球磨機(jī)出料口防止研磨體（鋼球）流出的螺旋槽工藝設(shè)計(jì)

程平陽

（武漢星宇建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，武漢436000）

球磨機(jī)在工作過程中，為了保證筒體內(nèi)所磨的礦漿料能順利流出，一般在出口設(shè)計(jì)螺紋導(dǎo)流槽，隨著球磨機(jī)筒體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，摩出的礦漿，沿著螺紋槽流出球磨機(jī)。但是對于大型球磨機(jī)，由于其內(nèi)鋼球較大，在球磨機(jī)內(nèi)工作過程中，鋼球容易滾出筒體，為了保證被磨的礦漿液體流出筒體，又要防止筒體內(nèi)的研磨體（鋼球）隨著漿液滑出，這就需要球磨機(jī)的出料口對鐵球在隨球磨機(jī)的筒體旋轉(zhuǎn)過程中有一定的阻擋作用，怎樣的工藝結(jié)構(gòu)既能夠讓礦漿料順利流出，又能夠使摩擦鋼球不滾出筒體呢？本文針對摩擦鋼球在球磨機(jī)出口處的受力分析，設(shè)計(jì)出與筒體旋轉(zhuǎn)方向相反的螺紋槽，借助螺旋槽轉(zhuǎn)動和鋼球自身重量和離心力產(chǎn)生的力和力矩，有效地阻止球磨機(jī)筒體內(nèi)鋼球滾出，保證球磨機(jī)正常工作。

1 球磨機(jī)的工作原理

球磨機(jī)是一種將礦石磨細(xì)的機(jī)器設(shè)備，其主體工作結(jié)構(gòu)（見圖1）是一個(gè)圓形筒體，筒體兩端裝有帶空心軸頸的端蓋，端蓋的軸頸支承在軸承上，電動機(jī)通過裝在筒體上的齒輪使球磨機(jī)回轉(zhuǎn)，在筒體內(nèi)裝有磨礦介質(zhì)（鋼球、鋼棒或礫石等）和被磨的礦石。當(dāng)筒體按規(guī)定的轉(zhuǎn)速繞水平軸線回轉(zhuǎn)時(shí)，筒體內(nèi)的磨礦介質(zhì)和礦石在離心力和摩擦力的作用下，被筒體襯板提升到一定的高度，然后脫離筒壁自由瀉落或拋落，使礦石受到?jīng)_擊和磨剝作用而粉碎。礦石從筒體一端的空心軸頸不斷地給入，而磨碎以后的產(chǎn)品經(jīng)筒體另一端的空心軸頸不斷地排出，筒體內(nèi)礦石的移動是利用不斷給入礦石的壓力來實(shí)現(xiàn)的。在濕磨時(shí)，礦石被水流帶走。在干磨時(shí)，礦石被向筒體外抽出的氣流帶走。同時(shí)筒體內(nèi)的研磨體（鋼球）隨著漿液滑出，針對此種情況，設(shè)計(jì)出與筒體旋轉(zhuǎn)方向相反的螺紋槽，借助螺旋槽轉(zhuǎn)動和鋼球自身重量和離心力產(chǎn)生的力和力矩，有效地阻止球磨機(jī)筒體內(nèi)鋼球滾出。

圖1 兩頭螺紋反向?qū)Я鞑劢Y(jié)構(gòu)

2 球磨機(jī)出礦的工藝技術(shù)要求

根據(jù)球磨機(jī)的工作原理可知，球磨機(jī)的粉磨作用主要是研磨體對物料的沖擊和研磨，這就需要從球磨機(jī)的工藝參數(shù)上進(jìn)行思考和選擇，如適宜的工作轉(zhuǎn)速、研磨體（鋼球）裝的填量以及掌握影響磨機(jī)粉磨效率的各項(xiàng)因素、筒體受力情況等。當(dāng)磨機(jī)在正常工作時(shí)，研磨體（鋼球）在筒體內(nèi)按所在位置的運(yùn)動軌跡只有兩種：

一種是一層層地以筒體橫斷面幾何中心為圓心，按同心圓弧軌跡隨著筒體回轉(zhuǎn)作向上運(yùn)動；

另一種是一層層地按拋物線軌跡降落下來。而正是這種球體拋物運(yùn)動，有時(shí)球體被碰撞出筒體，沿著空心軸出口隨礦漿一起滾出。

為了滿足以上鋼球在球磨機(jī)筒體內(nèi)的工藝要求，防止鋼球在運(yùn)動碰撞過程中滾出筒體，同時(shí)滿足筒體中的礦漿料能順利流出筒體，就需要在球磨機(jī)出口空心軸上設(shè)計(jì)出一個(gè)與導(dǎo)流槽螺旋方向相反的螺旋槽，通過螺旋槽與空心軸結(jié)合產(chǎn)生的力和力矩，來將鋼球推回筒體倉內(nèi)。

3 球磨機(jī)出料口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)的選擇

通過圖1 看出，在出料口的內(nèi)壁上設(shè)計(jì)制造出幾條與球磨機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的螺旋槽，可以有效地阻止磨球從出料口滑出。螺旋線的螺距及螺紋高度可以根據(jù)球磨機(jī)的直徑和出口直徑的具體尺寸確定。傳力螺旋以傳遞動力為主，要求用較小的力矩轉(zhuǎn)動研磨體（鋼球），產(chǎn)生軸向運(yùn)動和較大的軸向力，從而推動研磨體（鋼球）回到筒倉內(nèi)。

假設(shè)在螺旋滑道間充滿鋼球，那么鋼球與螺旋滑道的摩擦為滾動摩擦。它的優(yōu)點(diǎn)是：因?yàn)槭菨L動摩擦，摩擦力幾乎可以忽略不計(jì)；可以變直線運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，借助自重和旋轉(zhuǎn)的離心力使鋼球返倉。

3.1 鋼球在矩形螺紋滑道中的運(yùn)動分析

當(dāng)球磨機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)，被碰撞到球磨機(jī)筒體出口螺旋滑道上的研磨體（鋼球），在離心力和與自身重力的作用下，貼附在筒體內(nèi)壁的螺旋滑道面上，隨筒體一起回轉(zhuǎn)，一部分鋼球被帶到一定高度，在重力作用下自由下落到空心軸的底部，另一部分在空心軸與筒體倉連接的端部的即聚集在筒體出口底部的鋼球鋼球，被筒體旋轉(zhuǎn)經(jīng)由螺旋滑道產(chǎn)生的力和力矩推回筒體倉內(nèi)。研磨體上升、下落的循環(huán)運(yùn)動是周而復(fù)始的。而由于進(jìn)料端不斷喂入新物料，使進(jìn)料與出料端物料之間存在著料面差能強(qiáng)制物料流動，并且研磨體下落時(shí)沖擊物料產(chǎn)生軸向推力也迫使物料流動，另外磨內(nèi)氣流運(yùn)動也幫助物料流動。因此，磨機(jī)筒體雖然是水平放置，但物料卻可以由進(jìn)料端緩慢地流向出料端，完成粉磨作業(yè)，因而保證礦漿能順利流出。

3.2 螺旋方向及螺紋技術(shù)參數(shù)的選擇

由于研磨體（鋼球）在螺旋滑道中的運(yùn)動是滾動，其摩擦阻力可以忽略不計(jì)；磨機(jī)筒體內(nèi)物料對研磨體（鋼球）運(yùn)動的影響也可以略去不計(jì)。

根據(jù)研磨體（鋼球）的大小尺寸，合理地選擇螺紋的技術(shù)參數(shù)。技術(shù)參數(shù)的選擇既要有利于球磨機(jī)筒體內(nèi)的礦漿溢流出來，又能有效地阻止研磨體（鋼球）滾出筒體。

為了便于加工制造，螺紋的牙型選用矩形螺紋。螺紋大徑與小徑之差即為螺紋槽的深度尺寸必須保證鋼球沿螺紋槽滑動。螺紋的頭數(shù)設(shè)計(jì)為雙頭或者三頭螺紋。螺紋距根據(jù)鋼球直徑大小確定。這樣螺旋升角λ 通過公式tgλ =就可以確定了。

螺旋方向的選擇：用左右手螺旋法則來確定螺旋的走向，用左右手握拳，四指所指的方向代表筒體的旋轉(zhuǎn)方向，也就是附著在筒體上的螺旋槽的旋轉(zhuǎn)方向，那么大拇指所指的方向就是在螺旋槽中的鋼球的走向。

3.3 鋼球在矩形螺紋滑道中的受力分析

矩形螺旋副中的螺旋面可以看作由斜平面卷繞在圓柱體上而形成的，并假設(shè)鐵球和出口內(nèi)螺紋面間的作用力集中作用在螺旋平均半徑r 的螺旋線上。因此，可以將螺旋副的螺旋面沿平均半徑展開成為一個(gè)連續(xù)斜平面，這樣，摩擦副的摩擦問題可以化為摩擦問題來研究。該斜面的升角就是螺旋平均半徑r處螺旋線的升角，以λ 表示，則通過公式tgλ =就可以確定了。式中L 為螺旋導(dǎo)程。為螺旋的導(dǎo)程。

圖2 中鋼球1 在力矩M 的作用下，逆著軸向荷載Q 而等速沿螺旋滑道向上運(yùn)動，這與鋼球球在水平力P 的作用下沿斜面2 向上情況相當(dāng)。

（1）式中P 是在螺旋槽平均半徑處施加的圓周力，為螺旋面的摩擦角。

圖2 鋼球在矩形螺紋滑道中的受力分析

所以驅(qū)動起重鋼球上升所需的力矩為

（2）式中PM為作用于筒體上的外加驅(qū)動力，L 為外加驅(qū)動力作用線至鋼球中心線間的距離。

反之，螺桿順著Q 力的方向等速沿螺旋滑道向下運(yùn)動，這與鋼球在載荷Q 的作用下沿斜面等速下滑的情況相當(dāng)，可以引用公式：

（3）式中P’是在螺旋槽平均半徑處施加的圓周力。

故維持起重鋼球等速下降所需的力矩為

根據(jù)（4）式所知，當(dāng)γ ＞φ 時(shí)，M’＞0，其方向與鋼球方向相反，起著阻抗力矩的作用。當(dāng)γ ＜φ 時(shí)，M’＜0，其方向與鋼球轉(zhuǎn)動方向相同，說明要使鋼球等速下降，必須施加這一驅(qū)動力矩M’，不然只靠軸向力Q 不能驅(qū)使鋼球運(yùn)動，即該鋼球發(fā)生自鎖，其自鎖條件為γ ＜φ。

3.4 螺紋材料的選用

螺旋的材料除要求有足夠的強(qiáng)度、耐磨性外，還要求鐵球與螺旋的摩擦系數(shù)小，可以選用很容易得到的Q275 鋼，作為螺旋材料，在空心軸鑄造過程中同時(shí)將螺旋鑄造上去。

4 結(jié)語

通過在球磨機(jī)出口設(shè)計(jì)出與筒體旋轉(zhuǎn)方向相反的螺紋槽，選擇合理的螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)，借助螺旋槽轉(zhuǎn)動和鋼球自身產(chǎn)生的力和力矩，有效地阻止球磨機(jī)筒體內(nèi)鋼球滾出，保證球磨機(jī)正常工作。其實(shí)際應(yīng)用效果圖見（圖1）兩頭螺紋反向?qū)Я鞑劢Y(jié)構(gòu)。