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。
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]。
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。
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。
2.1.1 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。
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。
(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。
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。
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。
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]。
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。
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
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。
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。
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。
4.4.1 筒體中部
4.4.2 人孔部位
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
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。