立式輻磨機的設計與強度分析

東北大學

年月

畢業(yè)設計（論文）任務書

畢業(yè)設計（論文）題目：立式輻磨機的設計與強度分析

設計（論文）的基本內(nèi)容：

1.立式餛磨機三維模型建立

2.立式輕磨機的裝配圖與零件圖的繪制，總計5.0張A0圖紙。

3.立式輕磨機設計計算及說明論文一篇，總計21000字。

4.英文翻譯一篇。

畢業(yè)設計（論文）專題部分：

題目：

設計或論文專題的基本內(nèi)容：

學生接受畢業(yè)設計（論文）題目日期

第1周

指導教師簽字：

年月日

立式輕磨機的設計與強度分析

摘要

立式輕磨機是沈陽重型機器有限責任公司引進德國非凡公司立式混磨

機技術(shù)，引進了生料、熟料立式水泥磨機的全部設計、制造和檢驗技術(shù)

以及試驗選型用磨機全套試驗室設備，以滿足水泥生產(chǎn)線的需要。隨著

國家大力推進新型干法水泥技術(shù)創(chuàng)新和設計優(yōu)化，為滿足水泥市場需

求，沈重在消化吸收引進技術(shù)的基礎上，成功地開發(fā)出了立式輻磨機，

是水泥生產(chǎn)線技術(shù)裝備國產(chǎn)化的一次重大突破，對完成替代國外同類進

口產(chǎn)品和調(diào)整國家水泥結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。

本項目研究了粉磨壓力、磨餛直徑、磨混內(nèi)部結(jié)構(gòu)，磨盤部分、分離

器、磨輻寬度、磨盤轉(zhuǎn)速、盤面風速等設計，采用solidworks開發(fā)的有

限元分析法對關(guān)鍵零件進行分析，為合理設計立式輕磨機提供理論依

據(jù)。保證運行情況良好，滿足水泥工業(yè)大型化的需要。

關(guān)犍詞：立式混磨機，水泥，有限元

Designationandstrengthanalysisofverticalrollermill

Abstract

Verticalrollerm川isintroducedfromGermanycompany1s

verticalrollermilltechnologybytheShenyangHeavyMachinery

Co,Ltd.Besides,ShenyangHeavyMachineryCo.Ltd.also

introducedtherawmaterial,thealldesignationoftheclinker

verticalcementmill,themanufacturing,thetesttechnologyand

thetestselectionformillafullsetoftestingequipment,tomeet

theneedsofthecementproductionline.Asthecountry

vigorouslypromotesthenewdryprocesscementtechnology

innovationandthedesignationoptimization,inordertomeetthe

marketdemandforcement,ShenyangHeavyMachineryCo,Ltd.

successfullydevelopedaverticalrollermillbasedonthedigestion

andabsorptionofimportedtechnology,whichisasignificant

breakthroughofdomesticproductionlinetechnologyand

equipmentofcement.Besides,ithastheextremelyvital

significancetocompletethereplacesimilarforeignimports

productsandadjuststhenationalcementstructure.

Thisprojectstudiesthegrindingpressure,diameterofroller,

rollerstructure,grindingpart,separator,rollerwidthdisk,disk

speed,windspeeddesign,usingthefiniteelementanalysis

methodofSolidWorksanalyzethekeyparts,andprovidesabasis

forreasonabledesignofverticalrollermill,whichensuresthe

operationinwellconditionandmeetstheneedsoflarge-scale

cementindustry.

Keywords:verticalrollermill,cementindustry,finiteelement

目錄

第一章緒論...................................................1

1.1本課題研究的目的和意義....................................1

1.2本課題國內(nèi)外研究概況......................................2

1.3本課題研究的內(nèi)容..........................................6

第二章立式輻磨機的工作原理...................................8

2.1立式輻磨機的設備組成......................................8

2.2立式輕磨機的工作原理......................................8

2.3立式混磨機的主要技術(shù)特點.................................10

第三章立式輻磨機方案設計及確定..............................11

3.1立磨加載方式的方案比較及確定.............................11

3.2立磨磨輻及磨盤形狀的方案比較及確定.......................12

第四章立式輻磨機設計計算....................................13

4.1一般計算.................................................13

4.2工藝參數(shù)的確定..........................................15

4.3壽命、強度計算...........................................16

第五章立式輯磨機關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設計..........................26

5.1磨輻部分的結(jié)構(gòu)設計.......................................26

5.2磨盤的設計...............................................28

5.3立式輻磨機其他結(jié)構(gòu)設計...................................29

第六章立式輻磨機關(guān)鍵零件有限元分析..........................31

6.1結(jié)構(gòu)功能原理介紹.........................................31

6.2磨盤有限元分析..........................................31

6.3上搖臂有限元分析.........................................34

6.4下?lián)u臂有限元分析........................................37

6.5本章小結(jié).................................................40

第七章立式輻磨機關(guān)鍵部件的裝配工藝..........................41

7.1磨混的裝配工藝..........................................41

7.2磨盤的裝配工藝..........................................44

7.3整體裝配工藝............................................44

7.4本章小結(jié).................................................46

第八章立磨機相關(guān)環(huán)境概論....................................47

第九章結(jié)論..................................................48

9.1結(jié)論.....................................................48

9.2展望.....................................................48

參考文獻.....................................................49

致謝.........................................................50

附錄51

第一章緒論

1.1本課題研究的目的和意義

隨著化工、冶金、礦山等重型工業(yè)和建筑業(yè)的發(fā)展，水泥、礦石等的

生產(chǎn)量要求不斷增加，2012年中國水泥的年產(chǎn)量達到21.64億噸，比去

年同期增長7.4%,磷礦石的產(chǎn)量達到873.53萬噸。在現(xiàn)代化水泥和礦

石磨碎生產(chǎn)過程中，餛磨機成為重要的生產(chǎn)工藝過程設備，為了提高生

產(chǎn)質(zhì)量和提高產(chǎn)量，目前，國內(nèi)許多廠家不斷更新餛磨機的性能，其中

立式餛磨機的獨特的優(yōu)點決定了廣泛的應用性。

本項目是進行立式餛磨機的設計和強度分析，它綜合了機械設計，機

械原理，液壓控制，液壓系統(tǒng)，工程力學，有限元等技術(shù)，主要針對水

泥生產(chǎn)線的立式輻磨機進行機械部分的設計和強度分析，可以對餛磨機

進行優(yōu)化，使立式輻磨機的更佳性能，壽命更加長久，解決水泥生產(chǎn)業(yè)

中的設備優(yōu)化問題，以減少設備故障的機率。對于生產(chǎn)水泥企業(yè)以及生

產(chǎn)餛磨機等機械企業(yè)有重要的作用。

立式餛磨機動力裝置，傳動裝置，執(zhí)行裝置，防護裝置，收塵裝置，

進料裝置，分離器，風環(huán)等組成。其中動力裝置由電動機提供輸出，傳

動裝置是行星齒輪減速機，進料裝置是物料經(jīng)鎖風喂料器從進料口落在

磨盤中央；執(zhí)行裝置由減速機輸出帶動磨盤旋轉(zhuǎn)；磨餛和磨盤研磨作用

下磨碎物料。在物料經(jīng)鎖風喂料器進入餛磨機時，熱風從進風口進入磨

內(nèi)。隨著磨盤轉(zhuǎn)動，物料在離心力作用下，向磨盤邊緣移動，經(jīng)過磨盤

上環(huán)形槽時受到磨混碾壓而粉碎，粉碎后物料在磨盤邊緣被風環(huán)高速氣

流帶起，大顆粒直接落到磨盤上重新粉磨，氣流中物料經(jīng)過上部分離器

時，在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子作用下，粗粉從錐斗落到磨盤重新粉磨，合格細粉隨氣

流一起出磨，通過收塵裝置收集，即為產(chǎn)品，含有水分物料在與熱氣流

接觸過程中被烘干，通過調(diào)節(jié)熱風溫度，能滿足不同濕度物料要求，達

到所要求產(chǎn)品水分。通過調(diào)整分離器，可達到不同產(chǎn)品所需粗細度。

本項目主要是以設計動力裝置即電動機的選型，執(zhí)行裝置即減速機的

選型，執(zhí)行裝置即磨盤和磨混的設計，對磨混以及磨盤做有限元強度分

析。通過本次課題的設計，可以使我對混磨機有深層次的了解，同時對

機械零部件設計，機械原理，有限元設計方法有比較深入的學習，可以

說是它是一個綜合性很強的課題，對于大學四年知識的學習是一個鞏固

和總結(jié)，同時也可以學到許多實用性很強的新知識。這將是我人生當中的

又一筆寶貴的財富。

1.2本課題國內(nèi)外研究概況

近年來，國外對超細粉碎及分級設備、工藝、微細顆粒粒度測定等方

面的研究十分活躍，這是由于國外在復合材料、新型陶瓷、電子材料等

許多尖技術(shù)方面迅速發(fā)展而決定的。在先進的工業(yè)化國家，微米級超細

粉碎設備已渡過了其發(fā)明時期，而進入成熟、配套、完善的階段，設備

研究朝著亞微，米級超細粉碎和微米級精密分級的方向發(fā)展。粉碎技術(shù)

的發(fā)展主要表現(xiàn)在產(chǎn)品微細化、微粉功能化、設備自動化、節(jié)能新工藝

和新設備及低污染高強度材料的應用等方面。我國自20世紀80年代以

來，粉碎工程學術(shù)界較為活躍，其主要目標在于提高粉碎過程的效率和

滿足工業(yè)上某些物料產(chǎn)品的粒度要求。對粉碎機研究的大規(guī)模興起，始

于80年代中期，當時主要注意力在兩方面:其一是濕式超細粉碎機、攪拌

球磨機和塔式磨機的研究；其二是干式氣流粉碎機的研究。當時，我國

主要以引進國外先進的設備和技術(shù)為主，同時，國內(nèi)技術(shù)人員進行了大

量研究開發(fā)工作，經(jīng)過十幾年的努力，國內(nèi)已能生產(chǎn)各種氣流磨、高速

沖擊磨、攪拌磨、振動磨，有的設備在性能上已接近國外同類設備的水

平。但總的說來，與國外的先進技術(shù)設備相比，我國的超細粉碎技術(shù)仍

存在一些問題：

①已研制出的各種型號規(guī)格的超細粉碎設備中，有些在結(jié)構(gòu)設計、

材質(zhì)

及加工精度等方面，與國外先進設備相比還有一定差距。

②產(chǎn)品的深加工檔次低、系列少，對用戶的需求針對性差。

③缺少高效的超細分級設備與粉碎設備配套。

磨碎機械磨碎機主要依靠兩個工作表面或介質(zhì)之間的擠壓和摩擦力將物

料研磨成極細的產(chǎn)品。主要產(chǎn)品有：

(1)片磨：適用于物料磨碎，也適用于研磨含水分高的物料以及韌性

大的物料。按照磨盤安裝位置可以分為立磨和臥磨兩種；按照磨片的材

質(zhì)不同可分為剛磨、金剛砂磨、石墨、陶瓷磨等，用途十分廣泛。

(2)錐形磨粉機：適用于小麥、雜糧和豆類的干磨和濕磨。工作時，

依靠兩磨頭磨齒對物料的擠壓和剪切作用磨碎物料。錐形磨的特點是適

應性廣、經(jīng)久耐用、加工低廉，但是干磨時成品的溫升較高、成品質(zhì)量

較差、耗能大、生產(chǎn)效率低、噪聲較大、軋距調(diào)整比較復雜。

(3)對輕式粉磨機：根據(jù)使用對象不同，又可分為農(nóng)用小型磨粉機和

大、中型磨粉機。前者裝備有一對磨混，其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、生產(chǎn)

率低；后者配制有兩對磨輻，其結(jié)構(gòu)復雜、機械化自動化程度高、生產(chǎn)

率高，如國產(chǎn)MY型磨粉機。

(4)立式輕磨機：亦稱立式磨，其結(jié)構(gòu)型式有十余種之多，如萊歇磨

(LOESHEMILL)等。混磨機是利用快速轉(zhuǎn)動的若干個幌子對固定磨盤中的

物料進行輻壓產(chǎn)生的研磨作用而粉碎，有效粉碎功較高；由于它是風掃

式磨，兼具粉磨與烘干的功能。其缺點是磨軸與磨盤的磨損大、壽命

短，需采用高耐磨材料制作，且檢修、更換較復雜。德國的洪堡公司、

美國的富勒公司和丹麥的史密斯公司等都相繼開發(fā)出各自的輻磨機系列

產(chǎn)品。

(5)球磨機：球磨機的類型很多，應用廣泛。按研磨介質(zhì)分有球磨

機、棒磨機、礫磨機、自磨機(無介質(zhì))、半自磨機(少量介質(zhì))。球磨機的

優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、適應性強，可連續(xù)操作適于大型化；缺點是效率低、

耗電高、介質(zhì)材料消耗大。為適應工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的要求，采用分級

機與球磨機閉路作業(yè)生產(chǎn)粉體物料。

⑹振動磨：通過磨機筒體作高頻強烈振動使研磨介質(zhì)對物料產(chǎn)生沖

擊、摩擦、剪切作用而使物料粉碎。振動磨的缺點是噪音大，對軸承彈

簧等部件材質(zhì)質(zhì)量要求高，處置某些含結(jié)晶水物料時有粒度粘結(jié)、增大

現(xiàn)象。振動磨主要應用在耐火材料、磁性材料、化工等領域。國外機型

主要有德國洪堡公司的Palla型振動磨，美國SWECO公司的立式旋振動

磨。國內(nèi)振動磨生產(chǎn)廠家主要有溫州礦山機械廠、江陰機械廠及青島礦

山機械廠。

⑺介質(zhì)攪拌磨：介質(zhì)攪拌磨有立式和臥式兩大類，主要由一個靜止

的筒體和一個旋轉(zhuǎn)的攪拌器組成，筒體內(nèi)充滿小直徑研磨介質(zhì)，主要通

過攪拌器攪動介質(zhì)產(chǎn)生摩擦、剪切和少量沖擊粉碎物料，產(chǎn)品細度可小

于即介質(zhì)攪拌磨被認為是最有發(fā)展前途的粉碎設備。產(chǎn)品有美國UP

公司生產(chǎn)的Szegvari攪拌磨、瑞典SALA公司生產(chǎn)的SAM攪拌磨，國

內(nèi)有長沙礦冶研究院研制的立式螺旋攪拌磨等。

物料的破碎是許多行業(yè)（如冶金、礦山、建材、化工、陶瓷筑路等）產(chǎn)

品生產(chǎn)中不可缺少的工藝過程。由于物料的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)差異很大，

為適應各種物料的要求，破碎機的品種也是五花八門的。就金屬礦選礦

而言，破碎是選礦廠的首道工序，為了分離有用礦物，不但分為粗碎、

中碎、細碎，而且還要磨礦。因為磨礦是選礦廠的耗能大戶（約占全廠耗電

的50%）,為了節(jié)能和提高生產(chǎn)效率，所以提出了"多碎少磨"的技術(shù)原

則。這使破碎機向細碎、粉碎和高效節(jié)能方向發(fā)展。另外隨著工業(yè)自動

化的發(fā)展，破碎機也向自動化方向邁進（如國外產(chǎn)品已實現(xiàn)機電液一體

化、連續(xù)檢測，并自動調(diào)節(jié)給料速度、排礦口尺寸及破碎力等）。隨著開

采規(guī)模的擴大，破碎機也在向大型化發(fā)展，如粗碎旋回破碎機的處理能

力已達至于新原理和新方式的破碎（如電、熱破碎）尚在研究試

6000t/ho

驗中，暫時還不能用于生產(chǎn)。對粗碎而言，目前還沒有研制出更新的設

備以取代傳統(tǒng)的顆式破碎機和旋回式破碎機，主要是利用現(xiàn)代技術(shù)，予

以改進、完善和提高耐磨性，達到節(jié)能、高效、長壽的目的。細碎方面

新機型更多些?？偟膩砜?，值得提出的有：顆式破碎機、圓錐破碎機、

沖擊式破碎機和輕壓機。

專昆壓機是20世紀80年代中期發(fā)展起來的高效節(jié)能設備。形式上很

像傳統(tǒng)的對輯破碎機，但實質(zhì)上有兩點不同：一是輕壓機實施的是準靜

壓破碎，它與沖擊粉碎方式相比，節(jié)省能量約30%;二是它對物料實施

的是料層粉碎，是物料與物料之間的相互粉碎，粉碎效率高，物料間的

擠壓應力可通過輕子壓力來調(diào)節(jié)。輻間壓力一般可達150~300Mpa,破

碎產(chǎn)品可達2mm,實現(xiàn)了"多碎少磨"。該機型開始用于水泥工業(yè)，其

增產(chǎn)節(jié)能帶來的經(jīng)濟效益引起了國際水泥界的極大興趣與關(guān)注。隨著技

術(shù)的不斷進步，國外為了擴大餛壓機的應用范圍（用于堅硬物料）和提高其

可靠性，都在不斷地改進自己的產(chǎn)品，主要表現(xiàn)在以下三個方面：一是

提高專昆面的耐磨性，如德國洪堡公司將壓軸表面堆焊耐磨層改為柱釘式

餛面，柱釘?shù)挠捕冗_到刀具的硬度，使其具有更高的抗耐磨能力（這是該

公司的專利），克魯普公司則采取金屬耐磨塊組合鑲嵌式壓餛，來提高其

耐磨性；二是壓輻軸承的改進，由于該機軸承要承受巨大的靜載荷和沖

擊載荷，原來用的雙列向心球面滾子軸承壽命很短，改為多排滾柱軸承

（洪堡公司是四排）后，可承受巨大的徑向力，軸向力則由雙作用止推軸承

承受，軸承座本身具有調(diào)心功能；三是控制系統(tǒng)的改進，使其達到自動

化（包括控制與監(jiān)測），德國洪堡公司開發(fā)的ROLVIS控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)該

機的自動化，并可調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程。改進后的輕壓機已開始用于金屬礦

山,如智利LosColorados鐵礦選廠使用德國KHD洪堡?威達克公司的

RPBR16-170/180型輻壓機作細碎用，給料量為1680t/h,給料最大粒

度為65mmx65mmx65mm,其生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟數(shù)據(jù)表明，混壓機技術(shù)比

常規(guī)的細碎技術(shù)具有很大的優(yōu)越性：與圓錐破碎機相比，處理量提高

27.2%,單位能耗降低21%,生產(chǎn)費用降低8%,產(chǎn)品粒度大約在3mm

至325目之間。其網(wǎng)格柱釘式板襯使用壽命約12000h（每lOOOh磨損

0.6mm）。這證明了該機型用于鐵礦選廠也是成功的。我國東北大學與沈

陽礦山機械廠協(xié)作開發(fā)的輕壓機的樣機（生產(chǎn)能力為100t/h）在唐山棒磨

山鐵礦試驗，也取得了較好的效果。唐鋼棒磨山應用高壓混磨機后。磨

機產(chǎn)量提高近50%,能耗降低15%~20%,鋼球耗降低30%左右，一個

月一個系列節(jié)約10萬元左右。一年全廠增加產(chǎn)值200萬元以上，而不

增加其它消耗。實際應用方面，1993年吳建明在介紹粉碎節(jié)能理論的基

礎上，較詳細的討論了德國KruppPolgsius公司的輕壓機，德國

KHDHumboldtwedag公司的專昆壓機,美國Fuller公司的輻壓機和國內(nèi)

有代表性的合肥水泥研究設計院的輕壓機。1995年徐秉權(quán)等人研究了

GGT-2型0500x120高壓輻磨機的結(jié)構(gòu)及工作原理，該設備用于處理

石灰石時，排礦粒度達到了4mm80%以上通過的技術(shù)指標，節(jié)能效果

顯著。1995年俞美、宋宏斌研究了輻壓機的粉碎流程及影響輕壓機工作

可靠性的因素。1997年段玉霞、王素玲等人也研究了餛壓機粉碎流程，

同時提出了輕壓機系統(tǒng)中存在的問題并提出了改造辦法。1998年馮國俊

等研究了輕壓機在氧化鋁生產(chǎn)中的應用，礦石的預粉磨，使原料料漿產(chǎn)

量有較大提高，解決了因料漿不足影響氧化鋁產(chǎn)量的問題，同時對節(jié)

能、降耗起到了很好的作用。將輻壓機用于粉碎堅硬物料（金屬礦石等）的

粉碎，也進行了有價值的嘗試。1997年的第20屆國際選礦會議上，德

國的N?帕德澤爾特等介紹了高壓混磨機在銅金礦山的第一次應用，結(jié)果

表明輕壓機作為礦石粉碎的一種新型設備，可以取代第三段和部分取代

第二段破碎，降低動力消耗，明顯減少磨礦成本，提高金屬收率。降低

入磨粒度，多碎少磨，甚至以碎代磨是礦石破碎的發(fā)展方向，混壓機無

疑是一種非常有前途的設備，其顯著的節(jié)能效果和大幅度的增產(chǎn)將對金

屬礦山的礦石破碎帶來革命的進展。但是這種設備壓力極高導致的一系

列問題，還需要開展深入而廣泛的研究，才有可能實現(xiàn)在金屬礦山的廣

泛應用。

1996年張鐵華等介紹了1993年由法國FCB公司和意大利布茲

(Buzzi)水泥公司聯(lián)合研制的筒餛磨。該設備的工作部件主要是大筒體和

小混筒，兩軸筒相同方向轉(zhuǎn)動，物料從臥式安裝的大筒體給礦端給入，

在大筒體內(nèi)表面和小輻筒外表面間被壓碎，壓碎后的物料靠離心力的作

用隨大筒體內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)，受物料導向板的作用向排礦端移動一段距離后進

入破碎區(qū)受第二次破碎，如此循環(huán)下去，礦石受多次破碎后從排礦端排

出成為產(chǎn)品。1994年和1996年文書明等研制的自循環(huán)超細粉碎機原理

上與法國FCB公司的筒混磨相似，但在筒體的支承方式上作了大的改

進，加大了筒體的長度，礦石循環(huán)破碎的次數(shù)增加，壓力進一步下降，

從而使得自循環(huán)超細粉碎機適合于國內(nèi)的加工制造水平，設備成本大幅

度下降。該設備排礦粒度可達4mm通過80%以上,當與篩分分級設備閉

路碎礦時，最終排礦可達1mm通過90%以上，具有取代一段棒磨機的

潛力。

1.3本課題研究的內(nèi)容

立磨(又稱專昆磨機)是一種用途很廣的粉磨兼烘干設備，可廣泛地用于

粉磨水泥或水泥熟料及其他建筑化工陶瓷等工業(yè)原料。立磨在工作原

理、研磨機理、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、工藝性能等方面以其獨特的優(yōu)點越來越

得到國內(nèi)外水泥行業(yè)的重

圖1.1立式輻磨機實物圖

視，隨著窯外分解技術(shù)的誕生，各國水泥行業(yè)越來越多地采用立磨粉磨

水泥原料與熟料，如圖L1所示。

立式粉磨機與其他磨粉機管磨機比較具有粉磨效率高、節(jié)能、工藝流

程簡單、占地面積小、磨料適應性強等很多突出的優(yōu)點，國內(nèi)的水泥、

礦渣立磨及大型水泥生料立磨都只能依賴進口，隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)

展，各項建設對水泥的需求量日益增加，以及對環(huán)保、節(jié)能要求不斷提

高，水泥行業(yè)對大型立式粉磨機的新增需求量越來越大，盡早占領國內(nèi)

大型立磨市場會給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。但在國內(nèi)，大型立磨的設

計和制造上還存在很多技術(shù)問題需要解決，還需要我們作不斷深入的研

究和實踐，相信我們一定能克服道道難關(guān)，順利實現(xiàn)大型立磨的國產(chǎn)

化。

立磨作為一種應用非常廣泛而且十分重要的生產(chǎn)機械，日益向大型

化，自動化及復雜化發(fā)展。這樣的關(guān)鍵設備一旦發(fā)生故障，往往會給生

產(chǎn)帶來巨大的影響，常常由于對故障的出現(xiàn)值估計不足，致使企業(yè)蒙受

較大的經(jīng)濟損失，每年企業(yè)為了保證其正常運轉(zhuǎn)的維修費用，在企業(yè)的

經(jīng)營費中占有很大的比例。要解決立磨工作過程中的實際問題，勢必對

立磨的工作狀況有一個全面清楚的認識，這樣做出的分析才是科學有效

的。傳統(tǒng)的類比設計方法已不能滿足立磨設計要求。本課題所研究的立

磨是根據(jù)現(xiàn)有立磨技術(shù)，按照設計參數(shù)要求，運用現(xiàn)代設計技術(shù)設計立

磨關(guān)鍵部件。隨著計算機技術(shù)和計算方法的快速發(fā)展，對立磨的分析研

究也日益豐富成熟，有限元方法已成為一種重要的研究方法。對立磨關(guān)

鍵部件強度進行有限元分析，磨輻在工作過程中產(chǎn)生的應力對磨混的時

效分析和壽命預估是非常重要的，立磨部件的應力分布取決于加載情

況、磨輕磨盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)和物料的特性。本課題對立磨關(guān)鍵部件進行強

度有限元分析，利用所得到強度分析結(jié)果來指導立磨設計，設計優(yōu)化參

數(shù)，以達到優(yōu)化效果。

第二章立式混磨機的工作原理

2.1立式輻磨機的設備組成

立式輻磨機主要由主電機、主減速機、磨盤、磨輻組、外殼、張緊裝

置、分離器、輔助傳動裝置、風環(huán)、噴嘴環(huán)、油管路、氣管路等部分組

成。整機的結(jié)構(gòu)見圖2.1。

圖2.1立式輻磨機裝配示意圖

2.2立式混磨機的工作原理

立磨的核心部分是一個轉(zhuǎn)動磨盤和安裝于其上面的四個錐形型磨餛。

磨輻的每一個下?lián)u臂與液壓缸相連進行單臂加載，同時，磨盤轉(zhuǎn)動造成

盤和輻之間的相對運動導致了對物料的連續(xù)碾壓作用。物料通過磨機喂

料口喂入到磨盤上，磨盤的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力使物料移向磨盤的外緣，借

助于磨盤和磨輾之間的相對運動被碾壓粉碎，被粉碎到一定程度的物

料，借助磨盤的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的離心力向外滑動。磨盤外沿處設有噴嘴

環(huán)，在這里具有烘干能力的熱氣流(一般流速達90m/s)將這些物料吹

向上方，但比物料比重大一些的廢料落入噴環(huán)下方，作為廢渣從排渣口

排走。被吹向上方的物料，當其繼續(xù)上升到設在磨機殼體上方的動、靜

態(tài)分離器區(qū)域時被分離器進行分離，被分離出的合格粒度物料繼續(xù)被氣

流帶出磨機，而不合格的較粗粒度的物料被分離器拋到磨機殼體后再落

入到磨盤實現(xiàn)第二次碾壓粉碎。據(jù)初步測定，物料一般需要研磨及穿過

上升氣流又落下再研磨，這樣循環(huán)30余次才能到達磨物料細度。因此，

當時用熱氣體研磨及烘干潮濕的原料時，立磨將是一臺高效率的懸浮烘

干機。在噴嘴環(huán)以上一米處氣體溫度由300攝氏度左右下降到100攝氏

度。這就是立磨能夠粉碎高濕度水泥生料的原因。立磨是按全風掃閉路

原理進行烘干兼粉磨作業(yè)的。碾壓破碎、風掃烘干和選粉組成了磨內(nèi)物

料處理的三個環(huán)節(jié)。物料在磨床上的研磨是立磨操作的主要環(huán)節(jié)。它是

一個機械能與粉磨能的轉(zhuǎn)換過程。輸入軸功率N、磨輕壓力P、磨軸在磨

床上的滾動磨擦系數(shù)n具有如下關(guān)系：

N=nxqxPxn(2-1)

式中：TT一圓周率。

磨床內(nèi)無物料時，n值最小，輸入功率最小，但這時磨能的轉(zhuǎn)換效率

為零。立磨磨盤是水平的，磨棍襯板設計成錐形，理論上是以線接觸形

式作業(yè)的。所以在空床時機械能在一個較大的接觸區(qū)全部轉(zhuǎn)化為盤和輻

襯板的熱能，造成研磨元件表面破壞性變型和磨損。因此，空床作業(yè)對

立磨是絕不容許的。磨機的磨混靠液壓缸拉緊，由液壓缸產(chǎn)生的拉緊力

傳到磨軸上，再傳到磨餛與磨盤之間的料層中，對盤內(nèi)物料進行研磨。

在地基、立柱、磨輕、磨盤、減速器這些構(gòu)件中形成力封閉環(huán)形體。在

各液壓缸的液壓系統(tǒng)中裝有吸收振動的蓄能器。分離器靠變頻調(diào)速電機

驅(qū)動，并可無級變速。由主電機通過減速器帶動的旋轉(zhuǎn)運動使磨盤轉(zhuǎn)

動，而磨混則在磨盤的摩擦作用下做圍繞磨輯軸的自轉(zhuǎn)。磨盤轉(zhuǎn)動通過

磨掘?qū)⑴ぞ貍鞯捷S承座上，而軸承座沿軸向?qū)⒋肆鞯阶獾木彌_裝置

上此力基本上，被緩沖系統(tǒng)吸收，降低磨機的水平振動。

物料通過鎖風三道閘門及進料口送到磨盤的中心，磨盤轉(zhuǎn)動時，在離

心力作用下，物料向磨盤周邊移動，進入粉磨區(qū)域。通過輻和盤之間的

運動被碾壓粉碎，被粉碎到一定細度的物料向外溢出。磨盤外沿處有一

風環(huán)，上升的氣流（在粉磨兼烘干系統(tǒng)中則為熱氣體）通過風環(huán)作用于

物料，上升的氣流即能阻止物料通過風環(huán)下落，也能允許一定的粗料落

入風環(huán)下面，經(jīng)過刮料板排出機體，再通過磨外提升機提至頂部和喂料

一起入磨，進行再循環(huán)。符合某一細度要求的物料由氣流向上輸送，物

料到達磨機上部后，由分離器進行分離，將某一細度的物料送出磨機，

粒度較大的物料由分離器甩到磨腔內(nèi)壁上，再落入磨盤，重新粉磨，直

到選出合適粒度的料粉。

2.3立式輻磨機的主要技術(shù)特點

a）具有更高的研磨效率；工藝流程大大縮短；比電耗較低。物料的

研磨在限定壓力下進行。

b）磨機可輕載啟動。

c）磨混碾磨壓力采用液壓加載、遠程控制加壓、抬輕動作及調(diào)整壓

力。

d）緩沖裝置可以降低磨機的水平振動。磨盤中心給料可以使四個磨

混均勻受力。

e）部分外循環(huán)可以降低磨內(nèi)壓差，降低系統(tǒng)電耗。

f）磨輯、磨盤上直接參與研磨的構(gòu)件是用若干塊組合而成并可更換，

研磨構(gòu)件由耐磨材料制成。磨混和磨盤襯板可用液壓裝置翻轉(zhuǎn)到磨外檢

修或更換。磨混襯板能翻面使用，延長了研磨構(gòu)件的使用壽命。

第三章立式輻磨機方案設計及確定

3.1立磨加載方式的方案比較及確定

立式輻磨機通常的加載方式有兩種：如圖3.1所示。

圖3.1磨輻加載方式示例

第一種是集中加載式，具體形式是：安裝于磨盤上的磨餛通過壓力框

架將磨混組連在一起，液壓系統(tǒng)通過對壓力框架進行加載使得壓力框架

帶動磨混組同時對磨盤加載，磨餛組的各個磨餛是處于同步工作狀態(tài)，

受力部件主要是壓力框架和磨餛組以及磨盤。

第二種是單臂加載方式，具體形式是：每一個磨餛單獨成為一個部

件，磨輻通過輻軸與上搖臂連接，可以繞餛軸旋轉(zhuǎn)，上下?lián)u臂通過彈性

銷軸連接使其成為一體，下?lián)u臂與固定在立柱上的液壓缸連接，液壓缸

對搖臂加壓，壓力通過搖臂傳到磨餛上，對盤內(nèi)物料進行單臂加載。受

力部件主要是搖臂和磨餛以及磨盤。

本課題采用第二種單臂加載方式設計餛磨機，其優(yōu)點在于：

1.采用單臂加載時，可以自動調(diào)節(jié)其壓力，蓄能器調(diào)節(jié)壓力性能較

好。

2.單個磨輻對料層的形狀的適應性較好，在碰到局部大顆粒的物料，

單臂加載可以進行對局部大塊碾壓時，不影響其他磨軸的工作，而集中

加載的磨混，當其對某一大塊加載時，會使其他的磨掘處于對料層的懸

空，不進行工作，降低其研磨效率。

3.單臂加載時會產(chǎn)生更大的碾磨壓力，每一個搖臂可以承受更大的載

荷。集中加載時，由于壓力框架同時對多個磨混傳遞力的作用，因此，

可承受的載荷減小。

3.2立磨磨輕及磨盤形狀的方案比較及確定

立磨磨盤和磨輻的形狀通常有兩種形式：如圖3.2所示。

方案一方案二

圖3.2磨輻及磨盤形狀的形狀

第一種是鼓形磨混，磨混的襯板的周向形狀是鼓形，與它配合的磨盤

的襯板形狀也是鼓形，這樣在碾磨時候料層進入磨盤的槽型內(nèi)，被磨輻

碾碎。

第二種是錐形磨混，磨輕襯板的周向形狀呈錐形，與它配合的磨盤形

狀是平形，這樣在碾磨時，物料在磨盤與磨混之間進行受壓。

本課題采用第二種磨軸形狀，其優(yōu)點在于：當磨輻與磨盤對物料進行

加載時，理論上磨盤與磨輻的接觸是一條切線，當物料進行研磨時，使

得磨混襯板的全部部位進行工作。而采用鼓形時，磨盤與磨混的接觸是

一點，這樣接觸應力很大，在研磨的時候，鼓形的最高點磨損很快。

第四章立式輻磨機設計計算

4.1一般計算

(-)磨輻尺寸

1根據(jù)磨盤直徑系列初選磨盤中徑為D=4000mm,由經(jīng)驗公式得：

磨餛直徑：

d=(0.65~0.72)xDx(0.95~1.05)(4-1)

=(0.65~0.72)x4000x(0.95~1.05)

=2470~3024mm

因此初選磨餛直徑為d=2500mm。

2.磨餛寬度：

根據(jù)經(jīng)驗公式：

5=0.24x7)x(0.95-1.05)(4-2)

=0.24x4000x(0.95-1.05)

=912~1008mm

因此初選磨輻寬度為：B=945mm。

(二)給料粒度：

根據(jù)經(jīng)驗公式：

4=2(4-3)

'40

4000

40

=10077/7?

取4W100mm。

(三)磨盤轉(zhuǎn)速：

K(4-4)

Vo.001XD

45.8

―70.001x4000

=22.9r/min

根據(jù)立磨相關(guān)資料及經(jīng)驗初選磨盤轉(zhuǎn)速為：〃=23r/min。

（四）單餛碾壓力：

對于磨粉水泥生料：對于水泥磨生料單位面積上的碾壓力一般取為

450人N/加之~80（UN/，〃2。

取600左N/療作為計算的依據(jù)，則由經(jīng)驗公式得單餛碾壓力為：

尸=600x1x5（4-5）

=600x2.5x0.945

=1417.5ZN

取尸=1417.5EV

（五）主電機功率：

1.物料的實驗結(jié)果：（沒有用戶，暫定為7.5kWh/t）

2.要求產(chǎn)量：350t/h

3.所需的功率計算：

R=350x7.5=2625&W

4.所配功率

選電機功率為：3600kW

選擇的電機型號為：YRKK850-6繞線型異步電動機、3600kW.

994r/min6000V

5.起動轉(zhuǎn)矩的要求

根據(jù)立式輻磨機主電機起動特性曲線，當電機轉(zhuǎn)速達到2.5%時，滿

負荷起動的轉(zhuǎn)矩要求為額定轉(zhuǎn)矩的2.8倍。因電機功率P>\.2PX,所以，

現(xiàn)定起動轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩=2.6,則實際上為2.6x12>2.8,滿足起動轉(zhuǎn)矩

的要求。

（六）主減速機的選型

1.傳動比：

994

—=43.2

23

取，=44°

2.入軸功率：3600kWo

主減速機型號選用WPU-200c減速機，傳動比為：40,

因此，實際輸出轉(zhuǎn)速為：

994

n=----=24.85r/min。

40

（七）單輕摩擦力的計算：

在襯板與磨棍的相對運動中產(chǎn)生摩擦力，與電機輸出扭矩相平衡。電

機功率P=3000kW，轉(zhuǎn)速：〃=24.85r/min,，加載平均半徑

R=2.00m,則電機施加給磨盤的扭矩為：

［史亞(4-6)

n

9550x3000

—24.85

=1152.9kN-m

單棍摩擦力為：

f=\(4-7)

mxR

9550x3000

24.85

=1152.90V加

(A)液壓缸壓力計算：

根據(jù)單餛碾壓力為1417.5kN,初步設定上下?lián)u臂長度比為1:1.5,

則液壓缸的壓力為：

1417.5x1.5

~r=2126.25ZN。

4.2工藝參數(shù)的確定

(-)磨機的基本風量確定

1.按風料比來確定

依據(jù)德國一種立磨的系統(tǒng)工藝圖。磨機基本產(chǎn)量為400t/h,取風料

比為1.125Nm/kg,貝U基本風量450000Nm/h。

2.磨內(nèi)風速的確定

當通風面積假想為fx》時，立磨磨內(nèi)風速一般在6~10Bm/s,風

量按100℃計算，不考慮壓力。

(二)對磨機進風口至分離器出口壓差的考慮

根據(jù)《水泥》雜志介紹，磨機外循環(huán)時，由于噴口環(huán)風速的降低，可

使磨機壓差降低15%~30%。根據(jù)池洲、銅陵海螺水泥有限公司運轉(zhuǎn)的

兩臺MLS4531立式混磨機的磨機進風口至分離器出口壓差為8500Pao

假設分離器壓差為lOOOPa，噴口環(huán)的壓差為7500Pa,則內(nèi)循環(huán)

時，噴口環(huán)的壓差為：

7500x(0.77~0.87)=5775~6525P。。

根據(jù)以上計算，磨機進風口至分離器出口壓差可考慮確定為6700—

7500Pao綜合考慮，可確定磨機進風口至分離器出口壓差為8000Pao

(三)磨機生產(chǎn)能力

池洲、銅陵的試驗產(chǎn)量最小為510kg,則所能達到的生產(chǎn)能力Q

為：

Q=510x775x0.875x0.925xl.l5=367.9t/h(磨損后期)

其中，775為轉(zhuǎn)換系數(shù),0.875為考慮磨損后期產(chǎn)量下降的系數(shù)0.925為

保證系數(shù)，1.15為考慮磨盤、磨專昆優(yōu)化設計及采用動靜態(tài)分離器時增加

產(chǎn)量的系數(shù)。

根據(jù)池洲、銅陵海螺水泥有限公司運轉(zhuǎn)的兩臺MLS4531立式輕磨機

的實際產(chǎn)量420~450t/h,該磨機生產(chǎn)能力達到350t/h。

4.3壽命、強度計算

(-)磨餛軸承的壽命計算：

磨輻采用雙列圓錐滾子軸承其型號為：332304A,

Co=5610kN,C=10200kN,額定轉(zhuǎn)速為n=480r/min。

磨混軸承受力簡化圖如圖3.1所示:

軸承的受力簡圖如圖3.2所示，

計算磨混軸所受的軸向力和徑向力：

由磨輻的碾壓力E=1417.5ZN,得出徑向力：

FH=Fcosl30(4-8)

=1417.5xcos13°

=1381.2kN

軸向力：

=Fsinl30(4-9)

=1417.5xsin130

=3166kN

圖4.2磨專昆軸承受力示意圖

由圖紙設計的測量可得，磨混軸向力與徑向力作用點與軸承支反力作

用點接近，因此可以將磨混軸的軸向力和徑向力作為軸承所受的軸向力

和徑向力，即

A=FH=316.6kN

R=Fv=l38T.2kN

軸承所受的當量載荷：

P=fdfni(XR+YA)(4-10)

=1.5x1.5x(1x1381.72+0x316.6)

=3108.17ZN

其中，力為沖擊載荷系數(shù)；

，為力矩載荷系數(shù)；

X為徑向系數(shù)；

A為軸向系數(shù)。

磨餛的轉(zhuǎn)速計算：

磨餛的平均半徑為r=1250,2m,磨盤的平均半徑為火=1250吹加，因此

磨餛的轉(zhuǎn)速為：

R

n}=—n

=39.76〃/min

軸承壽命的計算：

3黑喈尸（4-"）

106*90x10200、，

-.............X（----------------），

-60x39.763108

=15495/1

其中，￡為溫度系數(shù)。

（二）中心軸強度校核：

由設計圖紙測量簡化為近似力學模型，磨餛及搖臂的受力圖如圖3-1

所示：

則圖中a=23.19。，因此，根據(jù)平面力系的求解:

乙=耳sina

=2126.25xsin23.19-

=8373kN

Fv=F,-cosa-F

=2126.25xcos23.29°-1417.5

=537AN

因此，中心軸在兩搖臂上的反作用力為：

>/837.32+5372

2

=473AkN

中心軸的受力示意圖、彎矩圖如圖3-3所示：

圖4.3中心軸受力示意圖

則最大彎矩在A、C兩點，由于C點軸徑較小，所以對C兩點進行校

核：

C點的彎矩為:

Mc=F"

=473.4x848.5

=401680kN?mm

=401680000N-mm

c點處的抗彎剖面模量為:

(4-12)

3.14x54()3

一32

=15458992/7〃〃

C點處的彎曲應力為：

/=必(4-13)

_401680000

15458992

=25.98MP。

由工程材料手冊查到42CrM。的許用應力為：[a]=460Mpa,因此，

%<⑻

所以中心軸的強度符合要求。

(三)磨餛軸的強度校核：

磨餛軸主要功能是連接搖臂與磨餛，在工作時，它可以簡化為懸臂

梁，同時受到水平面與垂直面內(nèi)的集中力作用，如圖4.4(1)所示，軸

與搖臂的連接處是校核截面，受力圖及彎矩圖如圖4.4(2)所示。

由設計圖紙測量其距離可畫出其彎矩圖如圖4.4(3)所示：

則磨輻軸A處為危險截面,

圖4.4(1)磨輻軸受力示意圖

圖4.4(2)磨輯軸彎矩圖

圖4.4(3)磨混軸合力矩圖

A處垂直方向的彎矩為：

MAV=F-l2-cos13-Fr-sinB

=1417.5x1662xcos13-1417.5x1250xsinl3

=1896918.7N?m

=1896918700N-mm

A處水平方向的彎矩為：

=144.1x1250

=168597N-m

=168597000N?mm

A點的合彎矩為：

%=他」+葉

=7189691870(f+168597000?

=1904396400/V?mm

A截面的抗彎剖面模量為：

777/3

%=魯(4-14)

3.14x6803

一32

=3085364?！ǎ?，

則A面的彎曲應力為：

1904396400

30853640

=6L7Mpa

由工程材料手冊查到42CrM。的許用應力為：。]=460孫。，因此，

crA<[o']

所以磨輻軸的強度符合要求。

（四）分離器轉(zhuǎn)軸的強度校核：

由設計圖看出，分離器旋轉(zhuǎn)軸在分離器啟動時受到扭矩最大，分離器

重量集中在軸端的4個螺釘上，因此需要校核分離器轉(zhuǎn)軸的啟動轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)經(jīng)驗選粉設計分離器，其轉(zhuǎn)速大約為30~80r/min,設定為

50r/min,當分離器啟動后60s內(nèi)達到額定轉(zhuǎn)速，由此進行校核分離器旋

轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)剪切強度。

圖4.5分離器轉(zhuǎn)子示意圖

分離器轉(zhuǎn)子呈鼠籠形狀，可以將其簡化為筒形來計算其轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)

子的形狀尺寸如圖3.5所示，則其轉(zhuǎn)動慣量為:

；2+々2)

m?(r(4-16)

2

夕?乃?㈠一信八書+昌

2

7800X10-9X3.14X(17982-16002)x2450x(17982+16002)

2

l.llxWnkg-mm2

1.17x105Ag.m2

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為：

n-7i

CD=-----(4-17)

30

50x3.14

30

=5.23rad/s

根據(jù)初始設定，分離器在啟動后60s內(nèi)達到正常轉(zhuǎn)速，則其啟動加速度

為：

(4-18)

5.23

--6(r

=0.087rat//r

根據(jù)牛頓定律得出所需轉(zhuǎn)矩為：

T=J邛(4-19)

=1.17x1()4x0.087

=1.02xl04?/m

=1.02X107TV-mm

分離器轉(zhuǎn)軸的受力及扭矩圖如圖3.6所示，

TT

圖4.6分離器軸扭矩圖

A面的扭轉(zhuǎn)剪切應力為：

16T

(4-20)

7tdy

16xl.02xlQ7

3.14xl8(P

89MPa

（五）對鍵的強度進行校核:

鍵所受的擠壓應力為：

4T

~dhl(4-21)

4xl.02xlQ7

-180x155x25

=5S.5MPa

查閱工程材料手冊，鋼的許用擠壓應力在輕微沖擊狀況下為：

[%J=100~120Mpa

因此，。＜匕』，所以，鍵的擠壓強度符合要求。

鍵所受的剪切應力為：

2xl.02xlQ7

-45x155x180

=16.2MPa

查閱工程材料手冊，Q235A的許用剪切應力為：

[可=141~188Mpa

因此，孫＜團，所以鍵的強度符合要求。

第五章立式混磨機關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設計

5.1磨餛部分的結(jié)構(gòu)設計

(-)磨輻的主要組成及其作用

磨餛是完成碾磨物料的主要功能部件，加壓系統(tǒng)通