杜寄勇 邱 健 張亞東

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250109）

球磨機(jī)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(diǎn)一直被延續(xù)使用至今。磨機(jī)筒體作為球磨機(jī)的關(guān)鍵部件，需長期在低轉(zhuǎn)速、重載荷的條件下連續(xù)運(yùn)行，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮耐用度因素。設(shè)計(jì)磨機(jī)筒體，尤其是大型球磨機(jī)，必須運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)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(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，在此基礎(chǔ)上合理利用原材料的性能和進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改良。本文主要針對(duì)MQY5585溢流型球磨機(jī)的筒體理論設(shè)計(jì)做出綜述。

1 筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)形式

一般筒體結(jié)構(gòu)采用整體式，整體式筒體綜合制造偏差相對(duì)較小，且成本相對(duì)較低。對(duì)于大型球磨機(jī)，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(gòu)，用螺栓連接，便于安裝和運(yùn)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(gòu)形式。

1.2.1 外接型結(jié)構(gòu)

此種結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于小直徑球磨機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是組裝比較方便，但是由于球磨機(jī)筒節(jié)外形直徑大，切削加工面和材料消耗也相對(duì)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(qiáng)度要低30%～50%。

圖1 外接型法蘭結(jié)構(gòu)形式

1.2.2 內(nèi)接型結(jié)構(gòu)

大中型磨機(jī)一般采用內(nèi)接型連接方式的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 內(nèi)接型法蘭結(jié)構(gòu)形式

圖2 （a）與其他結(jié)構(gòu)相比較，對(duì)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(jī)筒體重量較大，法蘭的止口圓均發(fā)生嚴(yán)重變形，無法將端蓋與筒體組裝在一起，螺栓孔發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)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(shí)際運(yùn)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(shí)際就是將端蓋與法蘭焊接在一起，這種連接方式結(jié)構(gòu)比較合理，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)計(jì)

磨門是為封閉人孔設(shè)置的，要求裝卸方便、固定牢固。人孔的主要作用是：對(duì)于大直徑球磨機(jī)，研磨體裝載量比較大，通過磨機(jī)本體加球裝置進(jìn)行填充研磨體比較浪費(fèi)時(shí)間，所以可通過人孔填充；運(yùn)行一段時(shí)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(gòu)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(duì)材質(zhì)要求較高。另一種結(jié)構(gòu)是在筒體上開人孔，在人孔處加蓋一層加強(qiáng)板，把螺栓焊接在加強(qiáng)板上，然后固定人孔蓋[2]。

內(nèi)提式磨門會(huì)給筒體襯板排布增加一定的困難，相應(yīng)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(shè)在筒體襯板對(duì)稱位置，則襯板的尺寸種類就會(huì)比靠一側(cè)襯板偏開人孔時(shí)多一倍。如果人孔對(duì)稱布置需增加2～3種非標(biāo)準(zhǔn)尺寸襯板，這樣會(huì)相對(duì)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(huì)少許多。此結(jié)構(gòu)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(huì)對(duì)襯板強(qiáng)度有些影響。通過人孔可填充研磨體和進(jìn)行必要的檢修，會(huì)節(jié)省時(shí)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(shí)會(huì)很費(fèi)力，改進(jìn)后可以在人孔外周設(shè)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(gè)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(shè)計(jì)過程中還需考慮如何會(huì)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(bǔ)強(qiáng)板，另一種是不帶補(bǔ)強(qiáng)板。帶補(bǔ)強(qiáng)板結(jié)構(gòu)有如下三種，如圖3所示。

圖3 補(bǔ)強(qiáng)板結(jié)構(gòu)

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

圖3（b）是將補(bǔ)強(qiáng)板直接焊在筒體上，考慮到焊縫對(duì)筒體的應(yīng)力集中影響，θ角不應(yīng)大于40°為宜。這種結(jié)構(gòu)筒體必須進(jìn)行熱處理，通過整體退火來消除內(nèi)應(yīng)力。焊縫表面應(yīng)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(bǔ)強(qiáng)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(duì)接焊連接，粗糙度應(yīng)與鋼板表面近似，內(nèi)外焊縫均應(yīng)磨平。筒體應(yīng)整體退火。

這3種類型人孔，四個(gè)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(yīng)力較低的筒體，一般要用不帶補(bǔ)強(qiáng)板的人孔。其四個(gè)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(shè)置人孔框，人孔框相當(dāng)于一層補(bǔ)強(qiáng)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(gòu)

圖4 是鑄鋼制造人孔框結(jié)構(gòu)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(shí)，盡量以使筒體的焊縫總長達(dá)到最短為目標(biāo)，考慮使用鋼板的規(guī)格尺寸和卷板機(jī)的最大能力，厚鋼板與薄鋼板對(duì)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(shí)應(yīng)該減少縱焊縫為主來處理，避免形成應(yīng)力疊加來考慮。筒體段節(jié)間的縱向焊縫，應(yīng)按100πmm的整數(shù)倍錯(cuò)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(shí)，要特別關(guān)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(yīng)大于筒體厚度的2倍，而且最小距離不應(yīng)小于75mm。

3.2 對(duì)焊縫的基本要求

筒體法蘭與筒體、筒體連接處焊縫應(yīng)進(jìn)行超聲波探傷，探傷符合《焊縫無損檢測(cè)超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》（GB/T 11345-2013）Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，應(yīng)符合《鋼制建材機(jī)械焊接技術(shù)規(guī)程》（Q/JCJ05-82）對(duì)重要零件的要求，對(duì)焊工進(jìn)行考試及焊縫試樣檢驗(yàn)。

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(duì)于位置要求，需以操作方便為主，用機(jī)械切削開設(shè)最為可靠?，F(xiàn)主要說明螺栓孔開設(shè)要求，襯板螺栓孔、內(nèi)外孔口必須倒棱R=1～2mm，因?yàn)橥搀w內(nèi)外表面應(yīng)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(yīng)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(duì)口的錯(cuò)邊量控制在0.32mm以內(nèi)，此值同時(shí)也是筒體直徑的名義公差值[4]。

3.5 關(guān)于筒體退火問題

一般來說，筒體鋼板厚度δ≥20mm和載荷應(yīng)力比較高的筒體，都要求整體退火。

3.6 筒體結(jié)構(gòu)比較

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

圖5 老式筒體結(jié)構(gòu)

圖6 MQY5585溢流型球磨機(jī)的筒體

圖6 為MQY5585溢流型球磨機(jī)的筒體，采用圖1（e）型法蘭連接結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)適用于大型球磨機(jī)筒體的設(shè)計(jì)。筒體結(jié)構(gòu)形式、磨門和人孔的的設(shè)計(jì)、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(jī)的三維模型，考慮到運(yùn)輸方便，把筒體改為三段式，用螺栓連接，便于組裝和運(yùn)輸。

圖7 MQY5585溢流型球磨機(jī)的三維模型

4 筒體計(jì)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(yàn)，徑厚比小于3.5的筒體，計(jì)算應(yīng)力多在20MPa以內(nèi)，有的甚至不到11MPa，所以應(yīng)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(bǔ)強(qiáng)板全弧長B為89cm；人孔補(bǔ)強(qiáng)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(jī)功率N為4500kW；筒體轉(zhuǎn)速 n為 13.7r/min。

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

筒體螺栓孔對(duì)筒體削弱系數(shù)Ct為0.9。筒體許用剪切應(yīng)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(dāng)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(yīng)力

彎曲應(yīng)力為：

4.5.1 筒體中部

計(jì)算應(yīng)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(jī)筒體如何設(shè)計(jì)，包括筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磨門和人孔的設(shè)計(jì)、筒體基本要求以及主要部位的受力計(jì)算。筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)講述了筒體結(jié)構(gòu)形式和筒體與端蓋的連接形式，磨門和人孔的設(shè)計(jì)講述了磨門和人孔的類型和優(yōu)缺點(diǎn)，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(guān)于筒體退火問題，最后通過有實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的公式對(duì)筒體整體進(jìn)行受力分析。整個(gè)過程中，理論結(jié)合實(shí)際，筆者完成了整個(gè)筒體的設(shè)計(jì)，對(duì)大型球磨機(jī)筒體設(shè)計(jì)來說，本研究有很大的參考價(jià)值。