高效离心式研磨机的设计

第 24 卷第 2 期 青 岛 科 技 大 学 学 报 V o l. 24, N o. 22003 年 4 月 p r. 2003文章编号 : 1001247642(2003) 0220152204高效离心式研磨机的设计樊智敏 1, 朱东华 2(1. 青岛科技大学 机电工程学院 , 山东 青岛 , 266042; 2. 哈尔滨工业大学 汽车工程学院 , 山东 威海 , 264209)摘要 : 针对目前国产离心式研磨机存在的研磨头的磨损及研磨精度、密封、动轮与定轮间间隙调整以及主轴组件的集成等问题进行研究与改进 , 给出了问题的解决方案 , 进一步提高了国产研磨机的综合性能 , 使其生产更加高效、清洁。关键词 : 离心式研磨机 ; 研磨齿 ; 粘胶 ; 密封中图分类号 : 51 文献标识码 : AD of a H en tr l Gr h Co rm Q Q 66042, Ch . Co H W 64209, Ch T he p ts p s w of m h T h is s to so e p s b ly of en t of w b ly of on p F a m fo r im p rm of m is m m 织及其它诸多工业的粘胶溶液的研磨、均化。纤维素磺化 (酯化反应 )后制备的粘胶溶液即碱纤维素磺酸酯 ,应在稀碱溶液中快速连续溶解 , 这就需要采取一定的机械手段或其他方法来减小这种粘胶粒子的尺寸。为此 , 国内外众多研究人员对其进行了广泛地探索和研究 , 提出了诸多解决的方案。新开发的连续溶解工艺中 , 采用了新设计的二级系统来减小粘胶粒子的尺寸。这种方法的步骤是 : 第一级 ,将磺化机排放的团状、球状、松散状等各种形状的磺酸酯 , 通过粉碎机减少尺寸后进入室间储存桶即所谓的磺酸酯浆料桶 ; 第二级 , 采用研究开发的离心式研磨机进一步减小磺酸酯胶粒直径。本课题对该系列设备的中间设备离心式研磨机 , 结合国内产品 , 针对其存在的几个关键技术问题 , 研究解决了密封、研磨头齿条磨损、动定轮间隙调整以及主轴组件集成中存在的问题。1工作原理及技术参数1. 1工作原理离心式研磨机工作原理是采用一对多级剪式齿条的转子和定子 , 通过电机带动带有齿条的转子转动 , 靠转子和定子的多级齿条剪切来达到减小物料粒度的目的。其主要由电机、联轴器、主轴组件、研磨头、间隙调整机构、密封装置、底座等组成。收稿日期 : 2002205209作者简介 : 樊智敏 (1963 ) , 男 , 博士 , 副教授1. 2主要技术参数机器结构型式 : 离心式 ; 流量 : 18 24m 3 ; 电机额定转速 : 1480 r m ;电机额定功率 : 55 动、定轮间隙调整量 : 0. 5 6 研磨精度 : 0. 2 0. 5 工作压力 : 0. 5 M 存在的技术问题国产离心式研磨机采用的许多零部件或组件在原理、结构设计和材料选择上不合理 , 存在许多技术问题。2. 1研磨精度及磨损研磨头是离心式研磨机的重要组成部分 , 其性能的好坏对研磨精度及效率有至关重要的影响 , 它主要由吸入室、动定轮和压出室三部分组成 , 其每一部分设计好坏都直接关系到研磨机的整体性能。离心式研磨机是靠转子和定子上的多级齿条相互剪切作用来工作的 , 主要工作部分是剪切齿条。在粘胶溶液的研磨、均化过程中 , 研磨齿主要受到两种力的作用 1 : 一是离心力 , 二是粘胶溶液的内摩擦力 , 因此齿条会很快腐蚀和磨损。由于齿条上轮齿分布的不同 , 其磨损和腐蚀程度也不尽相同。而国产研磨机 , 转子和定子都是和齿条做成一体不可拆卸 , 为保证研磨精度 , 就会因其中某个研磨齿的过早磨损和腐蚀 , 而使整个基体报废 , 从而造成极大的浪费。从经济方面考虑 , 设计一种最大限度利用转子和定子的有效方案已迫在眉睫。2. 2主轴组件组合结构设计为便于零部件装配和动、定轮间间隙调整 , 通常将主轴、轴承、左右压盖等集成在一体 , 称之为主轴组件。我国目前使用的离心式研磨机 , 主轴组件所用的轴承为球轴承和角接触轴承。由于离心式研磨机连续工作 , 机器发热较严重 , 动轮产生轴向力 , 现行使用的轴承在机器发热后无法保证轴伸缩时能自由移动 , 故机器的稳定性能差。为了保证轴承正常工作 , 除正确选择轴承类型和确定轴承型号外 , 还需要根据主轴悬伸量及负荷确定主轴前后支撑的跨度 , 计算主轴组件的刚度 , 合理设计主轴组件中零件的组合。2. 3间隙调整为了适应不同的研磨精度且由于粘胶粒子直径大小不同 , 所以动轮和定轮间的间隙必须可调。为此 , 间隙调整机构应能准确显示间隙的大小 , 并且具有锁紧功能 , 以防因其机构中元件的间隙变化而使主轴组件在运转过程中产生振动、松脱。目前 , 国产研磨机采用的调整方法是 : 转动手轮 , 使蜗杆转动 , 蜗杆带动蜗轮转动 , 蜗轮再通过螺纹传动 , 带动主轴组件使其沿轴向移动。通过蜗轮传动比及螺纹螺距间的换算关系将间隙量显示在刻度盘上 , 最后借助手柄转动 , 靠调整上下锁块与主轴套筒的摩擦力来锁紧。这种方法在原理上可行 , 但由于蜗轮蜗杆间隙和螺纹间隙等影响 , 间隙调整将有一定的误差 , 且很不规律 , 此外该结构也比较复杂 , 所以 , 寻求一种结构简单、易于操作的间隙调整机构很有必要。2. 4联轴器联接国产研磨机上所用联轴器为刚性联轴器 , 不具有吸收振动和缓和冲击的能力 , 补偿两轴相对位移的能力差。由于制造、安装等误差 , 完全做到两轴精确对中并非任何情况下都能办到 , 既使安装时能保证对中 , 但由于工作温度的变化、回转零件的不平衡等原因 , 两轴的相对位置也会发生变化。因此 , 应根据工作情况、周围环境等合理选择与解决联轴器联结中存在的问题。2. 5密封应用于粘胶溶液的研磨机 , 其密封问题应引起高度重视。由于该设备所面对的工作液为纤维素磺酸酯和稀碱的混合溶液以及化工原料等 , 对环境有很大污染 , 而粘胶溶液又是在泵的压力下工作 , 根据过去对研磨机的使用情况获知 , 如果主轴组件上轴承两端及研磨头与主轴接触处密封不好 , 则容易造成介质从部件间的缝隙处以穿漏、渗透或扩散的形式泄漏到联接处的另一侧 2 , 不但对环境污染严重 , 也对工人的健康造成严重的不良影响。造成泄漏的原因是密封连接处 (如研磨机主轴组件中研磨头与主轴的连接处 )存在间隙 , 密封介质在压力差或浓度差的作用下通过间隙而渗漏。因此 , 要使连接处达到密封效果 , 必须减少密封连接处的间隙 (密封面间隙和密封件本身的间隙 )或消除间隙。我国目前使用的研磨机多采用接触式密封 ,渗漏问题虽得以解决 , 但随之带来能耗严重和磨损太快等一系列问题。如果密封件抱轴过紧 , 解决了渗漏问题 , 但密封组件对轴的磨损严重 , 功率损失大 , 更甚者 , 密封件与轴之间摩擦严重造成轴和密封件两者之一或同时过度磨损、废弃 3 , 频繁的更换主轴将造成大的经济损失。因此 , 应研究一种351第 2 期樊智敏等 : 高效离心式研磨机的设计既能有效解决渗漏问题 , 又能将对轴的磨损降低到 最小的经济合理的密封方式。3技术问题的解决方案针对存在的几个关键技术问题 , 通过对离心式研磨机进行系统的分析研究 , 进行提高综合性能的改进设计 , 使改进后的研磨机在保证加工精度的基础上 , 更加高效、清洁、方便、可靠 , 同时对缩短溶解时间、减少对周围的环境污染、节能降耗、增加产量、提高经济效益 , 起到促进和推动作用。3. 1研磨头的设计及研磨齿的可拆卸设计方案参照原研磨机的结构 , 仿照离心泵后弯式叶轮叶片设计动轮轮齿齿廓 , 定轮设计成齿数分别为 10、 20 和 40 的研磨齿。研磨头的定轮、动轮轮齿排列方式及研磨级数参照国内研磨机的结构来设计 , 新的设计是将多级与转子和定子做成一起的剪式齿条改设计为可拆卸轮齿 , 设计的方法是采用镶齿式结构即轮齿为可装配式 , 通过螺栓来联接 , 轮齿的材质能调整硬度 , 这样就可方便地解决存在的问题。定轮轮齿齿廓与动轮轮齿齿廓设计相似 , 动、定轮上轮齿镶齿式结构示意图如图1。研磨头部分融入离心泵 1 的结构 , 物料由水平方向吸入 , 研磨后从垂直上方输出。图 1动、定轮轮齿镶齿式结构示意图F 1 T he of ro to r r 研磨齿要耐磨、耐腐蚀并具有较高的硬度和强度 , 为此 , 其采用材料为9C 热处理硬度 60。由于离心力随半径的增大而增大 , 所以知第三级研磨齿所受离心力最大 , 故在设计中主要计算分析第三级研磨齿受力并对其进行校核。由于对动、定轮机体的材料性能要求不高 , 设计时选用材料为 40C r, 调质处理 , 硬度为 240。3. 2主轴组件的改装由主轴上零件分布知 , 主轴受力包括 : 右端联轴器重力、动轮重力、轴承支反力、扭矩等。在研磨过程中 , 由于研磨头动轮轮齿两边所受的液体压力不同以及液体进入时的动反力影响 , 产生一个迫使动轮轴向移动的轴向力 , 轴向力除了引起动轮沿轴向移动外 , 还会引起振动、磨损及增加轴向负荷 4 。设计主轴时 , 根据主轴悬伸量及负荷确定主轴前后跨度 , 前轴承选用单列向心圆柱滚子轴承以承受较大的载荷和高转速 ; 后轴承选用一对径向止推圆锥滚子轴承 , 面对面安装 , 结构简单且受热后轴可向前伸长。在分析、类比的基础上 , 确定主轴的结构尺寸 , 并对主轴进行刚度校核计算 , 对轴承进行寿命计算 , 从理论上保证了设计的正确与合理性。轴的材料选用 40C r, 调质处理 , 硬度为250。改进后使主轴组件更能适应工作要求 : 结构简单 , 具有高的承载能力 , 适应高转速 ,451 青岛科技大学学报第 24 卷同时轴发热后可向前伸长。主轴组件结构示意图 如图 2 所示。1. 主轴 2. 左轴承压盖 3. 内六角螺钉 4. 垫 5. 套筒6. 圆柱滚子轴承 7. 右轴承压盖 8. 调整垫片 9. 圆锥滚子轴承图 2主轴组件图F 2 of on p 3间隙调整机构设计由于螺纹间隙等影响 , 间隙调整将有一定的误差 , 且很不规律 , 此外该结构也比较复杂 , 故可将原间隙调整机构改变为以蜗轮蜗杆及凸轮为主体的新调隙机构 , 来实现主轴组件在轴向上的调隙 , 当凸轮升程达最大时 , 动轮、定轮间间隙量为0. 5 反之为 6 这样可使间隙调整机构结构简单、易于操作。3. 4联轴器选择如前所述 , 研磨机上如果所用联轴器为刚性联轴器 , 其吸收振动和缓和冲击的能力差 , 并且补偿两轴相对位移的能力也差。若将原刚性联轴器改为挠性联轴器中的弹性柱销联轴器 , 该联轴器采用橡胶元件传递扭矩 , 能起到减振和缓和冲击的作用 , 适用于高速和变载的传动 , 这种联轴器允许两轴有 0. 3 0. 6径向位移和 2 6 以及 H 1的偏斜角 , 但要求工作中避免接触油和对橡胶有害的介质 , 工作温度限制在 - 20 + 50之间。因此 , 在这种工作环境下 ,弹性柱销联轴器也受到限制。齿式联轴器可避免弹性柱销联轴器在该设备中的不足 , 它由两个具有外齿环的半联轴器和两个具有内齿环的外壳所组成 , 半联轴器分别与主动轴和从动轴相联接 , 两外壳则利用螺栓联接在一起。内、外齿环上的轮齿击相互啮合 , 齿廓为渐开线 , 啮合角为 20。在外壳内贮有润滑油 , 联轴器旋转时将油甩向四周以润滑啮合轮齿 , 从而减小啮合轮齿间的摩擦和相对位移阻力以及降低作用在轴和轴承上的附加载荷。由于啮合齿间留有较大的齿侧间隙和齿顶为球面 (球面中心应位于轴线上 ) , 所以它具有良好的补偿两轴作任何方向位移的能力。齿式联轴器承载能力大 , 安装精度要求不高 , 受环境因素限制较小 , 故在此应用更为合适。3. 5密封方案为了有效解决渗漏问题 , 同时又能将磨损降低到最小 , 在主轴组件上轴承两侧采用迷宫式密封 (图 2 中未画出 ) ; 在研磨头与主轴接触的左侧(其中右侧为粘胶溶液的入口 ) 采用软填料密封 ,该方法属于几种密封方法的组合 , 为弹性体接触动密封。这种密封结构简单 , 装拆方便 , 成本低廉 ,同时软填料对轴的磨损小 , 其使用范围广泛 : 介质压力由真空到 35M 工作温度 - 50 600C , 密封面线速度可达 20m , 填料寿命较长。4结论通过以上改进 , 国产离心式研磨机的性能有了很大提高 ,