杜寄勇 邱 健 張亞東

（濟南重工股份有限公司，濟南 250109）

球磨機被多種行業(yè)用于研磨物料，憑借處理能力大、粉磨粒度高等優(yōu)點一直被延續(xù)使用至今。磨機筒體作為球磨機的關鍵部件，需長期在低轉(zhuǎn)速、重載荷的條件下連續(xù)運行，因此設計時必須考慮耐用度因素。設計磨機筒體，尤其是大型球磨機，必須運用基礎理論知識來分析使用的必要性，企業(yè)加工能力允許的情況下的制造可行性和成本計算的經(jīng)濟性，在此基礎上合理利用原材料的性能和進行結(jié)構上的改良。本文主要針對MQY5585溢流型球磨機的筒體理論設計做出綜述。

1 筒體結(jié)構設計

1.1 結(jié)構形式

一般筒體結(jié)構采用整體式，整體式筒體綜合制造偏差相對較小，且成本相對較低。對于大型球磨機，考慮到企業(yè)的生產(chǎn)制造能力，可將筒體改為分段結(jié)構，用螺栓連接，便于安裝和運輸[1]。

1.2 與端蓋連接形式

筒體與端蓋連接有以下三種結(jié)構形式。

1.2.1 外接型結(jié)構

此種結(jié)構主要應用于小直徑球磨機，優(yōu)點是組裝比較方便，但是由于球磨機筒節(jié)外形直徑大，切削加工面和材料消耗也相對比較大，如圖1所示。圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）三種接頭均屬于角焊縫，與圖1（d）、圖1（e）相比，其接頭強度要低30%～50%。

圖1 外接型法蘭結(jié)構形式

1.2.2 內(nèi)接型結(jié)構

大中型磨機一般采用內(nèi)接型連接方式的結(jié)構，如圖2所示。

圖2 內(nèi)接型法蘭結(jié)構形式

圖2 （a）與其他結(jié)構相比較，對原材料的利用程度比較高；圖2（b）原材料利用率低，切削加工量大，由于磨機筒體重量較大，法蘭的止口圓均發(fā)生嚴重變形，無法將端蓋與筒體組裝在一起，螺栓孔發(fā)生嚴重錯位；圖2（c）原材料利用率高，切削加工量少，理論上采用角焊縫是不合理的，但實際運行過程中從未發(fā)生過斷裂事故。

1.2.3 無法蘭連接

無法蘭連接實際就是將端蓋與法蘭焊接在一起，這種連接方式結(jié)構比較合理，根據(jù)設計計算各種規(guī)格筒體均可使用，而且使用可靠，制造簡便。

2 磨門與人孔設計

磨門是為封閉人孔設置的，要求裝卸方便、固定牢固。人孔的主要作用是：對于大直徑球磨機，研磨體裝載量比較大，通過磨機本體加球裝置進行填充研磨體比較浪費時間，所以可通過人孔填充；運行一段時間，可通過人孔檢查通體內(nèi)部襯板及緊固件的磨損情況。

2.1 磨門

2.1.1 內(nèi)提式磨門

內(nèi)提式磨門有兩種結(jié)構形式：一種是把人孔蓋和人孔襯板鑄造成整體式，這樣整體重量較大，不利于安裝，而且對材質(zhì)要求較高。另一種結(jié)構是在筒體上開人孔，在人孔處加蓋一層加強板，把螺栓焊接在加強板上，然后固定人孔蓋[2]。

內(nèi)提式磨門會給筒體襯板排布增加一定的困難，相應的筒體襯板的規(guī)格種類增加，由于筒體襯板一般的通用名義弧長的模數(shù)是100πmm，軸向長度是250mm的整數(shù)倍，而內(nèi)提式磨門沿人孔四周必須留有15～20mm與筒體壓邊，一般人孔尺寸都大于（100π-2×15）×（250×2-2-15）mm。如果把人孔開設在筒體襯板對稱位置，則襯板的尺寸種類就會比靠一側(cè)襯板偏開人孔時多一倍。如果人孔對稱布置需增加2～3種非標準尺寸襯板，這樣會相對增加成本。

2.1.2 外蓋式磨門

選擇外蓋式磨門，磨門襯板和筒體襯板完全一樣，這樣襯板種類會少許多。此結(jié)構的人孔凈空尺寸為3^44 × 530mm2，人孔沿周圍的筒體襯板懸出人孔11～12mm，即人孔蓋與襯板懸出部分不接觸，會對襯板強度有些影響。通過人孔可填充研磨體和進行必要的檢修，會節(jié)省時間，也比較方便。常用的磨門是用螺栓直接把合的，裝拆磨門時會很費力，改進后可以在人孔外周設置T型槽，用T型螺栓固定磨門，然后在磨門周圍等距分布2～4個頂絲孔。

2.2 人孔

一般情況人孔的最大不宜超過400mm×750mm，最小尺寸為290mm×500mm。設計過程中還需考慮如何會使襯板的種類最少。

2.2.1 內(nèi)提式磨門人孔

內(nèi)提式磨門的人孔分為兩種：一種是有帶有補強板，另一種是不帶補強板。帶補強板結(jié)構有如下三種，如圖3所示。

圖3 補強板結(jié)構

圖3 （a）結(jié)構是用鉚釘鉚在筒體上，鉚釘規(guī)格和數(shù)量應由該部位筒體的剪切力來確定，如果筒體不進行熱處理，應該采用這種結(jié)構。

圖3（b）是將補強板直接焊在筒體上，考慮到焊縫對筒體的應力集中影響，θ角不應大于40°為宜。這種結(jié)構筒體必須進行熱處理，通過整體退火來消除內(nèi)應力。焊縫表面應打磨平滑，筒體上絕不允許有“咬肉”的痕跡。

圖3（c）是用一整塊厚鋼板最為補強板，沿周圍按1∶15左右的斜率減薄到筒體厚度，沿著鋼板周圍與筒體對接焊連接，粗糙度應與鋼板表面近似，內(nèi)外焊縫均應磨平。筒體應整體退火。

這3種類型人孔，四個未注圓角半徑R≥50mm，內(nèi)外孔均須倒棱，孔面（包括倒棱圓?。┑谋砻娲植诙萊a≤3.2μm。

截面應力較低的筒體，一般要用不帶補強板的人孔。其四個未注圓角的半徑R≥80mm為宜，內(nèi)外孔均須倒棱，倒棱半徑約為筒體厚度的0.1～0.2。

2.2.2 外蓋式人孔門

筒體采用外蓋式人孔門，需在筒體人孔附件設置人孔框，人孔框相當于一層補強板，人孔門與筒體的連接采用鉚釘鉚接。人孔門的外形尺寸、人孔口的倒角以及人孔表面粗糙度等，基本要求和內(nèi)提式是一樣的。

圖4 鑄鋼制造人孔框結(jié)構

圖4 是鑄鋼制造人孔框結(jié)構示意圖，通過鉚釘固定，然后用T型槽裝T型頭螺栓固定人孔蓋，裝卸都比較簡便。

3 筒體基本要求及規(guī)定

3.1 筒體鋼板的排列原則

（1）排列鋼板時，盡量以使筒體的焊縫總長達到最短為目標，考慮使用鋼板的規(guī)格尺寸和卷板機的最大能力，厚鋼板與薄鋼板對接焊的過渡斜率不大于1∶10為宜，在焊接過程中無法避免縱、環(huán)焊縫在排列中發(fā)生沖突，發(fā)生沖突時應該減少縱焊縫為主來處理，避免形成應力疊加來考慮。筒體段節(jié)間的縱向焊縫，應按100πmm的整數(shù)倍錯開，這是基于筒體上的襯板螺栓孔的周向節(jié)距是按100π考慮的，這樣可使各段節(jié)筒體上的螺栓孔得到距焊縫最大的距離[3]。

（2）排列鋼板時，要特別關注焊縫距各種孔邊的最小距離。筒體上的襯板螺栓孔不允許有焊縫。筒體上的焊縫坡口邊到襯板螺栓孔邊的距離應大于筒體厚度的2倍，而且最小距離不應小于75mm。

3.2 對焊縫的基本要求

筒體法蘭與筒體、筒體連接處焊縫應進行超聲波探傷，探傷符合《焊縫無損檢測超聲檢測技術、檢測等級和評定》（GB/T 11345-2013）Ⅱ級標準。同時，應符合《鋼制建材機械焊接技術規(guī)程》（Q/JCJ05-82）對重要零件的要求，對焊工進行考試及焊縫試樣檢驗。

3.3 筒體上的開孔要求

筒體上一般開三類孔——人孔、卸料孔和襯板螺栓孔。對于位置要求，需以操作方便為主，用機械切削開設最為可靠?，F(xiàn)主要說明螺栓孔開設要求，襯板螺栓孔、內(nèi)外孔口必須倒棱R=1～2mm，因為筒體內(nèi)外表面應力值相差甚微，包括倒棱面在內(nèi)的孔面粗糙度Ra≤12.5μm。

3.4 筒體形位公差的控制

控制筒體本身的形位公差，首先應控制筒體各段節(jié)的周長和端面垂直度。用定拉力鋼皮尺把筒體周長控制在1mm以內(nèi)的偏差并不困難，這樣就能把筒體段節(jié)間焊縫對口的錯邊量控制在0.32mm以內(nèi)，此值同時也是筒體直徑的名義公差值[4]。

3.5 關于筒體退火問題

一般來說，筒體鋼板厚度δ≥20mm和載荷應力比較高的筒體，都要求整體退火。

3.6 筒體結(jié)構比較

圖5為老式筒體結(jié)構，采用圖1（a）型法蘭連接結(jié)構，此種結(jié)構廣泛用于小型磨機。

圖5 老式筒體結(jié)構

圖6 MQY5585溢流型球磨機的筒體

圖6 為MQY5585溢流型球磨機的筒體，采用圖1（e）型法蘭連接結(jié)構，此結(jié)構適用于大型球磨機筒體的設計。筒體結(jié)構形式、磨門和人孔的的設計、筒體鋼板的排列原則以及筒體上的開孔都符合上述要求。圖7為MQY5585溢流型球磨機的三維模型，考慮到運輸方便，把筒體改為三段式，用螺栓連接，便于組裝和運輸。

圖7 MQY5585溢流型球磨機的三維模型

4 筒體計算

主軸承中心距Lk=11.83m，最大裝球量Gm=304t，筒體長徑比L/D=1.55＜3.5。

4.1 確定筒體厚度

根據(jù)經(jīng)驗，徑厚比小于3.5的筒體，計算應力多在20MPa以內(nèi)，有的甚至不到11MPa，所以應按徑厚比系數(shù)來確定筒體厚度，C=D/δ，取C=92，所以δ=60mm。

4.2 已知數(shù)據(jù)

筒體內(nèi)徑D為550cm；筒體厚度δ為6cm；磨體自重Gt為4419.8kN（質(zhì)量為451t）；研磨體裝載量Gm為2979.2kN（質(zhì)量為304t）；支撐中心至法蘭端面的距離Lt為165cm；人孔尺寸a×b為^70 39cm×；人孔補強板全弧長B為89cm；人孔補強板厚度δ1為3cm；人孔中心至支撐軸中心最大距離x為294cm；磨機功率N為4500kW；筒體轉(zhuǎn)速 n為 13.7r/min。

筒體材料為16Mn時，δ=40～63mm，其強度極限σb=470～630MPa（根據(jù)《低合金高強度結(jié)構鋼》（GB/T1591-2018），取550MPa）=5.5×104N/cm2，筒體許用應力取下限 [σ]=0.0717σb=3.9×103N/cm2。

筒體螺栓孔對筒體削弱系數(shù)Ct為0.9。筒體許用剪切應力 [τ]=0.5[σ]=1.95×103N/cm2。磨體總載荷 G=Gt+1.14Gm=797.6t=7.8×106N。

4.3 筒體彎矩和當量彎矩

4.4 筒體截面系數(shù)W

4.4.1 筒體中部

4.4.2 人孔部位

4.5 筒體應力

彎曲應力為：

4.5.1 筒體中部

計算應力σt=0.3[σ]，所以筒體厚度6cm比較適中。

4.5.2 人孔部位

5 結(jié)語

本文主要講述MQY5585溢流型球磨機筒體如何設計，包括筒體結(jié)構設計、磨門和人孔的設計、筒體基本要求以及主要部位的受力計算。筒體結(jié)構設計講述了筒體結(jié)構形式和筒體與端蓋的連接形式，磨門和人孔的設計講述了磨門和人孔的類型和優(yōu)缺點，筒體基本要求講述了筒體鋼板的排列原則、筒體上的開孔要求、筒體形位公差的控制和關于筒體退火問題，最后通過有實際運行經(jīng)驗的公式對筒體整體進行受力分析。整個過程中，理論結(jié)合實際，筆者完成了整個筒體的設計，對大型球磨機筒體設計來說，本研究有很大的參考價值。