0、前言
    有研究數據表明，球磨機的能耗利用率只有2%一3%左右，如球磨機電耗是lOOkWh，其中“克服應力和內聚力，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、發熱以及傳動系統的摩擦損耗”等環節上。雖然立磨等擠壓粉磨設備的能耗利用率有較大幅度的提高，但球磨機具有產品顆粒組成比較理想等獨特優點，使其在水泥等行業依然保持難以替代的地位，節能降耗因此成為當前球磨機相關研究和改進的主攻方向。
    筆者曾是一家建材機械廠的產品設計人員，該廠生產的選礦用中小型球磨機，此前一直沿襲“滑動軸承、邊緣傳動、剮性聯軸器”等效率較低的傳統結構（見圖1）。筆者結合現場服務經驗，借鑒當前球磨機相關節能技術，對傳統中小型球磨機進行了結構改進。以下是∮1200×2400規格球磨機改進的實例說明：
1、滑動軸承改滾動軸承
    球磨機能耗利用率極低的根源在于工作原理上的“先天缺陷”，球磨機是靠簡體旋轉帶動研磨體進行“拋射運動”，以實現對物料的沖擊和磨削作用，這就制約了“研磨體的提升、噪音、摩擦發熱”等能耗環節。要達到節能降耗的目標，設計人員往往在球磨機傳動系統上下工夫。綜觀當前有關球磨機的節能技術，大多數遵循“改進傳動系統，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配用電機功率的18%~29%，滾動軸承替代滑動軸承后，磨機配用電機功率可減少17%～22%，能夠有效實現節能的目標。因大型滾動軸承的設計、制造及密封等難題沒有完全攻克，滾動軸承在大型球磨機上的應用還處于探索階段，但對中小型球磨機而言，則不存在軸承的配套問題，富通新能源銷售球磨機、雷蒙磨粉機等磨機機械設備。
    筆者對Ø1200×2400球磨機首先進行了滑動軸承改滾動軸承（見圖2）。該規格球磨機原電機功率55KW，改進后降為45KW，實踐證明設備運轉正常，按照一天工作8h，一年工作300d計算，其節能的經濟效益相當可觀。需要補充說明，滑動軸承必須配套稀油潤滑系統，干法生產的球磨機還必須配套冷卻水系統，這兩個系統結構復雜，維護困難，其油耗、水耗占生產成本的很大比重。滾動軸承采用油脂潤滑，免去了稀油潤滑和冷卻水循環系統。歸納起來，滾動軸承對用戶有“節能、節油、節水”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，而且澆鑄和機加工要求高，潤滑系統和冷卻水系統所對應的軸承座的內部結構也相當復雜，改滾動軸承后，筆者將軸承底座設計為無需木模的鋼板焊接件。
    滑動軸承改滾動軸承設計要點有：①軸承類型的選擇：球磨機具有低速、重載的特點，支承裝置必須彌補“兩端中空軸同心度誤差”和“筒體運行中產生的撓度”等問題，本案最終選用調心性能較好的雙列調心球面滾子軸承；②軸承具體規格的選擇：需要兼顧承載能力和裝配尺度兩個因素。具體思路是：由生產能力確定進、出料通路的尺度，繼而確定中空軸的外徑即滾動軸承內徑（見第3部分中空軸設計），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：球磨機載荷大，工作過程中簡體發熱，熱脹冷縮的應力是軸承軸向定位必須考慮的關鍵問題，方案中采用了“出料端固定、進料端游動”的組合方式，為了避開進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，進出料端的軸承組件在現場不得裝反。
2、邊緣傳動改中心傳動
    中心傳動方案在大型球磨機上比較常見，中小型球磨機大多數默認邊緣傳動的方案。有研究表明，中心傳動的機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大并常年運轉的球磨機而言，其節能的經濟效益非常可觀。另外中心傳動結構緊湊，規格相同的條件下，中心傳動比邊緣傳動重量要輕，節省鋼材約15%18%左右，這就大大降低了制造商的生產成本。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格密封的齒輪罩內，粉塵侵入磨損相當劇烈，其壽命較短，邊緣傳動的零件分散，供油點和檢查點較多，操作、檢修困難。
    傳統Ø1200×2400規格球磨機嫁接“中心傳動”的設計難點，首推“中空軸結構和尺度的設計”，具體有以下三個方面：①中空軸外徑的確定：傳統的進出料中空軸內部裝有進出料口（見圖1），考慮物料沒有強烈“磨蝕”性質，改進方案去除了進出料口，進出料通路改走中空軸內孔，孔內鑄有螺旋結構，內孔直徑和原先進出料口接近，去除進出料口的好處就在于縮小了中空軸外徑（即滾動軸承的內徑），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格，滾動軸承規格越大，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構的設計：改進前簡體端蓋和中空軸是整體碗形結構（見圖1），筒體出料倉布置在碗形空腔之中，改進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，機加工必須保證簡體兩端的法蘭止口同軸度，出料倉結構形式也要作相應的改變等；③中空軸強度計算：邊緣傳動的出料中空軸不承受設備傳動的扭矩載荷，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，筆者采用經驗類比法，初定中空軸的壁厚，然后再校核疲勞強度、剛度等。因球磨機的載荷因素非常復雜，中空軸計算模型有待行家進一步探討。
    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，其規格滿足設備“重載、連續運轉”的工作狀態，速比按照“簡體旋轉速度保持不變”的原則計算，即邊緣傳動齒輪副的傳動比轉嫁給減速器，減速器規格有所增大（單級變兩級），采購成本相對提高，但綜合考慮節省大小齒輪副等因素，產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
    在上述改進方案的基礎上，筆者考慮球磨機使用運行中的其他因素．對傳統∮1200×2400規格球磨機，同時進行了以下兩點改進：
    剛性聯軸器改液力偶合器：球磨機必須帶負荷（研磨介質球體）啟動，為此必須加大電機容量和相應增加供電系統容量，導致電網運行因數下降，磨機啟動電流大，對電網形成沖擊，影響生產系統中其它設備的正常運行。筆者將球磨機電機輸出軸與減速器輸入軸之間的剛性聯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功率下降一檔，但球磨機啟動性能卻大大改善（啟動電流下降），事實上也就提高了設備運行中的電機使用效能。
    獨立底座改一體化底座：傳統結構中小型球磨機的筒體兩端軸承底座、電機底座、減速器的底座是“各自為政”，產品出廠時部件分散發運，集成度低，現場安裝調整工作量較大等。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，將電機和減速器的底座合二為一（見圖2）。一體化底座既方便產品集成發運，又減少了現場安裝工作量，用戶水泥基礎也可以節省下來（小規格磨機底座連成一體后，可直接在地面上安置），本案提高了傳動系統的剛度和傳動精度，從而延長了設備的使用壽命。
4、結束語
    在全社會倡導科學發展觀的今天，節能降耗具有重要的意義。但中小型球磨機因能耗基數相對較低，目前國內研究機構對其關注程度遠不及大型球磨機。還有一些傳統的觀念制約著中小型球磨機的改進步伐，比如很多資料和教科書都有“中心傳動雖然效率高，但設備制造復雜，多用于大型磨機”的說法。實踐證明，筆者將“中心傳動”嫁接到中小型球磨機上，制造商簡化了工藝，降低了生產成本，用戶實現節能，降低了維護和配件成本。