陶瓷厂轮碾机的磨损研究

摘要 轮碾机的碾轮和碾盘的磨损是多年来困扰陶瓷厂的一个实际问题，本文从提高轮碾机效率、延长碾轮和碾盘的使用寿命着手，详细分析和研究了轮碾机磨损产生的原因和磨后的形状，最后得出了碾轮和碾盘磨损的规律，并提出了新的改进方法及其理论依据。

关键词 轮碾机，磨损，滑动摩擦

1轮碾机消耗的功率

轮碾机所消耗的功率N主要包括三个方面：克服碾轮滚动时摩擦所消耗的功率N1、克服碾轮和碾盘相对滑动时摩擦所消耗的功率N2以及克服刮板对碾盘摩擦所消耗的功率N3。

1.1 克服碾轮滚动时的摩擦所消耗的功率N1

一个碾轮滚动时所需的牵引力为：P=μG

式中：

P――牵引力（kg）

μ――牵引系数，一般取0.05～0.15

G――碾轮重量（kg）

那么，克服碾轮滚动摩擦所消耗的功率为：

式中：

R――碾轮半径（m）

n――碾轮转速（rpm）

Z――碾轮个数

V1――碾轮滚动时外周的平均线速度（m/s）

一般情况下，碾轮的立轴转速n1、碾轮重量、碾轮中心到立轴中心的距离rb为已知（假设碾轮与碾盘的接触点b无相对滑动），见图1。

1.2 克服碾轮和碾盘相对滑动时摩擦所消耗的功率N2

f1――碾轮与物料间的滑动摩擦系数，一般取0.2～0.3

V2――碾轮与碾盘相对滑动速度（m/s）

Z――碾轮个数

式中V2的求法如下（参见图1）。

图中轮碾各点相对碾盘的线速度为：

由图1分析可知：碾轮上c、b、a各点均绕O点以转速n1转动。但是由于各点距O点的距离 ra>rb>rc，所以各点相对碾盘的线速度也应 Va>Vb>Vc 。即在任一瞬时，碾轮相对碾盘有三种运动：除绕O点的公转和绕水平轴的自转外，还有绕其重垂线的自转，从而产生了碾轮与碾盘的相对滑动。假设碾轮是均质的，其重垂线过b点，并有cb=ba=B/2。所以碾轮与碾盘在b点的相对滑动速度为0，而a点、c点相对滑动速度最大。此最大滑动速度V2′为a点或c点相对b点的速度差。

即：V2′=Va-Vb=Vb-Vc

P1 ――刮板对碾盘的压力 （kg）

f2 ――刮板对碾盘的摩擦系数，一般取0.2～0.3

V3 ――刮板相对碾盘的滑动速度，约等于碾轮外周的平均线速度

1.4 总功率N（配套电机功率）

η――机械效率，一般为0.6～0.8

2碾轮和碾盘的磨损

轮碾机作为粉碎机械，对被粉碎的物料主要有两种粉碎作用。一是由于碾轮的滚动对物料的挤压作用，一般情况下这是主要作用，其所消耗的功率由N1提供。二是由于碾轮相对于碾盘的滑动而产生对物料的研磨作用，其所消耗的功率由N2提供。一般情况下，陶瓷厂对轮碾机的研磨作用不作要求（粗磨和细磨由球磨机来完成）。因为过细的颗粒会把物料中的粗颗粒包裹起来，形成衬垫，使粗颗粒不易直接受到粉碎作用。轮碾机的研磨作用越大，碾轮相对于碾盘的滑动速度V2也越大。加速碾轮和碾盘磨损，缩短使用寿命，使生产率大幅度下降。

碾轮和碾盘的磨损部位与传动方式有关。对于盘转式轮碾机，碾轮a端的外周线速度与其接触点碾盘的线速度相等，碾轮c端的外周线速度与其接触点碾盘的线速度差为最大值，所以碾轮磨损成锥台形状。碾盘的相应部位也被磨损成凹槽形。轮转式轮碾机的碾轮与碾盘相对速度为0的点应在碾轮的重垂线上，由于阻力距的大小不同略有偏移，磨损成近似的“鼓形”（见图2中a和b）。

碾轮和碾盘磨损成图2中a、b所示形状后，由于碾轮与碾盘仅有一点接触，其它部位严重悬空，生产能力大幅度下降。目前许多使用厂家发现磨损后，把碾轮拆下，调头装配，使大直径端调到碾盘的里边。磨损成图3所示的形状。通常情况下，石质轮缘多则两个月，少则一个月换一次，铸铁轮缘三至四个月换一次，铸钢轮缘七八个月换一次。实践证明：碾轮和碾盘的磨损速度与相对滑动速度、介质本身的硬度、被碾压物料的硬度等物理性能有关。

3减少磨损的方法

3.1 将碾轮的轮缘做成鼓形

有的使用厂家，为了减少碾轮与碾盘的相对磨损，把新碾轮的轮缘做成鼓形（如图3c所示），这是不可取的。因为这样做虽然减少了新装碾轮与碾盘的相对滑动摩擦，但由于碾轮两端悬空，不能破碎物料，降低生产能力，解决不了非均匀磨损问题。

3.2 把碾轮和碾盘做成适当的锥台形状

减小磨损的最有效方法是把碾轮和碾盘做成适当的锥台形状以降低相对滑动速度。以下先讨论轮碾机的碾轮和碾盘没有相对滑动的形状。若要使碾轮和碾盘任一接触点K没有相对滑动，则必须有：2πrkn1=2πRkn

式中：

n1――立轴的转速（rpm）

n――碾轮的转速（rpm）

rk――碾盘中心到K点的距离(m)

Rk――碾轮轴线到K点的距离(m)

因此，要使最大相对滑动速度V2′=0，则碾轮上a、b、c三点的半径应为(见图4)：

为了保持水平轴水平位置，碾盘也须做成相应的锥台形状。如果仍保持原设计碾轮转速n不变，对轮转式轮碾机，必须保持Rb与原设计相同（盘转式Ra也与原设计相同）。Rb为定值后，则n=n1rb/ Rb也为定值。如果仍保持碾轮的宽度B不变，且安装位置不变，则ra、rb、rc也均为定值，那么Ra与Rc的差值为：

为了保证水平轴的水平位置，碾盘rc与ra处的高度差ΔH与上述碾轮半径差相等。

以上所述为轮转式轮碾机的碾轮和碾盘形状的确定方法。盘转式轮碾机是碾盘主动旋转，靠摩擦力带动碾轮绕其轴线自转，碾轮不存在公转。碾轮的转速n由其可能获得的最大轮缘线速度决定，即碾轮轮缘的线速度与碾盘a点的线速度基本相等。所以n=n1ra/Ra，也就是Ra应保持原设计不变。正因为a、b、c等点碾轮与碾盘之间均无相对滑动速度，所以有：

式中：

Ra――原设计碾轮半径（大端半径）

Rc――碾轮小端半径

B――原设计碾轮宽度

ra――原设计碾轮外端到碾盘中心的距离

为了保证水平轴的水平位置，碾盘rc与ra处的高度差ΔH与上述碾轮半径差相等。

4结 束 语

锥台形状的碾轮与碾盘之间没有相对滑动，即 V2′=0。因此N2=0，且最大限度地减小碾轮与碾盘的磨损，将大幅度延长其使用寿命；锥台形的碾轮和碾盘的磨损是均匀的，不出现一点接触、大面积悬空等现象，将长时间保持高生产率。由于碾盘作成锥台形状，物料被滚压时自动由里向外移动；还由于碾轮由里向外渐大，重量渐大，挤压作用由里向外渐大，使得物料颗粒由里向外运动过程中越来越小，便于顺利地顺序排料。但是改造后的碾轮和碾盘没有相对滑动，则没有研磨作用，对研磨作用要求高的操作不适用；且使碾轮的轴向力增加，因此对水平轴的止推轴承提出了更高的要求。

参考文献

1 广东轻工业学校主编.日用陶瓷工厂机械装备[M].北京：轻工业出版社，1999

2 张嗣伟主编.基础摩擦学[M].中国石油大学出版社，2001

3 刘新田主编.表面工程[M].河南：河南大学出版社

4 表面处理工艺手册编审委员会编.表面处理工艺手册[M].上海：上海科学技术出版社

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。