有研究數(shù)據(jù)表明，球磨機(jī)的能耗利用率只有2%一3%左右，如球磨機(jī)電耗是lOOkWh，其中“克服應(yīng)力和內(nèi)聚力，使物料生成新表面”的有用功僅2—3kWh，其余97～98kWb的能量則消耗在“提升研磨體、噪音、發(fā)熱以及傳動系統(tǒng)的摩擦損耗”等環(huán)節(jié)上。雖然立磨等擠壓粉磨設(shè)備的能耗利用率有較大幅度的提高，但球磨機(jī)具有產(chǎn)品顆粒組成比較理想等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使其在水泥等行業(yè)依然保持難以替代的地位，節(jié)能降耗因此成為當(dāng)前球磨機(jī)相關(guān)研究和改進(jìn)的主攻方向。
筆者曾是一家建材機(jī)械廠的產(chǎn)品設(shè)計人員，該廠生產(chǎn)的選礦用中小型球磨機(jī)，此前一直沿襲“滑動軸承、邊緣傳動、剮性聯(lián)軸器”等效率較低的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖1）。筆者結(jié)合現(xiàn)場服務(wù)經(jīng)驗，借鑒當(dāng)前球磨機(jī)相關(guān)節(jié)能技術(shù)，對傳統(tǒng)中小型球磨機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。以下是∮1200×2400規(guī)格球磨機(jī)改進(jìn)的實(shí)例說明：
1、滑動軸承改滾動軸承
球磨機(jī)能耗利用率極低的根源在于工作原理上的“先天缺陷”，球磨機(jī)是靠簡體旋轉(zhuǎn)帶動研磨體進(jìn)行“拋射運(yùn)動”，以實(shí)現(xiàn)對物料的沖擊和磨削作用，這就制約了“研磨體的提升、噪音、摩擦發(fā)熱”等能耗環(huán)節(jié)。要達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，設(shè)計人員往往在球磨機(jī)傳動系統(tǒng)上下工夫。綜觀當(dāng)前有關(guān)球磨機(jī)的節(jié)能技術(shù)，大多數(shù)遵循“改進(jìn)傳動系統(tǒng)，降低摩擦損耗”的思路，這其中最具典型的就是滑動軸承改滾動軸承。研究表明，滑動摩擦功耗約占球磨機(jī)配用電機(jī)功率的18%~29%，滾動軸承替代滑動軸承后，磨機(jī)配用電機(jī)功率可減少17%～22%，能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。因大型滾動軸承的設(shè)計、制造及密封等難題沒有完全攻克，滾動軸承在大型球磨機(jī)上的應(yīng)用還處于探索階段，但對中小型球磨機(jī)而言，則不存在軸承的配套問題，富通新能源銷售球磨機(jī)、雷蒙磨粉機(jī)等磨機(jī)機(jī)械設(shè)備。
筆者對Ø1200×2400球磨機(jī)首先進(jìn)行了滑動軸承改滾動軸承（見圖2）。該規(guī)格球磨機(jī)原電機(jī)功率55KW，改進(jìn)后降為45KW，實(shí)踐證明設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，按照一天工作8h，一年工作300d計算，其節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。需要補(bǔ)充說明，滑動軸承必須配套稀油潤滑系統(tǒng)，干法生產(chǎn)的球磨機(jī)還必須配套冷卻水系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，其油耗、水耗占生產(chǎn)成本的很大比重。滾動軸承采用油脂潤滑，免去了稀油潤滑和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。歸納起來，滾動軸承對用戶有“節(jié)能、節(jié)油、節(jié)水”三大好處，對制造商而言，也有簡化工藝和降低成本的好處。滑動軸承的軸瓦采用巴氏合金材料，不僅價格昂貴，而且澆鑄和機(jī)加工要求高，潤滑系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)所對應(yīng)的軸承座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也相當(dāng)復(fù)雜，改滾動軸承后，筆者將軸承底座設(shè)計為無需木模的鋼板焊接件。
滑動軸承改滾動軸承設(shè)計要點(diǎn)有：①軸承類型的選擇：球磨機(jī)具有低速、重載的特點(diǎn)，支承裝置必須彌補(bǔ)“兩端中空軸同心度誤差”和“筒體運(yùn)行中產(chǎn)生的撓度”等問題，本案最終選用調(diào)心性能較好的雙列調(diào)心球面滾子軸承；②軸承具體規(guī)格的選擇：需要兼顧承載能力和裝配尺度兩個因素。具體思路是：由生產(chǎn)能力確定進(jìn)、出料通路的尺度，繼而確定中空軸的外徑即滾動軸承內(nèi)徑（見第3部分中空軸設(shè)計），然后再由承載能力確定軸承外徑和寬度；③軸承軸向定位組合：球磨機(jī)載荷大，工作過程中簡體發(fā)熱，熱脹冷縮的應(yīng)力是軸承軸向定位必須考慮的關(guān)鍵問題，方案中采用了“出料端固定、進(jìn)料端游動”的組合方式，為了避開進(jìn)料端大塊物料的沖擊，傳動裝置往往布置在出料端，出料端固定保證了傳動裝置的正常工作。需要特別注意，兩端軸承組件中僅端蓋軸向定位尺寸有5mm的微小差異，進(jìn)出料端的軸承組件在現(xiàn)場不得裝反。
2、邊緣傳動改中心傳動
中心傳動方案在大型球磨機(jī)上比較常見，中小型球磨機(jī)大多數(shù)默認(rèn)邊緣傳動的方案。有研究表明，中心傳動的機(jī)械效率比邊緣傳動高，在一般情況下，中心傳動n=0.92 - 0.95，邊緣傳動17=0. 86-0.90，兩者相差5%左右，采用中心傳動對能耗基數(shù)大并常年運(yùn)轉(zhuǎn)的球磨機(jī)而言，其節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。另外中心傳動結(jié)構(gòu)緊湊，規(guī)格相同的條件下，中心傳動比邊緣傳動重量要輕，節(jié)省鋼材約15%18%左右，這就大大降低了制造商的生產(chǎn)成本。中心傳動采用完全密封的減速器，使用壽命長，日常維修工作量少，而邊緣傳動的開式齒輪處于難以嚴(yán)格密封的齒輪罩內(nèi)，粉塵侵入磨損相當(dāng)劇烈，其壽命較短，邊緣傳動的零件分散，供油點(diǎn)和檢查點(diǎn)較多，操作、檢修困難。
傳統(tǒng)Ø1200×2400規(guī)格球磨機(jī)嫁接“中心傳動”的設(shè)計難點(diǎn)，首推“中空軸結(jié)構(gòu)和尺度的設(shè)計”，具體有以下三個方面：①中空軸外徑的確定：傳統(tǒng)的進(jìn)出料中空軸內(nèi)部裝有進(jìn)出料口（見圖1），考慮物料沒有強(qiáng)烈“磨蝕”性質(zhì)，改進(jìn)方案去除了進(jìn)出料口，進(jìn)出料通路改走中空軸內(nèi)孔，孔內(nèi)鑄有螺旋結(jié)構(gòu)，內(nèi)孔直徑和原先進(jìn)出料口接近，去除進(jìn)出料口的好處就在于縮小了中空軸外徑（即滾動軸承的內(nèi)徑），在滿足承載能力和使用壽命的前提下，盡可能減小滾動軸承的配套規(guī)格，滾動軸承規(guī)格越大，對制造商和用戶均意味著配件采購成本越高；②中空軸與簡體連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計：改進(jìn)前簡體端蓋和中空軸是整體碗形結(jié)構(gòu)（見圖1），筒體出料倉布置在碗形空腔之中，改進(jìn)后簡體端部采用焊接式平端蓋，中空軸與簡體連接法蘭大大縮小，簡體中空軸采用鉸制孔螺栓連接，機(jī)加工必須保證簡體兩端的法蘭止口同軸度，出料倉結(jié)構(gòu)形式也要作相應(yīng)的改變等；③中空軸強(qiáng)度計算：邊緣傳動的出料中空軸不承受設(shè)備傳動的扭矩載荷，中心傳動的出料中空軸（見圖3）是典型的轉(zhuǎn)軸（既承受彎矩又傳遞扭矩），本案同時兼任出料口的角色，筆者采用經(jīng)驗類比法，初定中空軸的壁厚，然后再校核疲勞強(qiáng)度、剛度等。因球磨機(jī)的載荷因素非常復(fù)雜，中空軸計算模型有待行家進(jìn)一步探討。
減速器型號和速比的選擇也是邊緣傳動改中心傳動的重要問題。考慮方便采購的因素，本案最終選擇了通用型圓柱齒輪減速器，其規(guī)格滿足設(shè)備“重載、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)”的工作狀態(tài)，速比按照“簡體旋轉(zhuǎn)速度保持不變”的原則計算，即邊緣傳動齒輪副的傳動比轉(zhuǎn)嫁給減速器，減速器規(guī)格有所增大（單級變兩級），采購成本相對提高，但綜合考慮節(jié)省大小齒輪副等因素，產(chǎn)品的總體制造成本和用戶使用（維修、配件）成本均明顯下降。
3、其他方面的改進(jìn)
在上述改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上，筆者考慮球磨機(jī)使用運(yùn)行中的其他因素．對傳統(tǒng)∮1200×2400規(guī)格球磨機(jī)，同時進(jìn)行了以下兩點(diǎn)改進(jìn)：
剛性聯(lián)軸器改液力偶合器：球磨機(jī)必須帶負(fù)荷（研磨介質(zhì)球體）啟動，為此必須加大電機(jī)容量和相應(yīng)增加供電系統(tǒng)容量，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行因數(shù)下降，磨機(jī)啟動電流大，對電網(wǎng)形成沖擊，影響生產(chǎn)系統(tǒng)中其它設(shè)備的正常運(yùn)行。筆者將球磨機(jī)電機(jī)輸出軸與減速器輸入軸之間的剛性聯(lián)軸器改為液力偶合器（見圖2），使用效果證明，盡管使用滾動軸承后電機(jī)功率下降一檔，但球磨機(jī)啟動性能卻大大改善（啟動電流下降），事實(shí)上也就提高了設(shè)備運(yùn)行中的電機(jī)使用效能。
獨(dú)立底座改一體化底座：傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中小型球磨機(jī)的筒體兩端軸承底座、電機(jī)底座、減速器的底座是“各自為政”，產(chǎn)品出廠時部件分散發(fā)運(yùn)，集成度低，現(xiàn)場安裝調(diào)整工作量較大等。筆者采納用戶建議，本案將筒體部的兩端軸承底座用鋼架連成一體，將電機(jī)和減速器的底座合二為一（見圖2）。一體化底座既方便產(chǎn)品集成發(fā)運(yùn)，又減少了現(xiàn)場安裝工作量，用戶水泥基礎(chǔ)也可以節(jié)省下來（小規(guī)格磨機(jī)底座連成一體后，可直接在地面上安置），本案提高了傳動系統(tǒng)的剛度和傳動精度，從而延長了設(shè)備的使用壽命。
4、結(jié)束語
在全社會倡導(dǎo)科學(xué)發(fā)展觀的今天，節(jié)能降耗具有重要的意義。但中小型球磨機(jī)因能耗基數(shù)相對較低，目前國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對其關(guān)注程度遠(yuǎn)不及大型球磨機(jī)。還有一些傳統(tǒng)的觀念制約著中小型球磨機(jī)的改進(jìn)步伐，比如很多資料和教科書都有“中心傳動雖然效率高，但設(shè)備制造復(fù)雜，多用于大型磨機(jī)”的說法。實(shí)踐證明，筆者將“中心傳動”嫁接到中小型球磨機(jī)上，制造商簡化了工藝，降低了生產(chǎn)成本，用戶實(shí)現(xiàn)節(jié)能，降低了維護(hù)和配件成本。
