本發明涉及一種球磨機的設計方法，特別是涉及一種重心分散力矩平衡式球磨機的設計方法。

背景技術：

水泥行業應用的連續式球磨機和烘干機以及陶瓷行業應用的間歇式陶瓷球磨機等設備，其原理都是臥式筒型結構，其筒體為單筒結構，并利用底部周邊托輥支撐或中心軸支撐，同時使筒體采用回轉運動的旋轉形式，達到其工作過程。工作時電機產生的主動力主要克服兩方面的阻力，一是克服由于被加工物料的重力在筒體旋轉過程中產生的阻力矩，二是克服由于設備重量和加工物料的重量同時對曳引傳動輪下壓產生的摩擦力。

以圖1間歇式陶瓷球磨機為例說明其工作過程中的受力情況：

圖1中，W1為筒體重量，O1為筒體重心，W2為被加工物料的重量，O2為被加工物料的重心，ｒ為中心軸半徑，H為被加工物料的重心到回轉中心的距離，ｕ為軸承的摩擦系數。

當筒體旋轉做功時，被加工物料重量W2與物料重心到回轉中心的距離H的乘積W2×H構成了由被加工物料產生的旋轉阻力矩；由于筒體重量W1和被加工物料重量W2的和（W1+W2）同時作用在轉軸的兩端，其旋轉過程中與滾動軸承或滑動軸承產生的摩擦阻力為（W1+W2）×ｕ，因此其重力由于軸承摩擦系數產生的阻力矩為（W1+W2）×ｕ×ｒ。

總阻力矩M=被加工物料重力阻力矩（W2×H）+總重力摩擦阻力矩[（W1+W2）×ｕ×ｒ]

對于上面兩部分阻力矩，第一部分的被加工物料重力旋轉阻力矩（簡稱重力阻力矩）是與被加工量呈正比的，是耗能的主要部分，理論上講是可以消除的；而第二部分的總重力旋轉摩擦阻力矩（簡稱摩擦阻力矩），是不可能消除的，由于結果是與摩擦系數的乘積，因此和軸承的形式有關，也是耗能的相對次之部分。

對于摩擦系數而言，有滾動摩擦系數和滑動摩擦系數，滾動摩擦系數與滾動軸承的形式有關，一般圓柱滾子軸承和普通調心球軸承的摩擦系數較小，范圍在（0.0008～0.0012）；帶保持架滾針軸承摩擦系數范圍在（0.0020～0.0030）；滿裝型滾針軸承摩擦系數范圍在（0.0025～0.0035）。對于滑動軸承的摩擦系數一般范圍在（0.01～0.02），有時可達（0.1～0.2）。一般具有兩種以上運動結構的復合軸承摩擦系數范圍在（0.03～0.18）。

因此可以看出，總重力摩擦阻力矩[（W1+W2）×ｕ×ｒ]，（W1+W2）雖重量大，但和摩擦系數ｕ相乘后，由于μ在（0.0008～0.18）的范圍，理論上講其數值至少下降了80%，實際數值范圍在（0.1～20）%。

由于總重力旋轉摩擦阻力矩（簡稱摩擦阻力矩），是不可能消除，而可用平衡法消除的是被加工物料重力阻力矩（W2×H）,這也是球磨機和烘干機目前存在的一個主要耗能指標,因而致使現有的球磨機耗能高。

技術實現要素：

為了解決現有球磨機重力阻力矩、摩擦阻力矩耗能高的問題，提供一種采用滾動摩擦代替滑動摩擦來減小系統阻力，并采用回轉支撐點兩側的重力平衡結構方式來降低能量消耗的重心分散力矩平衡式球磨機的設計方法。

解決上述問題采用以下技術方案：

一種重心分散力矩平衡式球磨機的設計方法，包括驅動電機，其特征在于，所述的設計方法根據球磨機的種類、依據平衡式設計原理對包括筒體結構、進料口、出料口結構以及襯板結構進行設計，具體方法是：

A.將球磨機單筒體改為多筒結構，消除被加工物料重力形成的阻力矩；

B.球磨機節能結構設計

具有以下幾種剖面形式：

a.用多個小直徑筒體進行組合，用多個相同尺寸的小筒結構代替單筒結構，利用每個筒的重心作用形成整體的平衡；

b.將單筒等分設計成多空間結構，保證各個等分區域空間被加工物料產生的重力阻力矩為零，只有摩擦阻力矩；

c.用大小雙筒結構等分；

C.球磨機進料口

連續進料的球磨機進料口上加裝有逆止器；

D.球磨機出料口

在筒體的前后部分的分界處加裝有隔網，保證氣流分布均勻。

作為優選，用三個或三個以上小直徑筒體進行組合，用三個或三個以上相同尺寸的小筒結構代替單筒結構。

作為優選，所述的等分空間大于等于三等分。

作為優選，間歇式陶瓷球磨機采用力矩平衡結構時，在陶瓷球磨機上增加上下料的驅動裝置。

作為優選，球磨機進料口上加裝有逆止器。

作為優選，所加逆止器的數量與筒體直徑成正比。

作為優選，球磨機筒體及進出料口旋轉定位的驅動電機分別采用變頻調速控制電機。

本發明的有益效果

本發明提供的重心分散力矩平衡式球磨機的設計方法，其核心是將筒體采用等分為多個的方法設置，將單筒結構改為多筒結構，保證了各個等分區域空間被加工物料產生的重力阻力矩為零，而只有摩擦阻力矩。致使平衡式球磨機或烘干機具有良好的節能效果；具有更好的運行平衡性。由于平衡式球磨機或烘干機是由小筒（小空間）組合成的大筒，強度結構更好。這種設計方法科學、簡單、實用，可最大限度地降低能耗。

附圖說明

圖1是現有技術中心軸式單筒球磨機工作時受力狀態圖。

圖2-圖6是本發明筒體為三筒結構工作時的受力狀態圖，其中圖2是三個筒體等邊設置結構示意圖，圖3-圖6是在0o、90o、180o、270o等旋轉角度各個筒的物料重心與轉軸中心形成對稱平衡力矩示意圖。

圖7-圖9是本發明筒體截面組合示意圖。

圖10-圖12是本發明將單筒直接等分的結構示意圖。

圖13-圖15是本發明用大小雙筒結構等分示意圖。

圖16是間歇式陶瓷球磨機加裝的驅動裝置主視示意圖。

圖17是圖16的側視圖。

圖18、19是本發明進料口結構示意圖。

圖20是本發明烘干機進料口結構示意圖。

圖21是本發明出料口結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的描述。

以下實施例用于說明本發明，但不能用來限制本發明的保護范圍。實施例中的條件可以根據具體條件做進一步的調整，未說明的條件為常規實驗中的條件。

實施例1

A.將球磨機單筒體改為多筒結構，消除被加工物料重力形成的阻力矩；

本實施例將球磨機單筒改成三筒, 其工作時的受力狀態將會發生變化,如圖2所示，將單筒改成等邊固定放置的三個小筒，并和單筒工作狀態相同也利用中心軸旋轉。如果球磨機筒體總重量為W1，被加工物料總重量為W2，而每個筒內物料重量為W2/3，此時使球磨機旋轉的阻力矩，主要是總重力產生的摩擦力與軸徑形成的阻力矩（W1+W2）μr；而三個筒內物料重量產生的阻力矩，此時由于物料分成了三份，形成了三個等邊三角形的重心受力點O1、O2、03，由于各個筒的物料重心與轉軸中心O形成對稱平衡力距，以四個特殊角度為例可以很容易看出并說明其平衡性成立，如圖3-圖6，圖3表示0°、圖4表示90°、圖5表示180°、圖6表示270°時順時針旋轉位置所示，因而各個重力阻力距之和為0,因此總阻力距就是摩擦阻力矩M=（W1+W2）μr。

將單筒截面結構的球磨機改成多筒（多空間）截面結構后，其球磨機的重力形成的旋轉阻力矩結構發生了變化，重力阻力矩為零，而只有摩擦阻力矩，形成的筒體結構具有重力分散力矩平衡的特點，也就是所說的形成了重心分散力矩平衡式球磨機（簡稱平衡式球磨機）。

水泥球磨機和水泥烘干機的受力分析與耗能過程其原理與陶瓷球磨機是相同的，都是把筒體的中心作為周邊滾動運動的旋轉平衡中心點。

實施例2 球磨機節能結構設計

球磨機節能結構具有以下幾種剖面形式：

水泥球磨機和水泥烘干機及陶瓷球磨機等設備的節能結構設計方案

陶瓷廠使用的間歇式球磨機大都是中心回轉方式，其工作過程包括加料、回轉研磨、出料等三個過程；水泥廠使用的球磨機和烘干機等大都是托輥支撐，周邊傳動，筒體與托輥呈滾動回轉方式。這種設備的筒體結構可以設計成以下幾種剖面形式。多筒結構具有以下幾種剖面形式：

1)用多個（三個或三個以上）小直徑筒體進行組合

見圖7-圖9，用三個或三個以上相同尺寸小筒結構代替單筒結構，利用每個筒的重心作用原理可形成整體的平衡，將被加工物料的重心產生的力矩做功過程通過平衡作用消除，其組合的截面示意結構如圖7-圖9所示。這種結構是非常對稱的。

）將單筒直接進行等分設計成多空間結構，保證各個等分區域空間被加工物料產生的重力阻力矩為零，只有摩擦阻力矩；

見圖10-圖12，采用單筒直接進行等分的形式，圖中所示的虛線部分是被加工物料的重心區域，可以看出其各部分的重心以筒體中心為力矩平衡支撐點時，理論上是可以達到完全平衡的，但這種方式的加工等分過程并不容易，如果有一定誤差，形成各個重心的筒體結構形狀在下端和上端及旋轉到中間位置時是不同的，因此各個時刻每一部分形成的物料形狀差異會很大，重心點的位置變化也很大，因此完全的平衡性要差一些，節能效果相對差一些，但比單筒單重心物料的結構節能顯著。

這種等分只要大于等于三等分就能保證各個等分區域空間被加工物料產生的重力阻力矩為零，而只有摩擦阻力矩。

3）用大小雙筒結構等分

見圖13-圖15，為了改善平衡效果，考慮筒體的制作問題，將其形成空間的形狀近似接近，用大筒25、小筒24雙筒結構等分，如圖13-圖15所示，中間小筒24不放物料，各個空間的物料重心在上端時拉開一定距離，因此各部分的重心在上端時分散。只要等分空間大于等于三就能保證各個等分區域空間被加工物料產生的重力阻力矩為零，而只有摩擦阻力矩。

實施例3

間歇式陶瓷球磨機采用力矩平衡結構時要增加上下料的驅動裝置。

對于球磨機而言，采用重心分散力矩平衡式結構時，其筒體的工作運行驅動方式和傳統單筒的工作運行驅動方式是相同的，但對于間歇式陶瓷球磨機而言，還需要增加一套上下料的驅動裝置，這是由于平衡式球磨機是多空間結構，每個空間都要設一個上下料口，因此上下料過程中要分別將每個上下料口進行定位后固定，其進出料口在頂部時要進行進出料口的打開和封閉以及上料過程，而在下部時進行出料過程，防止在上下料過程中由于重心的偏移引起筒體的旋轉，而發生工作事故。

上下料加裝驅動裝置的間歇式陶瓷球磨機結構如圖16，圖17，由蝸桿前后軸承及固定座總成1、升降裝置2、蝸桿3、料口驅動減速電機4、筒體傳動皮帶5、筒體驅動減速電機6、筒體支撐總成7、軸頭及支撐總成8、蝸輪總成9、筒體總成10、軸承座和軸承總成11、底座總成12、進出料口13組成。

底座總成12上連接有筒體支撐總成7和升降裝置2以及筒體驅動減速電機6。

與底座總成12連接的筒體支撐總成7上安裝有軸承座和軸承總成11；筒體總成10與蝸輪總成9固定連接，軸頭及支撐總成8與筒體總成10同心并安裝在其兩側，其軸頭與軸承座和軸承總成11連接，筒體傳動皮帶5一端套裝在筒體的帶槽內而另一端與筒體驅動減速電機6的皮帶輪連接，因而在筒體驅動減速電機6的作用下，可實現筒體的旋轉運行。

與底座總成12連接的升降裝置2上安裝有蝸桿前后軸承及固定座總成1，固定座上安裝有料口驅動減速電機4并與蝸桿3連接，蝸桿3安裝在蝸桿前后軸承上，當升降裝置2升起時，蝸桿前后軸承及固定座總成1也整體升起，此時蝸桿3與蝸輪總成9成齒接配套傳動連接形式，在料口驅動減速電機4的作用下，其蝸輪連接的筒體可實現回轉定位運行，從而可控制筒體進出料口的旋轉角度和位置。

當進出料口13在上部時實現料口的打開和關閉的功能，以及進料過程；當進出料口13在下部時實現出料過程。當一個倉進料或出料完畢后，通過控制料口驅動減速電機4的運行，實現另一個倉進出料口在上部或在下部的定位過程。由于蝸輪蝸桿傳動的自鎖性，因而各個倉的進出料口可以停留在360°圓周的任何位置。

當升降裝置2下降后，蝸輪與蝸桿之間脫離齒接形式，使筒體和上下料驅動裝置成為各自獨立并互不影響的運動部分，使筒體的運動對上下料驅動裝置無任何影響，反之成立。

實施例4

連續進料的球磨機和烘干機的設計結構

有些干式球磨機如水泥廠的球磨機和烘干機是連續進料和連續出料的工作方式，其設計結構部分需要考慮如何進料和出料。

1）球磨機進料口結構設計

根據球磨機的不同結構設計進料口。

對于連續進料的筒體,其進料口要加逆止器，以三等分的筒體為例，如圖18、圖19所示進料口結構形式。這是由于筒體沿圓周進行了三等分后，其物料進入進料管14后要分到筒體內部的三個空間部分，因此進料管14上要增加逆止器15，其作用是保證系統連續進料，當逆止器轉到下端范圍時，利用重力作用使逆止器自動打開，物料落入筒體的相關部分；當逆止器轉到上端范圍時，同樣利用重力作用使逆止器自動關閉，這樣保證該部分筒內物料不能倒流。因此，每個空間部分的進口都要加逆止器15，每部分逆止器的數量與筒體直徑成正比，可能是一個，也可能是2、3、4、…N個。

2）烘干機的進料口結構設計

由于水泥烘干機圓筒是一個與水平線略成傾斜的旋轉圓筒。物料從較高一端加入，熱載體由低端進入，通過筒體內的螺旋葉片和間接螺旋揚料板的作用，與物料成逆流接觸，并在筒體的旋轉過程中完成物料的輸送與烘干,而采用平衡結構的烘干機，其進口應加一段進口導料筒18，出口應加一段出口導料筒16，如圖20所示，防止進料口堆積。

圖20所示的進口導料筒18和出口導料筒16的長和導料板的安裝角度及長度等形式是有區別的，應視具體情況而定；中間平衡筒17是用平衡式原理設計的多筒或多空間結構。

3)球磨機出料口結構設計

出料口一般是利用風機的作用，將物料粉帶出，再通過除塵器進行分離和收集，其出料形式應保持傳統的形式。

以水泥廠的磨機為例，如圖21所示為直接引出形式，其出口結構與傳統結構沒有變化，其最后一節筒體為單筒結構，前面部分為等分后的多空間結構，對于球磨機而言，為了保證氣流均布效果，可以在分界處加隔網20，隔網20的后部分21為合體的單筒結構，隔網20的前部分19為分體的多筒結構，其引出形式與傳統結構相同。烘干機也可以分成兩部分，前部分為多空間結構而出料部分采用傳統結構。

實施例5

根據筒體的實際結構和應用特點設計球磨機內襯和研磨體襯板及烘干機的螺旋葉片和間接螺旋揚料板。

內襯和研磨體襯板是用來保護筒體的，使筒體免受研磨體和物料的直接沖擊和摩擦。不同形式的襯板還可以改變研磨體在筒體內抬升、拋落、下滑等撞擊過程的運動狀態。而磨機的粉磨作用是靠研磨體對物料的沖擊和研磨來實現的。

根據筒體的實際結構和應用特點對內襯和研磨體襯板進行設計，有不同結構的筒體其內襯和研磨體襯板是不同的。物料從入口到出口的研磨過程中，其每一階段研磨體的運動狀態都會有所不同，因此要進行差異性設計。對于水泥用球磨機設備，其小直徑筒體的組合形式中，為了襯板的方便安裝，可考慮將外層大筒相應位置開孔或用多段筒結構，但要保證支撐托輥定位滾道的合理性設置。

烘干機也要根據筒體的實際結構和應用特點進行螺旋葉片和間接螺旋揚料板的設計。

本發明的驅動裝置如筒體的驅動電機和進出料口旋轉定位的驅動電機，分別采用變頻調速控制形式，以適應現場的調速調整要求，并能實現節能控制過程。

由于平衡式球磨機或烘干機是由小筒（小空間）組合成的大筒，因而具有更好的強度結構；

以球磨機為例，由于各小筒（小空間）是偏心旋轉，其筒體運行一周后，物料的運行軌跡原理上是一個漸開線的拋落料沖擊研磨的過程，且各個小筒每一時刻的拋落料點是不對稱的，因而與傳統的研磨在效果上是不同的，要通過對實際被研磨物的檢測以及對轉速和研磨襯板的調整來達到最好的效果。

烘干機要進行轉速和螺旋葉片及間接螺旋揚料板的調整，以達到好的烘干效果。

本發明用傳統計算方法估算平衡式結構內部各個單筒的單位產量，然后按單筒數量的和來確定整體平衡式結構單個球磨機或烘干機的產量。

雖然，上文中已經用一般性說明及具體實施方案對本發明作了詳盡的描述，但在本發明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本領域技術人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發明精神的基礎上所做的這些修改或改進，均屬于本發明要求保護的范圍。