机械设计与制造式机的结枸故迸试针张汝琦（山西大学工程学院，太原030013）樊智敏（青岛科技大学机电工程学院，青岛266042）田少镭（山西电力职业技术学院，太原030024）在化学工业、纺织工业中纤维素磺化（CS2的酯化反应）后制备的粘胶溶液，应在稀碱溶液中快速连续溶解，这就需要采取一定机械手段来减小粘胶粒子的尺寸。在新开发的连续溶解工艺中，采用了二级系统来减小粘胶粒子的尺寸。这种方法的步骤是：**级，将磺化机排放的团状、球状、松散状等各种形状的磺酸酯，通过粉碎机减少尺寸后进人室间储存桶；第二级，研究开发离心式研磨机来进一步减小磺酸酯胶粒直径。

　　本课题对该系列设备的中间设备一离心式研磨机，结合国内产品，针对其存在的几个关键技术问题，研究其密封问题、研磨头齿条磨损问题、动定轮间隙调整问题以及主轴组件集成中存在的问题等。同时，国外同类设备，为进一步提篼国产研磨机整体性能，设计研究更加篼效的离心式研磨机。

　　1工作原理及技术参数1.1工作原理离心式研磨机工作原理是采用一对多级剪式齿条的转子和定子，通过电机带动带有齿条的转子转动，靠转子和定子的多级齿条剪切来达到减小物料粒度的目的。其主要由电机、联轴器、主轴组件、研磨头、间隙调整机构、密封装置、底座等组成。

　　1.2主要技术参数机器结构型式：离心式；电机额定转速：1480r/min电机额定功率：55kW；2存在的技术问题2.1主轴组件组合结构设计问题为便于零部件装配和动、定轮间间隙调整，通常将主轴、轴承、左右压盖等集成在一体，称之为主轴组件。我国目前使用的离心式研磨机，主轴组件所用的轴承为球轴承和角接触轴承。

　　由于离心式研磨机连续工作，机器发热较严重，动轮产生轴向力，现行使用的轴承在机器发热后无法保证轴伸缩时能自由移动，故机器的稳定性能差。

　　为了保证轴承正常工作，除正确选择轴承类型和确定轴承型号外，还需要根据主轴悬伸量及负荷确定主轴前后支撑的跨度，计算主轴组件的刚度，合理设计主轴组件中零件的组合。

　　2.2研磨精度及磨损问题研磨头是离心式研磨机的重要组成部分，它主要由吸入室、动定轮和庄出室三部分组成，其每一部分性能的好坏都会影响研磨精度和效率，都直接关系到研磨机的整体性能。

　　因为离心式研磨机是靠转子和定子上的多级齿条相互剪切作用来工作的，主要工作部分是剪切齿条。在粘胶溶液的研磨、均化过程中，研磨齿主要受到两种力的作用：是离心力，二是粘胶溶液的内摩擦力，因此齿条会很快腐蚀和磨损。由于齿条上轮齿分布的不同，其磨损和腐蚀程度也不尽相同。而国产研磨机，转子和定子都是和齿条做成一体不可拆卸，为保证研磨精度，就会因其中某个研磨齿的过早磨损和腐蚀，而使整个基体报废，从而造成极大的浪费。从经济方面考虑，设计一种*大限度利用转子和定子的有效方案已迫在眉睫。

　　动轮是研磨头中把机械能转化为流体能量的部件，其尺寸、大小及过流部分形状是否合理，不仅影响到研磨头的性能和效率，而且直接影响到动轮传递能力的大小，因此它是研磨头*重要的部件。定轮是与动轮配合共同完成研磨任务的部件，它与动轮起着同等重要的作用。

　　3密封问题应用于粘胶溶液的研磨机，所面对的工作液为纤维素磺酸酯和稀碱的混合溶液以及化工原料等，对环境有很大污染，而粘胶溶液又是在泵的压力下工作，根据过去对研磨机的使用情况获知，如果主轴组件上轴承两端及研磨头与主轴接触处密封不好，则容易造成介质从部件间的缝隙处以穿漏、渗透或扩散的形式泄漏到联接处的另一侧，不但对环境污染严重，也对工人的健康造成严重的不良影响。造成泄露的原因是密封连接处（如研磨机主轴组件中研磨头与主轴的连接处）存在间隙，密封介质在压力差或浓度差的作用下通过间隙而渗漏。因此，要使连接处达到密封效果，必须减少密封连接处的间隙（密封面间隙和密封件本身的间隙）或消除间隙。

　　我国目前使用的研磨机多采用接触式密封，渗漏问题虽得以解决，但随之带来能耗严重和磨损太快等一系列问题。如果密封件抱轴过紧，解决了渗漏问题，但密封组件对轴的磨损严重，功率损失大，更甚者，密封件与轴之间摩擦严重造成轴和密封件两者之一或同时过度磨损、废弃，频繁的更换主轴将造成大的经济损失。因此，密封问题也是必须解决的关键问题之一，有必要致力于设计研究一种既能有效解决渗漏问题，又能将对轴的磨损降低到*小的经济合理的密封方式。

　　2.4间隙调整问题为了适应不同的研磨精度且由于粘胶粒子直径大小不同，所以动轮和定轮间的间隙必须可调。为此，间隙调整机构应能准确显示间隙的大小，并且具有锁紧功能，以防因其机构中元件的间隙变化而使主轴组件在运持过程中产生振动、松脱。

　　目前，国产研磨机采用的调整方法是：转动手轮，使蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮再通过螺纹传动，带动主轴组件使其沿轴向移动。通过蜗轮传动以及螺纹螺距间的换算关系将间隙量显示在刻度盘上，*后借助手柄转动，靠调整上下锁块与主轴套筒的摩擦力来锁紧。这种方法在原理上可行，但由于蜗轮蜗杆间隙和螺纹间隙等影响，间隙调整将有一定的误差，且很不规律，此外该结构也比较复杂，所以，寻求一种结构简单、易于操作的间隙调整机构很有必要。

　　3关键技术问题的解决方案1主轴组件的改装由主轴上零件分布知，主轴受力包栝：右端联轴器的重力、动轮的重力、轴承支反力、扭矩等。在研磨过程中，由于研磨头动轮轮齿两边所受的液体压力不同以及液体进人时的动反力影响，产生一个迫使动轮轴向移动的轴向力，轴向力除了引起动轮沿轴向移动外，还会引起振动、磨损及增加轴向负荷。

　　设计主轴时，根据主轴悬伸量及负荷确定主轴前后跨度，前轴承选用单列向心圆柱滚子轴承以承受较大的载荷和篼转速；后轴承选用一对径向止推圆锥滚子轴承，面对面安装，结构简单且受热后轴可伸长。在分析、类比的基础上，确定主轴的结构尺寸，并对主轴进行刚度校核计算，对轴承进行寿命计算，从理论上保证了设计的正确与合理性。轴的材料选用40Cr，调质处理，硬度为HBS220~250.改进后使主轴组件更能适应工作要求：结构简单，具有篼的承载能力，适应篼转速。

　　3.2研磨头的设计及研磨齿的可拆卸设计方案参照原研磨机的结构，仿照离心茱后弯式叶轮叶片设计动轮轮齿齿廓，定轮设计成齿数分别为10、20和40的研磨齿。研磨头的定轮、动轮轮齿排列方式及研磨级数参照国内研磨机的结构来设计，新的设计是将多级与转子和定子做成一起的剪式齿条改设计为可拆卸轮齿，设计的方法是采用镶齿式结构即轮齿为可装配式，通过螺栓种来联接，轮齿的材质能调整硬度，这样就可方便地解决存在的问题。定轮轮齿齿廓与动轮轮齿齿廓设计相似，动、定轮上轮齿镶齿式结构示意图如。研磨头部分融人离心泵的结构，物料由水平方向吸入，研磨后从垂直上方输出。

　　根据实际情况，研磨齿要耐磨、耐腐蚀并具有较高的硬度和强度，为此，其采用材料为9CrSi，热处理硬度HRC55 ~60.由于离心力随半径的增大而增大，所以知第三级研磨齿所受离心力*大，故在设计中主要计算分析第三级研磨齿受力并对其进行校核。由于对动、定轮机体的材料性能要求不篼，设计时选用材料为40Cr，调质处理，硬度为HBS220 3.3密封方案为了有效解决渗漏问题，同时又能将磨损降低到*小，在主轴组件上轴承两侧采用迷宫式密封，在研磨头与主轴接触的左侧（其中右侧为粘胶溶液的人口）采用软填料密封方法的组合，该方法为弹性体接触动密封。这种密封结构简单，装拆方便，成本低廉，同时软填料对轴的磨损小，其使用范围广泛：介质压力由真空到35MPa，工作温度-50~600C°，密封面线速度可达20m/s，填料寿命较长。

　　动、定轮轮齿镶齿式结构示意。4间隙调整机构设计由于螺蚊间掺等的影响，间掺调整将有一定的误差，且很不规律，此外该结构也比较复杂，故可将原间隙调整机构改变为以蜗轮蜗杆及凸轮为主体的新调隙机构，来实现主轴组件在轴向上的调隙，当凸轮升程达*大时，动轮、定轮间间隙量为0.5反之为6mm，这样可使间隙调整机构结构简单、易于操作。

　　4结论通过以上改进工作，离心式研磨机的性能有了很大提篼，使生产更加篼效、清洁，可节省生产成本，增加可靠性，缩短后溶解工序连续溶解的时间，提篼劳动生产率。