【溫馨提示】 dwg后綴的文件為CAD圖，可編輯，無水印，高清圖，，壓縮包內文檔可直接點開預覽，需要原稿請自助充值下載，請見壓縮包內的文件及預覽，所見才能所得，請細心查看有疑問可以咨詢QQ：414951605或1304139763
水泥機械——輥壓機設計
ROLLER PRESS DESIGN OF CEMEN MACHINERY
摘要
輥壓機是目前最為先進的粉磨設備，然而在實際生產過程中卻發(fā)現其存在著各種各樣為更好地解決輥壓機在設計和應用中存在問題，使其擁有更加合理的結構設計，充分發(fā)揮節(jié)能降耗的優(yōu)點，本文將重點研究輥壓機的工作機理，并確定相關技術參數的計算方法。運用輥壓機對現有的圈流粉磨系統(tǒng)進行改造，增強整個粉磨系統(tǒng)，以得到良好的節(jié)能增產效果。
本文在研究高壓料層粉碎理論的基礎上深入分析輥壓機的作業(yè)原理與方式。通過理論及對作用力的研究確定了輥壓機的寬徑比、輥速、輥隙、喂料粒度、喂料角、拉入角及生產能力等技術參數的計算方法，以此確定更加合理的技術參數確保本次輥壓機設計的優(yōu)化性能更高。
關鍵詞 輥壓機；粉磨系統(tǒng)；技術參數；節(jié)能增產
Abstract
Roller press is the most advanced grinding equipment, but in the actual production process, but found there were wide as to better address the roller press in the presence of design and application problems, it has a better structure design, give full play to the advantages of energy saving, this paper will focus on the working mechanism of the roller press, and to determine the method of calculation of the relevant technical parameters. Using existing roller press grinding system to transform, enhance the overall grinding system, in order to obtain a good energy yield.
Based on the analysis of the working principle of roller press on the principle ofcrushing material layer, based on calculating method, the roller width diameter ratio, roll gap, rolling speed, feed angle, feed size, pull in angle and production capacity, technical parameters, methods to determine the technical parameters of roller press is more reasonable.
Keywords Roller press Grinding system Technical parameters Energy saving
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 輥壓機發(fā)展現狀及存在問題 1
1.3 選題意義及研究內容 2
2 輥壓機結構概述及工作原理 3
2.1 結構概述 3
2.2 工作原理 4
2.3 物料在輥壓機中的粉碎過程 5
3 輥壓機設計計算 7
3.1 輥壓機設計要求 7
3.2 輥壓機技術參數的計算與選擇 8
3.2.1輥壓機技術參數的設計計算依據 8
3.2.2輥壓機的生產能力分析 8
3.2.3輥壓機輥徑、輥寬的確定 9
3.2.4輥壓機的速度分析 12
3.2.5輥壓機輥隙的選擇 13
3.2.6拉入角計算 13
3.2.7粉磨力的確定 15
3.2.8輥子轉矩與傳動功率計算 15
3.2.9輥壓機的功率 16
3.3 輥壓機技術參數歸納 16
4輥壓機主要裝置方案設計 17
4.1機架結構設計 17
4.2 輥子 18
4.3 浮動端輥子支撐 18
4.4扭矩支撐 19
4.5 輥端擋板 20
4.6喂料裝置 21
4.7 液壓系統(tǒng) 22
4.8 集中潤滑裝置 25
5 輥壓機配套設備的選型 26
5.1電動機功率確定 26
5.2輥壓機減速機的結構工作原理及選型 26
5.2.1減速機的工作原理： 26
5.2.2輥壓機減速器的選型 27
5.3 輥壓機聯(lián)軸器的選擇 28
5.4輥壓機輥子支撐部軸承 29
6輥壓機改造系統(tǒng)的技術經濟效果 31
6.1 輥壓機增產節(jié)能效果的驗證 32
6.1.1輥壓粉磨系統(tǒng)電耗 32
6.1.2輥壓機增效系數 33
6.1.3輥壓粉磨系統(tǒng)產量 34
6.2 輥壓機其他技術經濟效果 35
結論 36
致謝 37
參考文獻 38
39
1 緒論
1.1 概述
輥壓機水泥圈流粉磨系統(tǒng)節(jié)能增產效果的突出，為其在世界現有粉磨加工設備中贏得最好的評價與最先進設備的桂冠。輥壓機的作業(yè)方式及結構決定了它對于各類物料及物料顆粒尺寸研磨范圍極大，適應性強，在除水泥生產行業(yè)之外也表現突出。近年來，在中國乃至全世界，輥壓機水泥生產系統(tǒng)在各種規(guī)格預粉磨、半終粉磨、終粉磨中得到了廣泛的推廣。[1]
本文在結合實際生產，充分考慮節(jié)能、增產等因素的條件下，吸收國內外相關先進經驗，應用輥壓機的粉磨系統(tǒng)來優(yōu)化改造現有的圈流粉磨系統(tǒng)，以此滿足各類型、規(guī)模粉磨加工系統(tǒng)的需求。
1.2 輥壓機發(fā)展現狀及存在問題
1.
上世紀末葉，隨著世界工業(yè)生產力的高速發(fā)展，及能源供應方面的欠缺。提高能源利用率的可持續(xù)化作業(yè)成為擺在各大國重工行業(yè)和科研工作者面前的難題。對于粉磨行業(yè)而言，如何改進或取代當時高能耗，低效率的管磨式生產方式成為首要任務。1977年，Clausthal大學礦石冶煉教授Schonert申報了高壓料層粉磨專利，此后KHD和POLYSIUS公司聯(lián)合收購了此項專利，轉而投入新型設備的研發(fā)中。1985年，世界首臺商用型輥壓機面世，它在高效、節(jié)能方面表現出的巨大優(yōu)勢使其迅速在世界粉磨行業(yè)中打開市場[1]。因此，在粉磨技術上，輥壓機的誕生被認為是粉碎工程的一次革命性突破與飛躍。
1987年，原天津水泥工業(yè)設計研究院等企業(yè)先后從國外引入輥壓機以及相關設計制造技術。兩年后，國內首臺實用輥壓機TRP100/25投產。從引進之初的設計受限、推廣困難，到如今的快速發(fā)展、應用廣泛，實現了我國又一次的工業(yè)轉型[3]。近年來，經過對國外先進技術的吸收及自我改進、創(chuàng)新，國內輥壓機生產企業(yè)有了長足進步，各系列、型號輥壓機發(fā)展全面。最高單產達；最大輥子直徑超；其設計生產技術領先世界。
2.輥壓機設用中存在的問題
在輥壓機及粉磨技術已相對完善的今天，隨著科技的不斷進步，我們仍然能在實際應用中發(fā)現輥壓機粉磨系統(tǒng)中存在著尚待強化解決的不足點。發(fā)展至今，輥壓機雖然在實際生產中不斷地改造、完善，但是還是存留一些難以解決的問題：
1）
技術參數是輥壓機在粉磨系統(tǒng)中尤為重要的一環(huán)，直接關系到其在粉磨系統(tǒng)中所占的地位，與節(jié)能增產和粉磨效果有密不可分的關系?？萍荚桨l(fā)達，對技術參數的要求也越高，輥壓機設計階段的測試分析也就越復雜。雖然目前世界各大輥壓機設計商均建有實驗臺，但對于輥壓機參數優(yōu)化的問題還需很長時間的研究。[2]
2）
因為輥壓機作業(yè)過程中，物料顆粒的不規(guī)則性及高液壓推力造成的機械振動、機架變形、強度疲勞等不利因素，導致整個粉磨系統(tǒng)處于并非完全安全的作業(yè)環(huán)境之下。因而設計輥壓機的前提條件是擁有能夠吸收高強度擠壓的機體。
3）
為追求產量的提高，輥壓機越來越大型化，相應的其輥子質量也越大，對于承載輥子的軸承及軸承座的要求也越高。普通雙列滾子軸承難以承載大型輥子并確保其穩(wěn)定的運行，所以在社會實踐中逐漸提出了四列式圓柱輥子軸承。這種軸承在體積小，質量輕的前提下確保了負載能力與穩(wěn)定，然而，測試結果顯示其在高壓力連續(xù)工作情況下的使用壽命沒有達到預期，所以在支撐軸承壽命問題設計的方面還有待提高。
1.3 選題意義及研究內容
1.選題意義
最近幾年，水泥輥磨終粉磨技術日臻完善，新型建筑材料行業(yè)均采用輥壓機技術，其中印度，越南等新興市場尤為突出。但是目前輥壓機中存在的許多細微問題都限制了輥壓機持續(xù)優(yōu)化。在追求工業(yè)4.0的當代社會，單產能耗比、適應性及污染度直接決定了機械產品受市場的追捧的程度。輥壓機是一種從誕生之初就被廣泛認可的新型粉磨設備，其在水泥生產行業(yè)應用效果顯著。相較于傳統(tǒng)圈流粉磨系統(tǒng)，輥壓機系統(tǒng)使水泥熟料粉磨電耗降低30%，增產50%左右。我國設計研發(fā)人員也應加倍努力，優(yōu)化改造自己的產品，縮小與國外先進機械行業(yè)的差距，及早趕上輥壓機粉磨技術的世界先進水平。
生產實踐統(tǒng)計數據表明，物料在輥壓機腔體內的運動狀態(tài)、能耗及粉碎效果三者間存在直接關系。因而，結合實際生產情況，嚴謹分析輥子運作規(guī)律，對輥壓機技術參數的研究是尤為必要的。
2.研究內容
更加合理的結構設計及參數算法選擇是解決輥壓機目前已展現出的問題的最佳途徑。但是由于我個人能力水平有限，所涉及的專業(yè)性研究儀器不足，本次的設計并不能完美解決上述問題。鑒于此，本文的主要研究內容如下：
1）引進輥壓機設備改造原有圈流粉磨系統(tǒng)。
2）研究高壓料層粉碎理論以及物料的運動狀態(tài)，確定相關（如輥徑比，輥速等）的計算方法。
3）減速器、聯(lián)軸器、電機等設備的選型；液壓系統(tǒng)的設計。
4）對優(yōu)化后的聯(lián)合粉磨生產系統(tǒng)進行驗證。
2 輥壓機結構概述及工作原理
2.1 結構概述
輥壓機的外形構造類似于雙輥破碎機，原理也大致相同。輥壓機主體結構由機架、輥子、軸承及軸承座組成；進給料裝置、液壓及傳動系統(tǒng)連接在機架之上形成輥壓機。其余如冷卻潤滑裝置，安全欄等都為輔助裝置。
1） 機架：輥壓機的基礎部件。由左右板等結構件焊接而成。結構如圖2-1所示
圖2-1 輥壓機機架
2） 擠壓輥裝置：擠壓輥裝置是由一固定輥子，一浮動輥子以及一整套的較為復雜的軸承（套）、軸承座組成的，是輥壓機的主要加工部。其輥面形式和質量的優(yōu)劣直接影響物料成品質量?，F在常用的輥面形式有V型，點陣型和網格型。如下圖2-2所示。
圖2-2 輥子
3） 進給料裝置：由導料節(jié)器、緩沖部分等組成，與料倉調節(jié)閥門相連。該裝置用以保證物料均勻、定量、平穩(wěn)的進入粉磨區(qū)。如圖2-3所示。
圖2-3 進給料裝置
4）傳動系統(tǒng)：主要由電動速器和萬向聯(lián)軸器組成。
5）液壓系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)與浮動輥軸承座想鏈接，為浮動輥提供水平推力，一形成高壓內環(huán)境。該系統(tǒng)工作狀況直接影響物料擠壓粉碎效果。
6）冷卻系統(tǒng)：降低輥子與軸承、軸承座之間的摩擦熱，提高機械使用壽命。
7）潤滑系統(tǒng)：降低輥子與軸承、軸承座以及其他運動部位之間的摩擦因數，減少機械磨損。
8）其他輔助裝置。如輥罩、安全欄等。
2.2 工作原理
如圖2-1所示，輥壓機主要是通過四個大型滾動軸承將兩個速度相同、彼此平行，相向轉動的輥子組成的。其中一輥子為固定輥，另一輥子為與液壓缸相連的浮動輥子，其軸承座可沿機架做水平移動。工作時靠兩個擠壓輥的復合運動把物料擠壓成細粉。物料從導料口均勻喂入輥壓機機腔，在輥子表面的帶動下開始向下運動，液壓缸提供的壓力經復工輥子傳遞至物料，并逐漸使物料顆粒擠壓破碎。在經過最小輥間隙點后，物料出現微裂效果，并呈現為密實的扁平料片，。且料片機械強度極低，易碎而含有大量細粉。
圖2-1 輥壓機工作原理圖
輥壓機與傳統(tǒng)水泥粉磨機械相比，擁有以下特點：
1） 高效、節(jié)能、增產
輥壓機對單位礦石的粉磨耗能約為，同比能耗降低20%～50%。產量方面，引用輥壓機的粉磨生產系統(tǒng)產量同比增長30%～50%，甚至更高。
2） 可粉磨高水分含量物料
在非水泥加工行業(yè)，對于輥壓機而言，粉磨含水物料（含水量小于10%）優(yōu)于干燥物料。因為在粉磨含水物料時，物料可自行生成輥面料墊，利于提高輥子使用壽命。
3）輥壓機設備整體結構緊湊、體積小，易于改造及零部件更換。自動工作監(jiān)控系統(tǒng)使得操作極為簡便。
4）現有的網格式輥面耐磨性能高
5）生產環(huán)境好。
整體裝置密封良好，靜壓破碎，防止粉塵飛漫。設備振動噪音相對于傳統(tǒng)機械小，極大改善了工人的工作環(huán)境。
2.3 物料在輥壓機中的粉碎過程
物料在輥壓機內，大致上經過“預壓——層壓粉碎——密結”三個交互作用的粉碎階段，最終形成成品[8]。如圖2-2所示。
預壓滑移階段
1）
物料在重力及摩擦力作用下向下做不規(guī)則運動，進入輥壓機內腔。料層為不規(guī)則的大顆粒礦物物料組成的松散體，具有較高的空隙和松散度。此時加載開始，載荷低于30MPa。在外力作用下，物料產生顆粒間滑移，彼此填充空隙并重新排列，使物料層密度提高。這一階段物料相對輥子的壓力較小，物料與輥面間產生相對滑動，磨損輥面，磨損形式主要為溝犁磨損。
料層粉碎階段
2）
密結階段
物料層密實后，顆粒變小，密度增大，破碎發(fā)生。物料與輥面呈線性接觸，此階段壓力大致在之間。繼而由于壓力增加幅度大于物料顆粒位移形變幅度，物料顆粒發(fā)生破裂。使得細微顆?；蚍勰ヌ畛溆陂g隙中，物料與輥子間接觸面積增加，也加快了壓力的傳遞。
3）
隨著輥子間隙持續(xù)減小，物料顆粒內分子應以被迫急劇升高，分子活動性加強。分子間力不足以維持物料原顆粒形態(tài)，從而使顆粒自內部碎裂。這一時期輥間壓力在之間，促使物料形成餅狀，實現料間粉碎。
圖2-2 物料在輥壓機中的運動過程
3 輥壓機設計計算
3.1 輥壓機設計要求
現有一圈流粉磨系統(tǒng)由離心式選粉機與一臺Φ3.2×13m水泥磨組成。生產泥時，產。細度為，相篩的篩。由實際加工統(tǒng)計數據結果可得知料在輥壓前后的Bond功指數分，料餅?！，F有數據如表3-1。
本文將引機對現有的圈統(tǒng)進行優(yōu)化改造，設計確定該臺輥壓機相應的技參數、格，并驗證其增產能力，單位電耗及經濟效益。
序號
項目
#525G水泥
1
原圈流系統(tǒng)產量Q（t/h)
33
2
未經輥壓物料的邦德功指數W。(kWh/t)
20.23
3
輥壓后物料的邦德功指數W1(kWh/t)
14.80
4
小于90um的細粉含量（%）
23.65
5
換算成80um的細粉含量a。（%）
22
6
小于80um顆粒的通過量c(%)
96
7
系統(tǒng)生產能力：
未知
注：1.當80um篩的篩，則通過量c=0.96。
2.因在實際測試中，各水泥加工廠篩析選用的篩孔有差異（通常有80um和90um兩種）。為方便計算及統(tǒng)一設計規(guī)準，需按圖3-1所示關系進行換算：
由圖可知，使用篩孔產品細粉率時，折合80um篩孔的細粉率為。
3.2 輥壓機技術參數的計算與選擇
3.2.1輥壓機技術參數的設計計算依據
設計資料顯示輥壓機，這樣就能夠計算出本次設計中系統(tǒng)的。為保證聯(lián)合式圈流粉磨生產系統(tǒng)整體的操作穩(wěn)定性和物料的利用率和產量最大化，需要返回的成品料及輥邊漏料，在這種方式地作業(yè)情況下，腔內物料細粉通。所以，在生時，輥壓機的通過量。因而，此次輥壓機課題設計中，最終設計通過量標準，或者說其預定產能為右。產能確定后，便可充當數據設計基礎確定其余技術參數。
3.2.2輥壓機的生產能力分析
設計技術參數直接決定了輥壓機的生產能力，產能表示的是單位時間內成品顆粒在腔體內的通過量。這樣看來，其決定因素是通過速度和料餅截面面積，通過速度可視作輥子轉速，截面面積則是長寬之積，亦即輥面寬度和最小輥隙之積。所以輥隙、輥寬、輥速是決定產能的三要素。成品并不代表合格品，其中參雜很多廢料顆粒，但是在相同條件下，成品合格率大致是固定的，所以產能便作為可評判輥壓機效益優(yōu)劣的指標而受到世界各大企業(yè)的認可。
式(3.1)
式中：
。
由工作原理，可推算出料餅厚度計算公式：
式(3.2)
帶入式（3.1）得：
式(3.3)
從公式（3.3）可以看出：輥壓機的產能Q與B、D、以及成正比關系，而輥壓機拉入角和物料自身密度性質也影響著產能大小。如此復雜的產能確定因素使得各參數設定時必須相互參照調節(jié)以達到最優(yōu)設計的方案。
3.2.3輥壓機輥徑、輥寬的確定
前文提到過，決定輥壓機產能的三要素為輥寬、輥徑和輥速，輥速由電動機及減速器確定，且是可調節(jié)量。而輥寬、輥徑是固定不變的。所以首先確定的技術參數應該是輥寬B和輥徑D。同時，作為最基礎也是最重要的參數，B和D的確定必須保證機械整體的運行穩(wěn)定安全，其次確保成品質量（即合格率），最后才考慮產能。
1）輥徑D的確定
從輥壓機工作原理圖可以看出，物料顆粒粉碎的最基本條件是物料顆粒尺寸必須小于最小輥隙，否則將會出現卡死現象。但是在實際生產測試中，有一部分較大的物料顆粒也能進行破碎粉磨，原因是在預壓滑移階（第一階段）先行被擠壓破碎為基本滿足條件的小顆粒物料，并加入下一階段研磨，而不影響輥壓機的粉碎效果。其工作原理與普通的雙輥破碎機類似，但是原始物料顆粒中大物料顆粒含量應但低于物料總量的20%。在大顆粒過多的情況下，不僅會影響正常的喂料（進料不均），粉碎效果明顯降低，還會導致擠壓輥卡死甚至損壞。綜上，可以明確的肯定，滿足喂料時額定最大顆粒直徑的大小是設計輥壓機的輥寬D時的必要條件。
一般情況下，輥徑D的簡化式計算公式如下：
式(3.4)
式中：
， (故可取值為24)；
，實際最大允許粒度達252mm。（為提高安全及機械使用壽命，可取值50mm）。
則
=24×50
=1200mm
2）寬徑比選擇：
輥壓機輥子寬徑比是（D/B）是設計輥壓機的基礎的幾何參數。一般相對于同種物料而言，寬徑比越大，尺寸越大，生產能力越強。所以輥壓機的規(guī)格通常是依據輥徑比來標定的。在輥壓機寬徑比D/B的設計中，現在給出兩種輥子設計方案：一種采用大輥徑小輥寬，如圖3-2（a）所示，另一種則是小輥徑大輥寬，如圖3-2（b）所示。
大輥徑輥子特點：
（1）兩輥子直徑同時增加使得輥壓機內腔容量需求更大，機械整體較大較重。
（2）輥寬不足，在邊緣漏料的情況下，物料研磨比降低。
（3）同等條件下，輥速可相對降低亦可保證質量。且作業(yè)環(huán)境平穩(wěn)。
（4）相配應當軸承及軸承座也較大，整體受力情況改善明顯。
（5）破碎作用區(qū)段增長，可研磨物料顆粒尺寸更小。輥面對物料咬合能力增強且擠壓力更易于傳遞，從而降低破碎難度，輥磨后顆粒更加細化。
小輥徑輥子特點：
（1）輥壓機內腔需求較小，相對應的，機械體也較輕。
（2）輥寬越長，輥面圓柱度制造越難保證，成品料餅層厚度均勻性不佳。
（3）破碎作用區(qū)段較小，輥面對物料咬合力不足，輥面磨損嚴重。
（4）輥寬越長，等作用力線上物料越多，機械運行穩(wěn)定性越差，噪音越大。
（5) 大輥寬致使輥子更易彎曲變形，料層不均，粉磨質量效果不佳。
從以上分析可看出，實際設計生產中多選用大直徑小寬度輥子。結合統(tǒng)計數據，一般情況D/B值的最佳范圍為1~3。
3）輥寬B的確定
在輥壓機的輥徑D，以及寬徑比范圍值確定之后，便可相應合理地確定輥寬B，其關系如下式（3.5）：
式（3.5）
式中的理論意義稱為輥寬系數，也就是輥子寬徑比（取）。所以，輥寬的設計之為：
依據上文有關輥子分析結果，輥寬選擇不宜過大，所以本次設計中選用輥寬最佳值為B=450mm。
3.2.4輥壓機的速度分析
前文提到過，決定輥壓機產能的三要素中包含有輥速，機械運行穩(wěn)定性也與輥速直接相關，同時輥速也是測試產品質量時的必要參考點。在實際生產測試中發(fā)現隨著輥子輥速的提高，輥壓機的生產能力也將逐步提高。但產能與輥速間并非是普通的正比關系，因為輥速越高，機械運行越不穩(wěn)定，物料在腔體內震動越強，從而減低了輥面咬合能力。最終導致輥面磨損過高而壽命極短，綜合產能甚至不如滾筒磨機。因而通常生產企業(yè)在設計時會考慮料層結構和流動阻力，綜合前人測試數據的情況下選擇最為合適的臨界輥速。
輥速是輥壓機的一個重要操作參數，同輥子結構參數一樣，也有兩種表示方法。即輥面線速度n和輥子圓周速度v。同輥寬/徑情況下，輥速直接影響到料層的受壓時間以及處理量。輥速作為輥壓機的主要操作參數，其對機械各個方面都有著十分巨大的影響，甚至決定作用，因而其數值的確定必須慎之又慎。
依據料層研磨學的基本要求，物料顆粒的受壓破碎時間需4s以上，且不會超過7s。受壓時間又與輥徑、輥速有關，在上文中敘述過，輥徑越大，作用區(qū)越長從而受壓時間越長。本次設計采用的是大輥徑方案，在確保料層受壓時間一定的情況下，即可視情況稍提高輥速而不影響產品質量。如此一來，又進一步提高了產能。實際生產統(tǒng)計數據表明，在確保物料受壓時間4～7秒的情況下，輥子表面線速度的選定值在之間。
已知輥式計算如下：
式（3.6）
式中：
；
。
如此，輥子角速度及輥面線速度均可依次數據帶入公式求得。
輥子角速度為：
輥面線速度為：
過高的輥速會帶來許多負面影響及危害，如機械振動，輥面及鏈接部分磨碎，金屬疲勞，能耗比低下等，所以在確保滿足設計條件下，輥速的設定值應盡可能選用較低的。
3.2.5輥壓機輥隙的選擇
固定輥與浮動輥表面之間的水平距離稱作輥隙（S），顯而易見的，處在兩輥子中心點連線上的輥隙值最小，即。在輥壓機中，因為液壓缸可推動浮動輥水平移動，所以最小輥隙是可微調的，其大小一般依據所加工物料性質而定。一般而言，輥隙越小，產品質量越高。
輥壓機的設備的處理量、系統(tǒng)壓力、擠壓效果和運行穩(wěn)定性等都與輥隙密切相關。對于輥壓機而言在相同條件下，其通過量隨間隙增大而增加，但成品粉磨顆粒大小也隨之變大，所以最小輥隙的值是難以準確給定的。實際設計使用時，一般將最小輥隙設計為可調式，在實際作業(yè)生產時視物料性質、組成進行適當的調整。通常輥隙采用下式計算
式（3.7）
式中：
，水泥產業(yè)中取值一般如下：
生料；
熟料；
3.2.6拉入角計算
如圖3-3所示，在輥子截面上，物料開始受壓，即預壓滑移區(qū)起始點與水平方向的夾角被稱作拉入角，拉入角不是定值，它受到輥子表面自身特性和所加工材料的物理性質影響，水泥粉磨行業(yè)生產統(tǒng)計數據表明拉入角大小大多在之間。依據約翰遜的理論，如在不考慮其他條件或其他條件為固定時，拉入角的實際確定因素是（K）、（v）以及。
圖3-3 拉入角計算簡圖
參考圖3-3，可的關系式如下：
式（3.8）
式中：
；
；
；
；
由物料壓縮前后的密度變化可求得：
式（3.9）
式中：
；
。
容重
物料名稱
壓縮前物料容重（t/m3）
輥壓后料餅容重（t/m3）
熟料
1.5~1.6
高壓2.4~2.5，低壓2.2~2.3
石灰石
1.4~1.5
將數據帶入可得：
式（3.10）
即： 滿足所給條件，
繼而可驗證滾壓機電產能Q為：
本次設計課題中，輥壓機的預定產能為70t/h。經相關參數設計后，產能驗證為70.27t/h。所以，以上技術參數的設計均符合且適用原定目標。
3.2.7粉磨力的確定
液壓缸推動浮動輥使得兩輥子間產生擠壓力，從而實現顆粒粉碎。滾壓并非越大越好，適當的輥壓能保證成品物料更加細致均勻。而輥壓也并不代表粉磨力，它們是兩個不同的定義概念。研究測試統(tǒng)計數據和經驗記錄可以發(fā)現，將輥壓控制在至之間時，輥壓機粉磨系統(tǒng)對水泥生/熟料的研磨效果最佳，且單位能耗優(yōu)勢突出[4]。輥壓機許用滾壓即最大滾壓通常要高于額定滾壓，所以本次課題設計中，選用輥壓機的額定輥壓為，許用滾壓為。
將預選輥壓帶入以下公式計算粉碎力：
式（3.11）
式中：
，；
，計算時應為許用輥壓200MPa 。
3.2.8輥子轉矩與傳動功率計算
粉磨力F是決定輥壓機功率消耗的主要因素，假設物料受壓階段的給力作用角為γ，則可依式（3.12）計算出輥子轉矩。
式（3.12）
式中：
；
；
；
，一般取值為，所以 。
轉矩計算結果為：
輥子傳動功率為：
3.2.9輥壓機的功率
能耗是絕大部分機械的重要參數，也是企業(yè)選用機械時的重點考量標準。而降低能耗本次課題設計的最終優(yōu)化目的之一。對于輥壓機而言，能耗亦可用單產電耗來衡量。
本次設計中單位電耗為：
然而，由于影響因素十分復雜，想使輥壓機在最佳單產電耗下運作是十分復雜的難題。這不僅與其本身的幾何參數、技術參數有關，而且與所加工的不同種物料的特性形態(tài)也有關聯(lián)。所以，輥壓機能耗優(yōu)化的問題還有待未來更進一步的研究。
3.3 輥壓機技術參數歸納
到目前為止，所設計的輥壓機參數整理如下表3-3：
序號
輥壓機技術參數
數值
1
輥徑
2
輥寬
3
輥速
4
輥隙
5
拉入角
6
磨粉力
7
轉矩
8
傳動功率
9
功率消耗
10
生產能力
4輥壓機主要裝置方案設計
在輥壓機介紹章節(jié)介紹了輥壓機的主要裝置，以下對其中的重要裝置部件做出詳細設計方案。
4.1機架結構設計
機架或稱機體是輥壓機的基礎部件，對于整體及其它專配件起支撐，固定作用。輥壓機機架由Q235-A板材焊接而成。主要結構件包含：左右底座、上下橫梁、立柱、頂板、端部件一是少量橡膠緩沖板。采用焊接而非其他形式的連接方式主要是因為焊接件擁有更高的強度，剛度，而且制造較為簡便，生產周期也相對的短。
作為輥壓機承載和受力的基礎件，大部分零部件都直接或間接安裝連接在機架上。同時，作業(yè)中兩輥子間的巨大作用力也作用在機架上，所以機架需要設計成特殊結構，以抵消擠壓力。故而在機架連接面處設置剪力銷來承受減輕該擠壓力，同時保證地腳螺栓只受拉力而無剪切力作用，以此提高機架使用壽命。
為適應不同尺寸物料顆粒，浮動輥需在液壓系統(tǒng)推動下水平滑移。因此為了方便并保證浮動支承整體移動的平穩(wěn)性，相對應的在浮動輥支撐軸承座與機架橫梁件設置滑槽。而上文提到的橡膠板為聚四氟乙烯橡膠板，除了緩沖作用外，還可減少運動中的機械磨損。在底座和頂板以及橫梁的上下表面鉚接或焊接有鎳或鉻制合金薄片，用以減少高壓運動環(huán)境中的磨損和防止高熱造成的表面塑性變形，提高軸承座移動的靈活性。
機架設計中不可忽視的問題是：如何消除作業(yè)時浮動輥對液壓缸的反作用力？實踐中發(fā)現，如果在機架兩側及上下部分對稱防止16個剪力銷，作業(yè)時的這一反作用力便通過軸承座及液壓缸傳遞到這些剪力銷上，繼而又通過剪力銷分流至機體各部分，最終與分子間內力相抵消。所以機架便可以自行平衡掉這一反作用力，而不必通過地腳螺栓傳遞至地面。
圖4-1
4.2 輥子
與破碎機類似，擠壓輥（輥子）是輥壓機的核心工作部件，是物料粉磨擠壓力的直接來源?？梢赃@么說，本次課題中一切參數的設計、結構的優(yōu)化歸根到底都是為了提供給輥子更好的工作環(huán)境。
輥子主要由優(yōu)質結構鋼輥體以及耐磨堆焊層組成，其生產工制作藝相對復雜，而且生產周期比較長。輥體經鍛造及機械加工后還需經過多道熱處理工序方可完成，機械加階段會在其軸線上加工出冷卻預留孔，以便作業(yè)中降低輥子溫度，減少誤差損耗。耐磨堆焊層分為兩層：。因為輥體表面加工精度等級較高，較光滑，且表面硬質層材料特殊，焊接面積較小，若不采用過度層，在會產生硬質層磨損過快，甚至剝落的問題。，這中材料的耐磨性極強。如今輥面堆焊花紋多為網格型或網格加硬質點型[6]。
，同時，在與輥子轉動中產生的摩擦力帶動下，。
圖4-2 輥子
4.3 浮動端輥子支撐
輥子支撐是一整套的較為復雜的裝置，包括環(huán)、等等。浮動頓輥子軸承的特點在與其一端是與液壓系統(tǒng)液壓缸想連接的，可在液壓推力下帶動輥子做水平滑移。其主要作用是承載輥子完成壓運動并傳導擠壓力。機構如圖4-3所示：
圖4-3
4.4扭矩支撐
扭矩支撐結構相對簡單，主體是由以及其他連接件組成的。結構圖如下圖4-4所示。
扭矩支撐的作用在于平衡傳動裝置及框架的扭力；減輕運行時的沖擊震動；提高機械平穩(wěn)性。它的工作特性形同四連桿機構，可以在浮動輥水平位移時保證件去其的位移，且能釋放出這一過程中減速器內部援助齒輪和行星齒輪產生的扭力。
圖4-4
4.5 輥端擋板
輥壓機內腔屬于高壓作業(yè)環(huán)境，雖然在輥子轉動的輔助作用下，物料主要是垂直向下運動，但是在高擠壓力也促使料層顆粒想四周蔓延運動。兩輥子端面與機架內表面是存在間隙，未被加工過的物料大顆粒在擠壓蔓延下從這個間隙中直接滑落與成品混合，從而影響了粉磨效率和質量，這就是輥端漏料現象。這種現象普遍存在與各種粉磨機械中，而解決這種問題的最簡易有效的辦法是在輥端增設擋板。輥端擋板并非是簡單的一塊板材，結合機械實際作業(yè)需求才能設計出合理解決輥端漏料問題的輥端擋板裝置。擋板與輥子之間不可能是完全貼合密封的，自然可見，這兩者間間隙愈小，漏料尺寸愈小，堵料效果也越突出。
在實際生產中發(fā)現這樣一個問題：輥壓機的安裝如果是非水平的，或者在作業(yè)時產生了偏斜，而擋板與輥子端面間隙又較小時，一邊會出現嚴重的干涉摩擦，震動及噪音較大；另一邊間隙增大，漏料現象嚴重。顯然，考慮到這種情況時，普通的固定式擋板是無法解決問題的。實際考察評測后，決定本次輥壓機設計采用的輥端擋板為：可調式彈簧支撐擋板。如圖4-5所示結構，可根據所加工物料的實際尺寸調節(jié)絲杠2和固定絲母4來預設間隙大小，作業(yè)過程中一旦出現偏斜現象，降低磨損。
輥端擋板的彈簧支撐結構具有很好的實際生產意義。實踐生產證明，這種結構不僅可以根據實際情況靈活預設調整擋板與輥端的間隙大小，保證機械運行的穩(wěn)定性，而且更換檢修十分方便。因而它是解決輥端漏料現象的最佳解決方法之一。
圖4-5
4.6喂料裝置
進給料系統(tǒng)主要是由調偏裝置以及料量控制器這兩個部分組成，其作用是在一定范圍內調節(jié)輥子的偏斜和通過料量。裝置示意圖如圖4-6：
圖4-6 喂料裝置
4.7 液壓系統(tǒng)
擠壓力是滾壓破碎物料的直接作用力。在雙輥破碎機中，兩輥子均為固定的，因而其擠壓力來源于機架對輥子的作用力。但是在輥壓機中，因為浮動輥的出現，機架并不能直接對輥子作用，所以液壓裝置的作用便是提供輥子水平方向的擠壓力。實際作業(yè)前，可根據物料的性質及所需成品的質量，設定系統(tǒng)液壓值，以調節(jié)兩輥子間距，保證滾壓效果。設計過程中，考慮到輥壓機不可避免的震動，而液壓系統(tǒng)需要穩(wěn)定的工作條件，所以液壓系統(tǒng)的主體部分單獨放置。為進一步穩(wěn)定作業(yè)液壓，在系統(tǒng)中加入氮氣蓄能器和壓力檢測裝置形成連鎖反饋系統(tǒng)。液壓裝置示意圖如圖4-7所示：
圖4-7
1
液位溫度計
2
空氣濾清器
3
雙金屬溫度計
4
電加熱器
5
齒輪泵
6
聯(lián)軸器
7
電動機
8
回油過濾器
9
測壓接頭
10
測壓軟管
11
耐震壓力表
12
直控溢流閥
13
球式換向閥
14
插裝單元
15
直控溢流閥
16
插裝單元
17
壓力變送器
18
柱塞缸
19
高壓膠管總成
20
單向閥
21
蓄能器
22
蓄能器
23
節(jié)流閥
24
截止閥
圖4-8 液壓系統(tǒng)原理圖
液壓系統(tǒng)的工作原理（參照圖4-8）
液壓系統(tǒng)啟動后，其主要工作是為浮動輥提供擠壓力。液壓油自油箱通過液壓泵增壓，經集成閥組供給四個推力液壓缸施加作業(yè)壓力，同時也進入氮氣儲能器中。
蓄能器一側為氮氣氣壓腔，一側為油壓腔。正常作業(yè)工程中，蓄能器內部壓強與推力液壓缸壓強相等。其作用是在高速補壓或降壓時，微量且迅速的吸收或補充系統(tǒng)壓力，從而維持推力液壓缸壓力恒定，也可保護提供中的各測量元器件免受瞬時壓差的沖擊?？梢赃@樣說，、蓄能器以及檢測系統(tǒng)組成了一個自反饋形式的保壓液壓系統(tǒng)。如此可以分析出，在輥壓機復雜的內部作業(yè)環(huán)境中，浮動輥可依據物料尺寸的實時改變，做出相應的位移以保持穩(wěn)定的滾壓過程。當物料兩層顆粒尺寸增大，輥隙便增大，浮動輥推動液壓缸回油，但是因為系統(tǒng)為單向油路，所以蓄能器便吸收這一部分液壓油，內部氣壓升高。相反的，當料層顆粒尺寸減小，蓄能器釋放氣壓轉換為液壓缸油壓，推動浮動輥前移減小輥隙。
在復雜工作環(huán)境和人為操作下，輥壓機不可避免的會出現某些問題。例如，在物料顆粒尺寸過大，而輥隙調節(jié)不足以滿足其粉磨時，勢必造成液壓系統(tǒng)油壓過大，甚至損壞系統(tǒng)。此時，反饋系統(tǒng)便可發(fā)揮其設計作用，壓力傳感器監(jiān)測到系統(tǒng)壓力過高時，系統(tǒng)接收反饋信號開啟安全泄壓閥，系統(tǒng)液壓油經三位四通電磁換向閥回流油箱直至壓力減小到額定值。同理，當監(jiān)測到系統(tǒng)油壓過低時，液壓泵開啟補壓至原設定值。油路中節(jié)流閥的作溢流整。
4.8 集中潤滑裝置
潤滑裝置主要起到提高機械運動性能，降低磨損和發(fā)熱的作用。如圖4-9所示，本次設計中輥壓機主體采用集中潤滑形式，共設置18個潤滑點。其中，2號、9號為推力軸承的兩潤滑點，其余的是8個主軸承潤滑點和8個密封口潤滑點，且這16個潤滑點對稱分布。油壓供給比例為：3（主軸承潤滑點）：2（推力軸承潤滑點）：1（密封口潤滑點）。
圖4-9
5 輥壓機配套設備的選型
5.1電動機功率確定
式（5.1）
式中：
。
輥子是獨立驅動的。即固定輥與浮動輥是分開驅動的，單個電動機的設計功率為220kW/h。根據JB/T5270-1997制定的YR系列電動機功率系數參數（如表5-1所示），選擇電動機型號為：，轉速：,功率。
可求得傳動比為：
型號
315S
315M1
315M2
315M3
315M4
355M1
355M2
355M3
355M4
355L1
355L2
同步
轉速
1500
功率/kW
160
185
200
220
250
—
280
315
—
355
—
1000
110
132
160
—
—
185
200
220
250
280
—
750
90
100
132
—
—
—
160
185
220
220
250
600
55
75
90
—
—
—
110
132
—
160
185
500
—
—
—
—
—
—
—
—
90
110
132
5.2輥壓機減速機的結構工作原理及選型
5.2.1減速機的工作原理：
輥壓機為大型機械，其所需動力較大，所以設計過程中采用固定輥和浮動輥獨立驅動的形式。由滾壓原理可知兩輥子的驅動力應相同，所以動力提供及傳遞裝置是相同但互不相關的兩套。電動機提供的動力經專用行星減速器減速后傳遞至輥子一施加作業(yè)動力。
行星減速器的冷卻系統(tǒng)采用油冷式，從而可代替潤滑油的作用，這樣的設計使減速器得結構更加的緊湊。獨立循環(huán)式的冷卻潤滑系統(tǒng)也更方便于監(jiān)測控制。本次設計中采用的減速器型號預選為JGXZ系列兩級行星一級平行圓柱齒輪減速器。其內部結構參見下圖5-1：
圖5-1
5.2.2輥壓機減速器的選型
前文詳細敘述了減速器的主要技術參數?，F可在查閱標準減速器數據表的情況下，根據以求得的有關參數選定合適的減速器。因篇幅有限，本文中只列出少量JGXZ型減速器參數以供參考，見表5-2。經過數據比對，本次課題設計中選用減速器型號為：。
表5-2
名義傳動比 i
輸出轉速
t/min
JGXZ
28
32
38
44
48
53
56
62
65
75
63
1500
140
220
340
540
740
920
1140
1440
1790
2240
1000
95
140
230
360
490
610
760
960
1190
1490
750
70
110
170
270
370
460
520
720
890
1120
選型說明
1）工作條件：
正常作業(yè)溫度：。
冷卻及潤滑為一循環(huán)體式的，結構更加緊湊。進油口處的油壓力為。
潤滑油一般為通用的型或型工業(yè)齒輪油。
2）主要減速器類別：
兩級行星結構（）
兩級行星附加一級圓柱齒輪結構（）
3）箱體：
減速機箱體采用球墨鑄鐵鑄造完成（球墨鑄鐵抗拉強度為450MPa，高于設計需求），分為箱座、箱蓋兩部分。箱體結構支撐部分可由焊接完成，還必須進行應力退火處理，增加結構強度。制造完成好應進行密封性測試，確保使用過程中不會出現潤滑油滲漏現象。
4）軸：
軸的設計技術要求應嚴格參照。制造材料為優(yōu)質合金鋼，并進行調質處理，使硬度控。
經過自然實效處理后進行超聲波探傷，主體質量等級要求應控制在中Ⅲ級以上，其余部位也應在Ⅳ級以上。
5）軸承
為減少零件更換，保證機械持續(xù)運作，滾動軸承的設計壽命不低于5萬小時。
6）齒輪：
齒輪的設計依據為和中的限定標準。其制造技術為優(yōu)質合金結構鋼材料鍛造，齒面必須經高溫淬火至硬度，內芯硬度達，質量檢驗控制在中級要求以上。齒輪精度要求控制在6級精度以上。
內齒輪齒圈生產技術要求同齒輪相同，精度應達到7級精度以上。
此外，所有齒輪齒圈設計壽命超過10萬小時，加工完成后必須進行超聲波探傷，質量等級Ⅱ級以上為合格產品，才可應用于本次設計。
5.3 輥壓機聯(lián)軸器的選擇
我們已經知道了輥壓機是雙輥子相對滾動的工作形式， 而且為適應各種我餓了尺寸，兩輥子的其中之一為浮動輥，可在液壓推動下做水平往復運動。顯而易見的，與浮動輥固定連接的減速器也是可以隨浮動輥共同運動的，但是前述設計中已經明確兩輥子主軸電動機均是固定不可移動的。這個問題便轉到了輥軸與電機的連接件——聯(lián)軸器上，因而設計所需的聯(lián)軸器需要同時具有轉動及移動能力。測試結果顯示萬向聯(lián)軸器（SWC型）是最佳選擇。
SWC型聯(lián)軸器的優(yōu)勢在于其獨特的焊接式連接方式，這極大地提高了連接處的強度，避免了松動斷裂的缺陷；傳遞扭矩更大，承載力大，適用于大型機械；結構緊湊，角度補償能力優(yōu)越。故選用SWC型萬向聯(lián)軸器作為輥壓機聯(lián)軸器。其結構如5-2圖：
圖5-2
SWC聯(lián)軸器的參數計算
聯(lián)軸器的使用必須保證其抗扭強度，而抗扭強度有可用聯(lián)軸器的額定轉矩來表達，所以聯(lián)軸器的選擇必須滿足：
式中：
：
；
；
；通常 。
其計算轉矩為：
在滿足的條件下，綜合表5-3，選擇SWC聯(lián)軸器型號為：
SWC150BH
表5-3 SWC聯(lián)軸器技術參數
型號
回轉直徑/mm
公稱轉矩/kN·m
伸縮量mm
軸線折角
尺寸
轉動慣量
重量
D1
D2
D3
Lm
n-d
k
t
b
g
增長
增長
SWC150BH
150
5
2.5
80
≤25
590
130
90
89
8—13
10
3
—
—
0.0423
0.00157
24.5
0.85
5.4輥壓機輥子支撐部軸承
輥壓機輥子軸承的優(yōu)劣直接關系到機體運行是否正常，因而應尤為重視軸承的設計，以提高其承載穩(wěn)定性及使用壽命，從而保證整個系統(tǒng)具有良好的經濟效益。
輥壓機正常作業(yè)過程中，支撐部軸承同時存在有輥子轉矩及其重力，和液壓推動產生的水平擠壓力，因而其工作壓力十分巨大的。一直處于低速、重載的工作條件中，而且伴隨著強震，因此在實際設計中通常棄用傳統(tǒng)的雙列輥子軸承，而采用大型四列圓柱滾子軸承作為輥壓機輥子支撐部的軸承。這種軸承的優(yōu)點是承載能力巨大，缺點是它并非標準件，需配套生產且滾子數量多，因而造價昂貴。設計時一定要盡可能地延長其使用壽命，從而提高性價比。由此可見，支撐軸承在輥壓機中擔任著極為重要的角色，其設計參數是保證機械運行和自身性能的關鍵。
輥壓機軸承壽命計算方法
1）已知的相關數據和零件型號：
輥子直徑 mm 輥寬 mm
單個輥重 kg 輥子轉速
選用軸承型號為：
滾壓在投影面的壓力
軸承工作溫度：左右
軸承潤滑油型號：（公稱粘度為)
2）支撐軸承的壽命計算
輥子所需的承載力為： ；
可計算出實向載荷：；
上文求得輥子轉速為： ；
根據實習手機的實際設計資料查得支撐軸承的額定動為：、靜載荷為：
支撐軸命計算公式如下：
式（5.2）
式中：
，因重量及軸向載荷比例較小，；
；
可求得 。
綜上所述，本次課題設計選擇非標準件的高承載四列圓柱滾子軸承為輥壓機輥子支撐軸承，且其單獨配置生產的方式也確保了內腔的封閉效果以及軸承壽命。
6輥壓機改造系統(tǒng)的技術經濟效果
目前，輥壓機在世界范圍內的廣泛應用歸根結底還是因為它在水泥等生產中表現出的增產節(jié)能特性，優(yōu)化它的這一特征優(yōu)勢也是本次輥壓機設計課題的最終目的。在不同的行業(yè)，搭配不同的生產鏈，輥壓機特性的表現效果也不同。以下將做出簡略闡述。
世界上并不存在絕對完美的機械產品，自然輥壓機也不例外。曾幾何時，輥壓機研發(fā)學者們也飽受很多常見的機械缺陷的困擾，例如滾壓過程中軸承摩擦發(fā)熱及磨損嚴重；軸承座受力不均，機械運行平穩(wěn)性極差；浮動輥子的水平位移與聯(lián)軸器的相互限制；零部件使用壽命短等等。當然，這些問題大都得到較為完美的解決，80年代后期，輥壓機粉磨系統(tǒng)在實際生產中增產節(jié)能的表現就已尤為突出了。日臻完善的輥壓機粉磨技術使其運用到各行各業(yè)的研磨生產系統(tǒng)中，尤其是改造傳統(tǒng)系統(tǒng)而形成的聯(lián)合粉磨圈流系統(tǒng)。聯(lián)合粉磨系統(tǒng)就是將球磨機、輥壓機、選粉機組和成套而形成的流水線生產模式[9]。物料不斷在圈流中研磨加工，直到達到終粉要求。因為輥壓機節(jié)能增產的顯著使得整個圈流粉磨系統(tǒng)的單位電耗明顯減小，所以對于聯(lián)合粉磨系統(tǒng)而言，輥壓機是至關重要的部分。
由此可見，引入輥壓機優(yōu)化改造傳統(tǒng)圈流粉磨系統(tǒng)是具有明顯的現實意義的?，F在將本次課題設計中以求得的技術參數和帶驗證的系統(tǒng)參數歸列在表6-1中，以便設計提取。
表6-1 輥壓粉磨系統(tǒng)參數表
輥壓粉磨系統(tǒng)
數值
生產規(guī)模
1000
輥壓機規(guī)格
Φ1.2×0.45
通過量
70.27
有效功率
366
電機功率
220×2
5.20
3.0
磨機規(guī)格
Φ3.2×13
生產能力
33
有效功率
1400
電機功率
裝球量
131
未知
系統(tǒng)電耗
未知
產比
未知
功比
未知
節(jié)能系數
未知
6.1 輥壓機增產節(jié)能效果的驗證
6.1.1輥壓粉磨系統(tǒng)電耗
：
：
式（6.1）
式中：
，；
Bond功詳細數值參見表6-2；
表6-2
物料
石灰石
生料
熟料
輥壓成品料
Wi（kWh/t）
8～14
7～12
14～19
12～13
，取值參見表6-3；
表6-3
比表面積
2880
3060
3150
3240
3600
45.72
40
37.60
36.30
28.20
，取值參見表6-4；
表6-4
系統(tǒng)機械
球磨
加輥壓機
加V型選粉機
25000
1000
200
。
表6-5
參數
磨內徑
干法圈流
微粉碎
粉碎比
喂料過大
0.915
1.30
1.0
1.0
修正系統(tǒng)通常是根據統(tǒng)計數據而得到的，其影響因