立磨的设计Word格式.docx
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参考文献27
致谢28
1前言
1.1选题背景及意义
1.1.1国内外研究现状
立磨又称立式磨、辊磨、立式辊磨。
立磨广泛应用于水泥、电力、化工、冶金、非金属矿等行业。
它集破碎、干燥、粉磨、分级输送于一体，生产效率高，可将块状、颗粒状及粉状原料磨成所要求的粉状物料[1]。
第一台立磨于上个世纪二十年代在德国研制出来的。
第一台用于水泥工业的立磨于1935年在德国出现，立磨在欧洲的水泥厂使用多年以后很，才在美国和加拿大得到采用，欧洲和美、加之所以乐于发展和应用立磨，是由于当时欧洲各国的燃料和电力费用较高。
美国也是因为后来能耗费用上升，才促使其对立磨增加兴趣。
美国的第一台立磨是在1973年末投入运转。
立磨技术的突破开始于上个世纪六十年代，从那时起立磨得到了改进，并使之大型化。
在欧洲、美洲、亚洲的水泥工业中被用来粉磨生料，七十年代得到了迅速发展，当时就出现了生产能力为500t/h的大型立磨，进入九十年代，国际上立磨技术又有了新的飞跃。
应用有限元分析、流体学计算、热传导分析、工艺参数优化等现代方法，解决了大型立磨工艺和结构难点；
特别是新型耐磨材料的应用，延长了使用寿命，从而保证了立磨超大型化的实现及大型干法水泥生产线对立磨能力的要求。
因此，目前国外现代新型干法水泥生产线建设中，立磨占有率达90%以上。
目前，世界上最大的是西德莱歇公司（Loesche）于1999年设计制造的LM63.4立磨，产量达到840t/h，磨盘直径达到6.3米，电机功率5600KW，四个磨辊；
伯力鸠斯（Polysius）公司生产的RM69/29立磨，功率为5000KW，生产能力为600t/h，非凡（Pfeiffer）公司制造的MPS5600B立磨，电机功率5400KW，设计生产能力480t/h[2]。
立磨在我国的应用始于上世纪四十年代末，当时用于白水泥厂的生料粉磨。
五十年代起，在一些小水泥厂开始使用小型立磨粉磨生料，也有用于湿法水泥厂磨煤粉。
从七十年代末开始，国内在干法水泥厂开始发展窑外分解新型干法工艺时，才重视立磨粉磨生料的研究开发工作。
八十年代初，天津水泥研究设计院开发出了TKM系列立磨；
合肥水泥工业设计研究院研究开发出了HRM系列立磨，产能限于1000t/d的生产线配用。
与此同时，我国开始引进国外大型立磨用于新型干法水泥厂。
沈阳重型机器厂1985年从德国Pfeiffer公司引进了与日产2000吨以下规模生产线配套的MPS立磨制造技术。
又与海螺集团合作开发制造与2500t/d、5000t/d生产线配套MPS3424、MPS5000（MLS4531）立磨。
其中MLS4531立磨是已投入使用的最大的国产立磨。
1.1.2选题的目的及意义
在水泥生产中，传统的生粉料磨系统是球磨机粉磨系统。
而当立磨出现，由于它以其独特的粉磨原理克服了球磨机粉磨机理的诸多缺陷，逐渐引起人们的重视。
特别是经过技术改进后的立磨与球磨系统相比，它有着显著的优越性，其工艺特点尤其适宜于大型预分解窑干法水泥生产线，因为它能够大量利用来自预热器的余热废气，能高效综合地完成物料的中碎、粉磨、烘干、选粉及气力输送过程，集多功能于一体。
由于它是利用料床原理进行粉磨，避免了金属间的撞击与磨损，金属磨损量很小、噪音低；
又因它是风扫式粉磨，带有内部选粉功能，避免了过粉磨现象，因此减少了无用功的消耗，粉磨效率高，与球磨系统相比，粉磨电耗仅为后者的50%～60%，还具有工艺流程简单、单机产量大、入料粒度大、烘干能力强、密闭性能好、负压操作无扬尘、对成品质量控制快捷、更换产品灵活、易实现智能化、自动化控制等优点，故在世界各国得到广泛应用[3]。
目前已成为当今国际上生料粉磨和煤粉磨的首选设备。
1.2设计内容
1.2.1立磨的组成及工作原理
立磨由分离器1、壳体2、磨辊3、翻辊装置4、液压加压装置5、摇臂6、风环7、磨盘8、传动装置9、机座10等部分组成（图1示）。
电动机通过减速机带动磨盘转动，物料通过锁风喂料装置经下料溜子落到磨盘中央，在离心力的作用下被甩向磨盘边缘并受到磨辊的碾压粉磨，粉碎后的物料从磨盘的边缘溢出，被来自风环处高速向上的热气流带起烘干，根据气流速度的不同，部分物料被气流带到分离器内，粗粉经分离后返回到磨盘上，重新粉磨；
细粉则随气流出磨，在系统收尘装置中收集下来，即为产品。
没有被热气流带起的粗颗粒物料，溢出磨盘后被外循环的斗式提升机喂入选粉机，粗颗粒落回磨盘，再次挤压粉磨[4]。
图1.1立磨的结构简图
1.2.2立磨的特点
与其他粉磨设备相比，立磨有以下特点：
（1）粉磨效率高，采用料床挤压粉碎原理，粉磨方式合理。
故粉磨效率高、油耗低，。
粉磨电耗为球磨机的50%~60%,而整个系统电耗为球磨系统的75%~90%，其中原料水分越大，系统电耗节省越多。
（2）烘干效率高，热风从环形缝喷入，风速可高达80m/s以上，磨内通风截面大，阻力小，利用窑尾预热器废气可烘干含水6%~8%的物料，若有热风炉可烘干含水15%-20%的物料。
（3）入磨物料粒度大。
一般可达磨辊直径的5%，大型磨入料粒度可达150-200mm，可省掉二级破碎，节省投资，设备工艺性能优越，单机产量大，设备运转率高，金属磨损比球磨机低。
（4）对粉磨物料适应性强，可用于粉磨各种原燃料，如石灰石、砂岩、煤、水泥熟料、高炉矿渣等。
无论其易磨性、磨蚀性有多大差异，通过对立磨内部结构调整和合理操作，均能生产出不同细度、不同表面积的合格产品。
（5）工艺流程简单、布置紧凑，占地面积为球磨系统的50%~70%，占用空间小，日常维护费用低，可露天设置，基建投资约为球磨机的70%。
（6）整体密封性较好、扬尘小、噪声低，有利于保护环境。
立磨在工作中没有球磨机中钢球互相碰撞、撞击衬板的金属撞击声，因此噪音小，比球磨机低20-25dB。
另外，立磨采用全密封系统，系统在负压下操作，无扬尘。
（7）成品质量控制快捷，生产调节反应快，便于实现操作智能化、自动化。
（8）磨耗小，利用率高。
用立式磨粉磨水泥原料时，零件磨损消耗一般为5到7克，辊套和磨盘衬板寿命可达8000h以上，设备运转率可达90%以上[5]。
1.2.3立磨的设计要求
（1）设计产量：
为5000t水泥熟料生产线配套的400t/h的LM型原料立磨；
（2）运动设计：
确定机器的传动方案等；
（3）动力计算：
选择电动机等；
（4）进行结构设计及验算：
进行零件结构尺寸的计算，绘制结构图，并就主要零件进行验算。
本设计主要对立磨整体结构和重要零部件的结构进行设计。
1.3设计方案
莱歇磨磨盘为平面，磨辊为锥台形，磨辊轴线与水平面呈15°
夹角，较小的磨有两个磨辊，大磨则有4个蘑辊,启动时磨辊能自动从磨盘上提起，减小启动力矩。
磨辊能翻出机外检修。
1.3.1立磨的传动方案
首先满足机器的功能要求，如所传递的功率大小、转速和运动形式，此外还应满足工作可靠、传动效率高、结构简单、尺寸紧凑、工艺性好、使用维护方便。
常用传动方案有3种：
（1）带—圆锥齿轮传动：
特点是带在高速转动时会打滑，但整体尺寸不大，制造成本也不高；
（2）圆锥—圆柱齿轮传动：
特点是工作可靠、传动效率高、维护方便、环境适应性强，但总体尺寸较大；
（3）螺旋伞齿-行星齿轮传动：
特点是传动装置结构紧凑、体积小、重量轻、减速比大、传递功率大、箱体受力合理，既便于加工制造，又有利于维护保养，造价也较低[6]。
根据立磨的工作环境及其自身的特点，结合现在制造技术的提高，选用螺旋伞齿-行星齿轮传动方案。
1.3.2立磨的粉磨方案
通过功能分析，初步确定各个功能单元的结构及应用原理。
粉磨系统由磨盘、磨辊等组成。
采用料床挤压粉碎原理，物料通过锁风喂料装置经下料溜子落到磨盘中央，在离心力的作用下被甩向磨盘边缘并受到磨辊受碾压、剪切、冲击作用，粉碎后的物料从磨盘的边缘溢出，被来自风环处高速向上的热气流带起烘干，根据气流速度的不同，部分物料被气流带到分离器内，粗粉经分离后返回到磨盘上，重新粉磨；
莱歇磨外形尺寸比同等生产能力的MPS型辊式磨小，磨盘衬板可以翻面使用，磨内设有磨辊与磨盘间隙限位
装置，启动时可抬起磨辊空载启动，且无需进行磨盘布料，磨辊可以翻出机外，检查、维修和更换辊套方便，可节省时间。
1.3.3分离器的结构方案
分离器是保证产品细度的重要部件，立磨的分离器主要有静态分离器、动态分离器以及组合式分离器。
静态分离器利用导风叶使气流旋转，在旋转气流中物料产生离心力，在离心力的作用下将大颗粒物料分离下来，粒径小的物料随气流一起出磨，在收尘器中收集下来的即为产品。
通过调节导风叶的角度可调节产品细度。
动态分离器转子高速旋转，叶片与物料撞击，给物料较大的圆周速度，从而产生较大的离心力，使粗颗粒分离下来。
这种分离器结构简单，产品细度可通过调节转子转速迅速改变，调节方便，分离器叶片磨损后更换方便。
动静态组合式分离器将上述两种分离器相结合，能进一步提高分离效率，同时又可将粗粉直接送到磨盘中央重新粉磨，减少了粗粉在磨内循环的次数，降低磨机的压力损失。
但这种分离器结构复杂，造价较高，叶片磨损后更换不便，但由于分离效率高、又能提高磨机产量、降低运行费用，是目前立磨分离器的发展方向。
分离器的传动有机械和液压两种传动方式。
以前的立磨分离器为减轻传动系统的重量，多数采用液压传动。
随着硬齿面减速机及变频调速电动机的应用，大大降低了传动系统的重量，目前大多数立磨都采用机械传动。
综上所述，故选择机械传动式动静态组合式分离器。
1.3.4立磨的加压方案
除摆辊磨外，所有型号的立磨根据规格的不同，可采用弹簧加压或液压加压。
弹簧加压有四个较严重的缺点：
第一，由于辊套和衬板逐渐磨损，弹簧加压系统对物料的压力逐渐减小，至使粉磨能力下降；
第二，采用弹簧加压的立磨必须在满负荷状态下启动，要求电机启动力矩大，启动困难；
第三，弹簧压力不能自动调节，当磨内进入较大的物料或铁块等杂物时，磨机会严重过载，不利于安全运行；
第四，弹簧压力有限，不能满足大型立磨的需要。
液压技术不断发展，采用液压加压方式，使碾磨压力稳定，调节方便，并可在运行中进行调节。
当立磨内进入铁块等杂物时，加压系统蓄能器中的气体被压缩，磨辊可以越过杂物，由蓄能器缓冲吸振作用使磨机不会过载，也可很方便地抬起磨辊，使磨机能轻载或空载启动。
通过上述分析该加压方式采用液压加压。
2主要工艺参数的计算
2.1动力装置的选择
2.1.1立磨所需功率
对于立磨所需功率的计算还未见到详细的介绍，更没有准确的计算方法。
但对同一型号不同规格的用于粉磨同种物料的立磨，所需功率有以下关系:
（2.1）
式中：
N1、N2———分别为两种不同规格立磨所需的功率，kw；
Q1、Q2———分别为两种不同规格立磨的产量,t/h；
D1、D2———分别为两种不同规格立磨的磨盘碾磨区域中径，m;
上式表明，对于同一种形式、不同规格的立磨，粉磨相同的物料时，单位产品电耗相同[7]。
由于上述计算方法需有试验磨及长期的经验积累参数，对于初次设计立磨来说，难以确定有关参数，所以可采用统计方法来确定所需功率。
大量的资料报道，用立磨粉磨水泥原料时，随原料的易磨性不同，立磨主机消耗的单位产品电耗一般为6~9kwh/t，即所需功率N=（6~9）Q,粉磨软质易磨的物料时取低值，粉磨难磨的物料时取高值。
故立磨所需功率：
N=9Q=900×
400=3600（kw）（2.2）
2.1.2电动机的选择
在立磨配备电动机时需留有贮备，一般贮备系数为1.15～1.2，所以所需电动机的功率为：
Nd=1.15×
3600=4140（kw）（2.3）
电机功率与电压和电流的乘积成正比,因此低压电机功率增大到一定程度,电流受到导线的允许承受能力的限制就难以做大,或成本过高，需要通过提高电压实现大功率输出。
由于立磨运行平稳需长时间运行且所需电动机功率圆整为4200kw，属于大功率电动机，因此选用电压为6000V的笼形型异步电动机。
在机械设计电动机资料中几乎没有关于电压为6000V功率为4200kw的电动机的规格参数，通过中国电动机网查询各厂家生产的高压大功率电动机，最终选择由陕西西玛特机电设备有限公司生产的Y系列高压三相异步电动机。
该系列电动机具有高效、节能、噪声低、振动小、重量轻、性能可靠、安装维修方便等优点。
其参数如下：
电机型号（Y3551-4）、额定功率（4200kW）、额定电压（6000V）、额定频率（50Hz）、同步转速（980r/min）、防护等级（1P23）、冷却方法（IC01）、绝缘等级（F级）
2.2立磨直径
立磨是烘干兼粉磨的磨机，其生产能力由粉磨能力和烘干能力中较低的能力进行确定。
其中粉磨能力由物料的易磨性、辊压和磨机规格的大小决定。
在物料相同、辊压一定的情况下，磨机的产量和磨辊的尺寸与物料的受压面积有关，每一个磨辊碾压的物料量正比于磨辊的宽度B、料层厚度h和磨盘的线速度V。
磨辊的宽度B和料层厚度h在一定范围内均与磨盘直径D成正比，线速度V与D0.5成正比，因此可以得出辊磨的粉磨能力公式如下：
G=K1D2.5（2.4）
G———立磨的粉磨能力，t/h；
D———磨盘直径，m；
K1———系数，与立磨形式，选用压力，被研磨物料的性能有关。
立磨型号不同其工艺参数也不同，K2也不同，一般LM型立磨K2取9.6，D取磨盘碾磨区得外径[8]。
烘干能力公式：
Gd=KdD2.5（2.5）
Gd———立磨的烘干能力，t/h；
Kd———系数，与物料水分、热风量及热风温度有关。
查询相关资料可知一般Kd取7.2。
综上所述，当立磨的生产能力为400t/h时，即G=400t/h,K2=9.6带入公式（2.4）计算可得:
D≈4.4（m）
当Gd=400t/h,Kd=7.2时带入公式（2.5）计算可得：
D≈5（m）
由于生产能力由粉磨能力和烘干能力中较低的能力进行确定，故在一定生产能力的情况下取直径较大的数值
即D=5（m）
2.3立磨磨辊尺寸
立磨是靠磨盘和磨辊的碾磨装置来粉碎碾磨物料的，因此其相对尺寸将直接影响到磨机的功率消耗和生产能力。
不同形式的立磨磨辊的数量和相对尺寸也不同，同一种磨机，随着技术的发展、生产能力的提高和其他特殊要求，相对尺寸略有差别。
主要磨机的磨盘、磨辊相对尺寸见表2.1。
表2.1主要磨机的磨盘、磨辊相对尺寸
磨机类型
LM
Atox
RM
MPS
磨辊数i
2
4
3
2×
辊径DR:
盘径D
0.8
0.5
0.6
0.72
辊宽B:
0.229
0.187
0.2
0.143
0.24
盘径DR
0.286
0.375
0.333
表中盘径对LM、Atox、RM磨指外径，表中的比值也指平均值，实际上不同大小的磨机在设计时还要考虑尺寸的圆整，比值略有变化。
通过前面的分析计算可知D取5m，由于本设计的立磨有4个辊子，查上表可得式如下：
（2.6）
将D=5m带入式（2.5）可得:
DR=2.5（m）B=0.935（m）
即立磨磨辊的辊径为2.5m,辊宽为0.935m。
2.4磨盘转速
立磨磨盘的转速决定物料在磨盘上的停留时间和运动速度，必需与物料的粉磨速度相平衡。
粉磨速度有辊压、辊子数量、规格、盘径、转速、料床厚度、风速等因素。
不同形式的立磨因其磨盘和磨辊的结构形式不同，其他的工艺参数不同，物料在磨盘上的运行轨迹也不同，要求的磨盘转速也就不尽相同。
对于同一种形式、不同规格的立磨，要求质量为m的物料颗粒所受到的离心力是相同的，即
（2.7）
因此可得到
n=K2D-0.5（2.8）
F———物料在磨盘上所受的离心力；
V———立磨磨盘的圆周线速度，m/s；
R———磨盘半径，m；
m———物料质量，kg；
n———磨盘转速，r/min；
K2———系数
从式（2.7）可以看出，在相同的离心力下，磨盘的转速n与磨盘直径D-0.5次方成正比，但各种立磨所确定的该离心不一样，比例系数K2也不一样。
据统计，不同磨机的K2值大约为：
LM莱歇型立磨K2=58.8，MPS型立磨K2=45.8，Atox型立磨K2=56[9]。
将D=5m，K2=58.8带入式（2.8）可得:
n=K2D-0.5=58.8×
5-0.5=26.2（r/min）（2.9）
通过圆整取立磨的实际转速
n=26（r/min）
2.5研磨压力
研磨压力的大小直接影响立磨的产量和设备的工作性能。
压力过小，则不能压碎物料，粉磨效率低，产量小，造成磨机大量吐渣。
压力过大产量高，主电机功率消耗增大。
因此，碾磨压力是立磨非常重要的参数之一。
确定其研磨压力大小时，既要考虑被粉磨的物料性能，又要考虑单位产品电耗、磨损等诸多因素。
虽然有以每个辊子对物料的研磨压力除以磨辊在磨盘上的投影面积作为设计依据的报导，但我们认为其理论依据不足够充分。
因为破碎粉磨物料所需要的力与物料的性能、种类及受力的大小有关。
用立磨粉磨物料，物料既受到挤压力的作用，也受到剪切等力的作用。
压力增加，成品粒度变小，但压力达到某一临界值后，粒度不再变化，该临界值决定于物料的性质和喂料粒度。
立磨是多级粉碎磨，循环粉磨，逐步达到要求的粒度，因此其实际使用压力并未达到临界值，一般为10～35Mpa。
理论上磨辊、磨盘之间是线接触，物料所受真实辊压很难计算。
根据立磨设计工程师多年积累的经验，研磨压力可用以下经验公式计算：
P=K3×
b（2.10）
K3———比例常数，一般K3=800～1200kg/cm。
粉磨难磨的物料时取高值、磨辊直径大时取高值，反之取低值；
P———每个辊子对物料的研磨压力，kg；
b———磨辊宽度，cm
由于在立磨强度设计时，往往还需考虑一些特殊原因引起的超压，例如进入铁件、强力振动等，因此设计压力取值应高些。
故立磨的研磨压力可取比例常数K3=1200kg/cm时的值：
P=K3×
b=1200×
93.5=112200（kg）（2.11）
2.6入磨物料粒度
为计算简便，假设被破碎物料块是球形的，物料本身的重力与破碎力相比可略去不计，由于风力在磨盘上对料层的影响较小。
也可略去不计。
由物料块与磨辊及磨盘的接触点引切线，此两条切线的夹角称钳角α，如图2.1所示。
要把直径为d的物料块拖到磨辊下面，同时把它压碎，若钳角太大，就不能达到目的。
图2.1立磨的钳角
物料与磨辊的接触点产生正压力P，P与垂线成β角。
在E一E方向上的力平衡是保正钳住物料的基本条件
（2.12）
———钢在物料上的摩擦系数，
=0.24；
———引A、B两点切线所夹角的角。
即钳角；
———磨辊作用在物料上的力；
———磨盘作用在物料上的反作用力；
解式（2.12）得：
（2.13）
因摩擦系数等于摩擦角的正切，即
（2.14）
则式（2.13）可改写为
（2.15）
由图2.1得知
（2.16）
对于立磨
，则
。
由式（2.15）得
因此，在立磨中最大钳角应该小于或等于摩擦角的两倍，才能钳住物料，压碎。
由图2.1的几何关系可知
（2.17）
R———磨辊半径，m；
r———物料半径，m；
h———磨盘与磨辊之间的间隙，设h=KR，其中系数k=0～0.6。
（2.18）
将式（2.18）代入（2.17），得
（2.19）
将
及h=KR带入式（2.19），得
令
=ε
则kR+R-r=εR+εr
（2.20）
式中:
d———物料粒径，m；
D———磨辊大端直径，m；
，则ε=
由于
=13.5°
，所以ε=0.891
将ε、
值代入式（2.20）得
（2.21）
上式所得比值说明物料粒径与磨辊直径的关系，磨辊直径大，入料粒径也相应增大。
若比值等于或超过式（2.21）中的值，则磨机的平稳性就差，振动和噪音也会相应增加，一般取
（2.22）
故可得到本次设计的LM型原料立磨的入磨粒度
1
2.7磨机通风量
立磨的通风量不仅要考虑将粉磨过的物料中的产品带出机外，而且又要考虑能将物料烘干到所要求的产品的水分。
所以，立磨的通风量与粉磨系统工艺过程（是否带外循环提升机）、磨机产量、产品的细度、入磨物料含水分量、产品水分以及人磨风温有关。
在入磨风温一定的情况下，若将入磨物料烘干到所要求的产品含水量所需风量大于粉磨输送物料所需的风量，则应以烘干水分所需风量作为磨机通风量。
根据国
内外大量资料统计可知，立磨的通风量与产量之间有以下关系[10]。
（2.23）
———磨机通风量，km3/h;
———磨机产量，t/h;
K4=1.25~1.5
对于外循环粉磨系统取低值，对于粉磨水分较大的物料及系统不带外循环提升机时取高值。
若按烘干物料计算所需的风量大于该经验公式算出的风最时，应按计算值确定出磨风量。
由上可得到本次设计的LM型原料立磨的通风量
3主要装置的选择
3.1磨机分离器的选择
分离器安装在磨机的顶部与上壳体相连，当已被粉磨且烘干的物料与上升的气流一起从壳体下不进入分离器，在经过导向叶片和转子叶片两次分选后将不合格的颗粒剔除。
并被收集后，使之返回磨盘进行在粉磨，合格颗粒与气体混合物则从分离器的出风口被排出磨外。
分离器的传动装置由电动机、减速机、联轴器组成。
减速机的出轴通过联轴器与转子主轴相连，从而带动笼形转子的旋转。
电动机的转速可调，通过调节转子的转速和结合调整导向叶片的角度来达到对产品控制细度控制控制，转子转速越快产品的细度越细。
上述参数必须在磨机调试中摸索，最终可找出最佳转速[11]。
分离器的主要部件件有上盖、主轴、笼形转子、张紧装置、下料溜子、料斗等组成。
分离器的上盖设有出风口，并支撑传动装置。
在主轴上套有分别承受径向力和轴向力的轴承，轴承采用集中润滑，并设有测温装置。
笼形转子安装时可靠张紧装置调整主轴的垂直度。
在下料溜子上设有热风通气管，如果来料水分较大，容易粘在溜子上，通入热风后可使物料与
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