形成了新的更微小的脆弱面。物料的内部结构随着物料 粒度的变小，更加稳定，物料变得不易被粉碎。因此粉碎越小的物料，能量 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 消耗越大，即同样的物料磨碎要比破碎的能耗高。因此在生产中我们要想降 低粉碎的综合能耗，必须确定合理的粉碎产品粒度 2 0 2 1 2 5 。 1 2 3 三大粉碎模型 r o s i n r a m m l e r 等学者认为 2 6 1 ，粉碎后的粒度组成是二成分的甚至是多 成分的。所谓二成分性就是整个粒度分布包括粗粒和微粉两部分的分布。其 中粗粒部分，为过渡成分，由设备出口间隙的大小决定；而微粉部分，为稳 定成分，取决于原料的特性。 从粉碎产物粒度分布的二成分性，我们可以推导出物料的的破碎过程有 两种或以上的不同破碎形式的组合，而不是由连续单一的破坏形式。在这个 发现的支持下，德国的研究人员提出了粉碎的三种破坏模型：即体积粉碎模 型、表面积粉碎模型和均一粉碎模型【2 7 1 。 ( 1 ) 体积粉碎模型，主要从体积上的变化进行分析，大颗粒被破碎成许 多粒度中等的颗粒，这些中等颗粒又被粉碎成细颗粒并具有一定的粒度分布， 随着粉碎的继续进行，这些细颗粒最终被粉碎成微粉即产品的稳定成分。 ( 2 ) 表面粉碎模型，指的是粉碎只在颗粒的表面产生，颗粒表面不断被 削下微粉成分，直至整个颗粒被完全粉碎，在最初阶段，粉碎并不涉及颗粒 内部。 ( 3 ) 均一粉碎模型，在粉碎力的作用下，颗粒产生发散性地破坏，直接 碎成微成分。 但是随着对粉碎模型的研究深入，人们发现一般情况下，实际的粉碎是 体积粉碎和表面粉碎两种模型的叠加，表面粉碎构成稳定的细粉成分，体积 粉碎构成过度的初碎成分，从而形成二成份分布【2 8 】【2 9 1 。若将体积粉碎看作冲 击粉碎，则表面粉碎可看作摩擦粉碎。但我们必须注意体积粉碎不一定是冲 击粉碎，如果冲击力太小，冲击粉碎有时就表现为表面粉碎。而摩擦粉碎过 程，伴随着物料的压缩，物料的压缩体现为体积粉碎f 3 0 1 。 1 3 粉碎理论的发展 其实几千年前古人制陶，冶炼，开山碎石就是一种粉碎作业，我们的生 活生产中一直采用粉碎工艺。但是直到第一次工业革命之后，粉碎才形成较 系统的理论，并开始大规模的使用。1 8 6 7 年，学者p rv o nr i t t i n g e r 提出一 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 个崭新的概念破碎粉碎理论，它首次定量的解释了物料粉碎状态的改变 和能量消耗的内在关系，为以后粉碎领域的理论发展做出重大贡献。1 9 世纪 后期，出现了一些更有价值的能耗理论，如大家比较认可的表面积假说、体 积假说、裂纹假说和统一能量方程式【3 l 】。但是早期的粉碎理论研究，只能说 明粉碎机械能消耗与被碎物料粒度降低量之间的关系。 事实上用粉碎能耗来研究粉碎过程或固体的破碎程度的方法是不完善 的。因为能量驱动机械传动过程中以摩擦和声响的形态损失掉了，这种损失 是可以测定的；而粉碎机械本身之内的一些能量损失却无法估算出来，其中 包括颗粒受到摩擦而不碎裂造成的能量损失、动能和势能损失、颗粒弹性和 塑性变形造成的能量损失、粉碎过程中的机械化学行为造成的能量损失等 引。因此，粒度减小只是能量消耗的一种间接结果，整个粉碎作用才是粉碎 机械操作的结果。 1 3 1强度理论 工业粉碎用的物料，一般都来自于天然矿山、井下的开采或工业生产， 这些物料内部本身都存在着许多局部薄弱面。有外力作用时，这些局部薄弱 面周围容易产生应力集中，随着外力增加，应力集中将更大，破坏加剧、裂 纹扩展开始，必然导致物料的破坏。实际上强度值是随被粉碎物料的形状、 大小变化而变化的，物料粒度越小，强度值显著增大。因为物料越大，其不 均质性也越大。在物料中的各组份对强度的作用不是叠加的，也不是各组份 的平均值，而是最小值。极少量的薄弱部位决定了物料整体的物理性质【3 2 1 。 1 3 2 能耗理论 粉碎过程其实是一个外力做功过程，物料颗粒粒径的减小与能量消耗之 间的关系一直是粉碎学家研究的焦点【3 3 1 。一百多年来，许多科学家提出一些 精辟的理论，虽然这些学说都是从一些不切实际的假设开始，但是他们最终 研究的结果，在某一方面具有很大的适应性。比较广为认可的有三大能耗理 论：表面积假说、体积假说和裂纹假说。 ( 1 ) 表面积假说 18 6 7 年雷廷智( p p v o nr i t t i n g e r ) 提出，粉碎过程是物料有大球形变成 小球形的过程，物料表面积是增加的，粉碎过程中的能耗与物料表面积的增 加成正比，或内力的单元功d a l 与物料的断面面积增加量d s 成正比，即 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 批o c d s 【8 】。实践证明，该理论用于粉碎过程能耗计算，当粉碎产品粒径范围 在0 0 1 l m m 时，比较适合，雷廷智假说认为粉碎所做功全部用来克服新生 表面分子之间的内聚力，这种假说只能用在比较理想的情况，要求物料在粉 碎过程中没有变形，且各向同性，没有解理和层理结构；当破碎比很大( i 1 0 ) ， 这种假说的测试结果和实际情况比较接近【3 4 】。 ( 2 ) 体积假说 1 8 8 5 年基尔皮切夫( f k i c k ) 提出，物料粉碎过程，是由一个大圆柱体 受到挤压力的作用，在其内部引起应力和产生应变，应力达到极限，导致物 料破坏，变成形状相似的小圆柱体，同时每次的粉碎比都相同，粉碎所消耗 的能量与物料的体积或质量的减小成正比，或内力的单元功d a 2 与物料的粉 碎后体积变化量d v 成正比，即d a 2 = k 2 d v , 实践证明，当粉碎产品粒径范围 大于1 0 m m 时，用于粉碎过程能耗计算比较适合。体积假说是以弹性形变理 论为基础，体积假说也是以理想条件为前提的，不考虑物料的形状、性质， 也不考虑物料粉碎后增加的表面积；体积假说适用于粉碎比不是很大的物料， 这是因为粉碎比小，粉碎后的物料产生的新表面积比较小，能量主要消耗在 物料的变形上；体积假说比较适合物料的压碎和破碎等【35 1 。 ( 3 ) 裂缝假说 1 9 5 2 年邦德( f c b o n d ) 提出，物料粉碎的过程其实是正方体在受到压 应力的情况下，积累一定的能量后产生了裂纹，由于裂纹的扩展，纵横交错， 形成无数大小相同的小正方体，最后才被粉碎。粉碎所消耗的能量与正方体 的边长( 颗粒平均粒径) 的平方根成反比。裂缝假说是介于表面积假说和体 积假说之间的一种理论，即a 3o c1 4 d ，对每一个颗粒所消耗的功 a 3o c d 3 j d = d 5 = 昭，所以有d a 3 = k 3 d 飚，实践证明，当粉碎产品粒径 范围在1 1 0 m m 之间时，用于粉碎过程能耗计算比较适合；裂缝假说认为， 物料在受n j b 来作用时，先产生变形，当变形到一定程度后，物料内部薄弱 面产生微小细裂纹，变形能集中在这些微小细裂纹附近，使得裂纹不断扩展， 最终导致物料破裂【3 6 】。 1 3 3 粉碎理论发展的趋势 在粉碎强度理论和能耗理论的综合指导下，世界上越来越多的专家和学 者开始在物料粉碎机理、能量平衡及粉碎过程定量描述等方面进行了大量的 试验研究，提出了很多有价值的理论，使物料的粉碎理论实现具体化和实用 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 化。随着现代力学和实验技术的不断发展，有专家提出了高压料层挤压粉碎 理论，即物料在高压下产生应力集中引起裂缝并扩展，继而产生众多微裂纹， 形成表面裂纹最终达到物料破碎【37 1 。高压料层粉碎消除了物料在机械破碎时 所产生的大量飞溅残片所带走的破碎能量的浪费，降低了大量的能耗，也使 得这一理论占据粉碎的理论的前沿，开始引领新一代粉磨设备的开发。 1 4 国内外粉碎设备的发展现状以及发展趋势 1 4 1国外粉碎设备的发展现状 近年来，由于复合材料、新型陶瓷、电子材料等许多尖端技术方面的迅 速发展，国外对超细粉碎及分级设备、工艺、微细颗粒粒度测定等方面的研 究十分活跃。在一些先进的工业化国家，微米级超细粉碎设备己渡过了其发 明时期，而进入成熟、配套、完善的阶段，粉磨设备的研究朝着亚微米级超 细粉碎和微米级精密分级的方向发展。粉碎技术的发展主要表现在产品微细 化、微粉功能化、设备自动化、节能新工艺和新设备及低污染高强度材料的 应用等方面【3 8 6 3 - 6 8 】。 1 4 2 国内粉碎设备的发展现状 自2 0 世纪8 0 - 年代以来，我国的粉碎工程研究开始大跨步的前进，主要 是为了提高粉碎过程的效率和满足一些产品的粒度要求【39 1 。8 0 年代中期，我 国开始大规模的研究和制造粉碎机械，主要研究的有气流粉碎机的研究、超 细粉碎机、搅拌球磨机和塔式磨机的研究。当时，我国主要以引进国外先进 的设备和技术为主【4 0 】。经过二十几年国内技术人员的努力，我国的粉体加工设 备发展迅速，超细粉碎和精细分级设备的制造厂商已超过1 0 0 家，能生产气流 磨、机械冲击式磨机、搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、连续式 行星球磨机、塔式磨、旋磨机、分级自磨机、高压射流粉碎机等各种超细粉 碎和各种干式和湿式精细分级设备【4 1 1 ，有的设备在性能上己接近国外同类设 备的水平。 但是同国外的先进技术设备相比，我国的粉碎技术仍有不少差距： ( 1 ) 研制成功的超细粉碎设备中，有的在结构设计、材质及加工精度等 方面，与国外先进设备相比还有一段距离； 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 2 ) 产品的深加工档次低、系列少，对用户的需求针对性差； ( 3 ) 缺少高效的超细分级设备与粉碎设备配套【4 2 6 7 - 7 2 】。 1 4 3 粉碎设备的发展趋势 未来粉碎技术和粉碎设备发展方向主要包括下面四个方面 ( 1 ) 降低能耗方面，争取有一天找到一种新的理论突破三大粉碎理论， 使得在粉碎中更节能。 ( 2 ) 研究新的非机械力的高能或多力场联合作用的破碎设备，( 本文研 究的波形辊压磨就是靠压力和剪切力联合作用的粉碎设备) 开发粉碎与分级 相结合的闭路工艺及设备，从而降低能耗，提高生产率； ( 3 ) 提高和改进现有粉碎设备的性能，降低生产成本，提高生产效率， 增加设备的品种和机型，优化设备参数，实现工艺研究和设备开发的一体化， 针对具体物料特性，进行设备开发设计； ( 4 ) 对粉碎理论进行深入研究。 当今伴随着工业发展，人们生活水平越来越高，同时对生活环境的要求 也越来越高，但是工业的增长必然导致能源及环境负荷的增大【4 3 】。 1 5 本课题研究内容 本课题详细研究物料粉碎机理，分析传统粉碎设备的粉碎性能，在高压 料层粉碎技术的基础上，深入研究差速挤压粉碎，对目前提出的正弦式和圆 弧段式波形辊理论进行对比研究。改造并优化现有的正弦波形辊压机试验机， 并针对石膏、石灰石和矿渣这三种物料进行辊压实验，验证波形辊压机与普 通圆形辊压机的辊压优势，优化波形辊参数，对波形辊压机针对不同物料的 粉碎生产起到指导作用。 本课题主要研究内容： ( 1 ) 对当前的主要粉碎理论及传统水泥粉碎设备进行研究分析比较； ( 2 ) 探讨了波形辊压机的原理并对圆弧式、正弦式波形辊进行分析； ( 3 ) 对现有波形辊压机试验机进行了液压改造，增加液压控制系统； ( 4 ) 通过对比辊压实验，证明波形辊压机高效节能的特性； ( 5 ) 优化辊压机结构与工作参数，寻找波形辊压机最优粉碎条件。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 波形辊压机的深入研究 2 1 单颗粒粉碎机理与设备 2 1 1 单颗粒粉碎 单颗粒粉碎在8 0 年代以前一直占据着粉碎研究的主要领域。单颗粒粉碎 是颗粒在压缩应力的作用下产生变形的过程。外力对颗粒所作的功转化为颗 粒中的弹性应变能【4 4 1 。随着外力的增加，颗粒中的弹性应变能逐渐增加，当 外力达到颗粒的强度时，颗粒就突然失稳破裂。破裂面的扩展速度很快，其 扩展所需的能量全部来自颗粒内贮存的弹性应变能。但是，颗粒中的弹性应 变能并未全部用于破裂面的扩展，碎裂发生后，剩余在颗粒内的弹性应变能 消耗于颗粒的非弹性变形、碎块动能、碎块之问的摩擦损失、质点振动、电 磁辐射等，也就是说外力输人颗粒内的应变能当颗粒碎裂后全部被消耗。因 此，单颗粒粉碎的能耗应等于该颗粒粉碎前贮存的弹性应变能，而与颗粒粉 碎后的碎块大小、形状以及新生表面积和裂缝无关【4 4 1 。 球磨机与辊式破碎机都是经典的单颗粒粉碎设备。 2 1 2 单颗粒粉碎设备 球磨机的构造如图2 1 所示，它有一个圆形简体，筒体两端装有带空心 轴颈的端盖，端盖的轴颈支承在轴承上，电动机通过装在简体上的齿轮使球 磨机回转，在筒体内装有磨矿介质( 钢球、钢棒或砾石等) 和被磨的矿石， 其总装入量为筒体有效容积的2 5 4 5 。 球磨机的工作原理：筒体按规定的转速绕水平轴线回转时，简体内的磨 矿介质和矿石在离心力和摩擦力的作用下，被简体衬板提升到一定的高度， 然后脱离筒壁自由泻落或抛落，使矿石受到冲击和磨剥作用而粉碎。矿石从 筒体一端的空心轴颈不断地给入，而磨碎以后的产品经筒体另一端的空心轴 颈不断地排出，简体内矿石的移动是利用不断给入矿石的来实现的。湿磨时， 矿石被带走。干磨时，矿石被向筒体外抽出的气流带走【4 5 l 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 图2 1球磨机工作示意图 f i 9 2 1 t h ew o r k i n gd i a g r a mo fb a l lm i l l 辊式破碎机作为一种有上百年发展历史的破碎机型。由于其结构简单、 工作可靠、过粉碎现象少、产品质量高、能进行超细破碎等特点，而被广泛 应用到中低硬度脆性物料的粉碎作业中。 辊式破碎机主要由辊轮组成、辊轮支撑轴承、压紧和调节装置以及驱动 装置等部分组成。辊式破碎机的两辊轮之间装有楔形或垫片调节装置，楔形 装置的顶端装有调整螺栓，当调整螺栓将楔块向上拉起时，楔块将活动辊轮 顶离固定轮，即两辊轮间隙变大，出料粒度变大，当楔块向下时，活动辊轮 在压紧弹簧的作用下两轮间隙变小，出料粒度变小。通过增减垫片的数量或 厚薄来调节出料粒度大小的，当增加垫片时两辊轮间隙变大，当减少垫片时 两辊轮间隙变小，出料粒度变小。辊式破碎机按照规格可分为：对辊式破碎 机，四辊式破碎机，齿辊式破碎机，如图2 2 。 图2 2 f i 9 2 - 2 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 2 2 料层粉碎的原理和设备 2 2 1 料层粉碎的原理 与单颗粒粉碎比，在粉磨中，物料被粉碎的方法不一样，它是以一种物 料床层( 颗粒群) 的堆积方式来接受外力，直接受外力作用的颗粒很少，大 部分是通过颗粒之间的传递、或相互作用，应力集中而被粉碎、破坏，这就 是“料层粉碎”，也称“料床粉碎”【4 6 1 。 1 9 7 2 年德国学者舒纳德( s c h o n e r t ) 在前人研究基础上，从能量需求观 出发，研究了在不同粉碎方式下单颗粒脆性物料的粉碎，并用高压挤压方式 进行了料层粉碎，验证了料层粉碎所需能耗大大低于传统球磨机粉磨的方式 4 7 1 。 与单颗粒粉碎对比，料层粉碎特点： ( 1 ) 物料一次接受的能量巨大。物料形成料层在短时间内通过压力区 时受到高压力的挤压并接受大量的能量输入。 ( 2 ) 物料层进入压力区后，挤压力在物料之间传递，物料层中强度低、 颗粒大、缺陷多的物料很快被压碎成细小颗粒填充于间隙中，使料层容重加 大。 ( 3 ) 物料被粉碎的过程是料层被压缩的过程。 ( 4 ) 粉碎的效率取决于一次性输入单位物料内的能量。排除分散和分 选的影响因素，就料层粉碎而言，同样物料在相同的时间内吸收的粉碎功越 多，粉碎效率就越高。 ( 5 ) 调整设备的磨辊压力、料层厚度等都是调整能量输入的手段。其 粉碎效果取决于单位重量物料所吸收的有效粉碎能量，通常粉碎设备主电机 电流反映较为直接【4 引。 2 2 2 料层粉碎的设备 料层粉碎理论作为区别于单颗粒粉碎理论在近年中被广泛应用于水泥行 业。立磨、辊压机、筒辊磨三者是水泥工业中运用最多的粉磨设备，虽然在 工作原理上有些不同，但本质上都运用了料层粉碎理论。可以说料层粉碎原 理指导了新型粉磨技术和装备的发展，并且开始逐步取代传统球磨机在粉磨 作业的地位【4 9 1 。 尽管立磨、辊压机、筒辊磨都是应用料层粉碎原理，但各自有其特点。 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 挤压力的形式构成、压力大小、排料方式、粉磨与分选结合方式等都不同， 所以尽管粉碎原理相同，这些差异也对产品的性能及其构成产生影响。 立式辊磨机，与卧式安装的球磨机比较，由于这种磨机是站立式使用方式， 水泥行业内习惯称其为：立式磨、立磨。如图2 3 ，立磨的工作原理：物料 经导料管进入磨盘中央，利用离心力将物料喂入磨辊、磨盘之间的压力区， 经粉磨后排出磨盘由风力带到选粉机去分选。目前立磨主要应用于水泥生料、 煤粉制备、超细矿渣粉磨等。立磨集细碎、烘干、粉磨、选粉、输送为一体， 具有粉磨效率高、电耗低( 比球磨机节电2 0 3 0 ) 、烘干能力大、产品细 度调节方便、工艺流程简单、占地面积小、噪音低( 比球磨机低2 0 分贝) 、 金属消耗少、检修方便等优点【5 0 】。 裒纛耱囊蔽醺囊舞辩努滚区城 图2 3立式磨工作原理图 f i 9 2 - 3 t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fv e r t i c a lr o l l e rm i l l 辊筒磨又称：“h o r o 磨”，如图2 - 4 ，它的工作原理是：喂入物料靠超 临界转速紧贴于磨机内壁由磨辊进行挤压，挤压后的物料用刮刀铲下，通过 物料流速控制装置，稳流仓两辊之间的压力区挤压后的物料靠重力排出，由 机械或风力送至分选设备分选或进入后续设备继续粉磨。筒辊磨对所粉磨的 物料采用一次进入，多次挤压的方式，使物料在磨内粉磨的次数做到人为可 控，此外，由于拉入角大磨机筒体超临界运转料层的稳定性好在水泥成品的 预粉磨和终粉磨以及水泥生料终粉磨都有成功应用【5 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 - 4辊简磨工作原理图 f i 9 2 - 4 t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fh o r om i l l 如图2 5 所示，辊压机的工作原理：物料由稳流仓喂入，被挤压辊连续 带入辊间，靠液压系统作用在活动辊上，在两辊子问形成1 2 0 1 8 0 m p a 的高 压区，物料受到料层的高压作用后，变成密实的料饼从机下排出。排出的料 饼，除了大量的细粒成品外，在非成品颗粒的内部，产生大量裂纹，易磨性 明显改善，降低粉磨能耗。 图2 5辊压机工作原理图 f i 9 2 5 t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fr o l l e rp r e s s 有资料显示在粉磨3 0 0 m 2 k g 比表面积时各种磨机的效率比值，见图 2 6 【5 2 1 。在破碎和粗磨阶段，辊压机的粉碎效率最高，在水泥成品的预粉磨和 联合粉磨中其效率高于立磨和筒辊磨，因此得到广泛的应用。 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 ；。羿 ! ： 镘婪 鹦糕黎 图2 - 6 粉磨3 0 0 m 2 k g 比表面积时各种磨机的效率 f i 9 2 6 v a r i o u sm i l le f f i c i e n c yo fg r i n d i n g3 0 0 m 2 k gs p e c i f i cs u r f a c ea r e a 2 3 波形辊压机的开发与研究 2 3 1 差速辊压粉碎的机理 低粉碎比和高压力粉碎是传统辊压磨最常见的两个特征【2 4 1 ，传统辊压磨 只适合粉碎中低硬度的物料，当被粉碎矿物的硬度过大时，一般不采用辊压 机，这就限制了辊压机的使用范围，很多优势得不到发挥。针对传统辊压机 的缺点，近年又有专家提出差速辊压粉磨技术。差速辊压粉磨技术的基本原 理就是制造俩个辊子的线速度差，在产生径向的料层粉碎挤压力的同时，又 可以利用线速度差引起的切应力对物料进行磨碎，在这两种粉碎力的综合作 用下，颗粒经过挤压、剪切、弯曲产生裂纹直至粉碎，提高了粉碎效率。 随着人们对差速粉碎机理的研究越来越深入，差速辊压设备也随着诞生。 最早出现的差速辊压设备是椭圆形辊压机。在差速辊压粉碎原理指导下，王嘉 祥在1 9 9 9 年做过类似的研究【53 1 。如图2 7 所示，他发明的椭圆形压辊有长、短 两个轴径，当中心轴做匀速圆周转动时，俩个椭圆形压辊的线速度产生周期性 的变化，当两个椭圆形压辊不等径组合、相向回转时，其相接触部位就产生了 规律性的速差效应。他利用岩性不同的岩矿样品做了对比性粉碎实验，证实了 椭圆形辊粉碎性能优于传统的等径圆柱形辊和不等径圆柱形辊。 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 厂 一 、 鋈 l。 s o_ 图2 7椭圆形辊压机工作示意图 f i 9 2 7 t h ew o r k i n gd i a g r a mo fo v a lr o l l e rp r e s s 2 3 2 波形辊压机的工作原理与特点 本文研究的波形辊压机，也是差速辊压机的代表。与传统的圆形辊压机 不同的是，波形辊压机利用两个全等的波形压辊等角速度相向转动，利用俩 个波浪形的辊子瞬时线速度差，得到差速辊压的效果。 如图2 8 所示，波形辊压机工作时，辊压磨两磨辊相向运动，把物料带入两 辊之间，随着磨辊的转动，挤压腔空间变小，物料的料床粉碎压力不断增大， 受到高压料层作用后，变成密实的料饼从机下排出。排出的料饼，经过打散， 筛分，得到一定比例的细粒成品和已产生大量裂纹的非成品颗粒。通过进一 步的粉碎，可较大提高粉磨效率。 图2 8波形辊压机工作示意图 f i 9 2 - 8 t h ew o r k i n gd i a g r a mo fw a v er o l l e rp r e s s 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 波形辊压机的特点： ( 1 ) 从结构上来说，波形辊压机继承了传统辊压机的基本结构，只是调 整了辊子的形状，无需改变传统辊压机的传动装置，可以在原来的传统辊压 磨基础上进行设计改装。 ( 2 ) 从效率上来说，波形辊压磨是基于差速粉碎理论设计出来的，它不 但拥有传统辊压机的粉磨效率高于其他粉磨设备的优点，并且利用差速辊压 的特效，更加提高了粉磨的效率。 2 3 3 波形辊压机的优势 跟传统圆形辊压磨相比，波形辊具有以下明显优势： ( 1 ) 波形辊压磨传动机构简单，操作简便。粉碎不同要求的物料只需要 调整两个波形辊之间的间距就可以满足大部分要求。 ( 2 ) 波形辊压磨由于有波峰的存在，在粉碎中有强制进料的作用，大大 提高了辊压磨的粉碎效率，同时降低了边缘效应。 ( 3 ) 波形辊压磨的粉碎腔是s 形的，变相增加了粉碎腔的长度，从而 物料可以在粉碎腔停留更长时间，有利于物料的力的传递和粉碎。 同为差速辊压设备，波形辊压机与椭圆形辊压机相比，有以下明显优势： ( 1 ) 波形辊压磨的间隙变化小，具有周期性，稳定性更好，间隙的变化 直接影响粉碎效果。椭圆形辊压机虽然实现了差速粉碎，但是受到自身长短 轴的限制，间隙变化太大。 ( 2 ) 波形辊压磨只需要普通的恒速传动装置就可以实现物料的差速粉碎 且粉碎效果较好。为了保证粉碎的效果，椭圆形辊压磨则必须调节成变加速 或者变间距，增加了设备的复杂程度，而且不好控制。 ( 3 ) 波形辊压磨进料由于波形作用，波形辊压机工作时上部破碎腔具有阻 止物料向上窜的性能，可以强制性进料。椭圆形辊压机工作时物料上窜严重， 影响粉磨效率【5 4 1 。 由于差速粉碎设备理论上的优势，以及同为差速粉碎设备的椭圆形辊压 机在结构上的复杂性，以及性能的不稳定性，波形辊压机的开发与研究尤为 关键。 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 2 4 波形辊压机辊子波形的研究 波形辊压机的主要性能都体现在两个辊子上，一对压辊的性能直接决定 了辊压机的粉碎性能。因此我们必须研究辊子的最佳波形。目前，从理论上 来说波形辊压磨磨辊的波形可以是齿轮式、正弦函数式和圆弧段式等。本文 着重对正弦函数式与圆弧段式的辊子波形函数进行探讨研究。 2 4 1 波形辊压机的压辊啮合运动分析 波形辊压机的构想图如图2 - 9 所示。压辊在a 点啮合时，线速度差最大， 剪切力也为最大；运行到b 点是俩个压辊的线速度相当，此时物料不受剪切 力的作用；随后又继续产生速度差，但是线速度差的方向与刚才相反，当运 行至c 点时，剪切力的作用又增至最强，方向与a 处相反；从c 点到d 点 的运动过程，剪切力又随着俩个辊子的线速度差的减小而变小直到d 点俩辊 子的线速度相同，也不存在剪切力的作用；从d 点运动到e 点，剪切力又从 零开始增大，直到点出剪切力最大，切此时剪切力的方向与a 点相同。我们 可把a 到e 的运动过程看成一个周期。因此我们可以得出波形辊压机的运动 存在较明显的周期性，利用俩个压辊啮合时的线速度差，产生周期性剪切力 的作用，为物料的粉碎提供磨碎的作用，有效的提高粉磨的效率【5 5 】。 2 - 9 波形辊特殊啮合点位置 f i 9 2 9w a v e t y p er o l l e rs p e c i a lm e s h i n gp o i n tp o s i t i o n 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 2 4 2 正弦波式压辊的函数表达 由波形辊的运动学分析我们可知波形辊具有明显的周期性，为了更好的 解释波形辊运动的变化为，陈金祥与黄喜生采用周期性的波形函数来表达波 形辊的波形曲线，并开发出一种正弦波式波形辊压机。正弦波式压辊就是利 用正弦函数s i n ( x ) 的波峰波谷变换的周期性来表示波形的变化。在图2 1 0 所 示的坐标系中，波形曲线解析式可以用正弦函数r = as i n ( r o t + 秒) + r 。来确 定： 其中 r 极半径，波形上的点到中心的距离 r o 波形曲线基圆半径 o 波形初始相位 a 波形变化幅值，即波峰与波谷的高度 一个周期内波形的个数 t 波形变化角度 图2 1 0坐标系中的波形曲线示意图 f i 9 2 - 10 c o o r d i n a t e sw a v e f o r mc u r v ed i a g r a m 波型辊的波形曲线周期为整数，所以t 取值范围是 0 - 2 x 】，函数s i n ( x ) 的 周期为2 7 【。我们采用波形辊的啮合点为初始点，在波形辊的初始啮合位置， 一辊波峰对另一辊波谷，此时可得出两个波形辊的初始相位相差为1 8 0 0 ，波 峰处的0 取值一个为+ 9 0 0 ，另一个处于波谷时的0 取值为- 9 0 0 ，如此可以把0 作一常量看待。由此可以得出波形截面函数由a 、r o 及三个参数确定。 我们对此三个参数中任一个参数作出改变，即可得到不同的波形函数。 西南科技大学硕士研究生学位论文第19 页 黄喜生和陈金祥提出了正弦波形辊并深入研究，通过模拟正弦波形辊的 运行，发现了该波形辊函数的三个参数并不是可以任给的，它们三者之间有 一定的相互关系1 4 3 1 。 a 值的大小直接体现为波形辊波峰波谷的大小，a 值越大波形辊的剪切 力越大，但是波齿的强度就越低；a 值太小，