周 潔，趙 魏，王春紅，劉 洋

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

隨著磨機規(guī)格的大型化，磨機直徑和功率逐步增加，安裝在磨機筒體上的開式齒輪直徑也隨之增大，目前國內(nèi)已經(jīng)投入運行的φ11 m 半自磨機的開式齒輪外徑可達φ13.6 m[1]。齒輪罩的設(shè)計既要從安全角度考慮，對旋轉(zhuǎn)的開式齒輪進行保護，也要為開式齒輪提供清潔的運行環(huán)境，防塵防雨。

國外的礦山多為露天開采，礦物磨機裸露地安裝在室外，有些現(xiàn)場風力較大，如果齒輪罩的強度和剛度不足，會影響磨機開式齒輪的安全運行，帶來安全隱患。國內(nèi)外齒輪罩的研究多數(shù)為中小型磨機和回轉(zhuǎn)窯密封結(jié)構(gòu)方面的研究[2]，未見大型磨機齒輪罩剛度方面的研究。隨著國內(nèi)磨機大型化發(fā)展，中信重工自主研發(fā)設(shè)計的大型磨機在設(shè)計和使用過程中不斷迭代優(yōu)化，得到了國內(nèi)外客戶的認可。筆者以大型磨機齒輪罩結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化為研究對象，對優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)建模、整體結(jié)構(gòu)剛度以及優(yōu)化后在風載條件下的強度和剛度進行了分析。

1 大型磨機齒輪罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化

磨機齒輪罩屬于薄壁焊接件結(jié)構(gòu)，通常分成多段，每段由法蘭和螺栓連接件把合而成，常用的齒輪罩結(jié)構(gòu)如圖1 所示。隨著直徑的增加，其剛度和強度隨之降低，部分現(xiàn)場出現(xiàn)因剛度不足產(chǎn)生振顫的問題，需要在現(xiàn)場增加圓鋼支撐加固，如圖2 所示。

圖1 雙驅(qū)磨機齒輪罩三維模型Fig.1 3D model of gear cover for dual-drive mill

圖2 現(xiàn)場增加鋼管支撐的齒輪罩Fig.2 Gear cover with pipe support added on site

1.1 提高齒輪罩支撐點的位置

受磨機結(jié)構(gòu)限制，齒輪罩在基礎(chǔ)上的支撐點位置偏少，且均位于齒輪罩水平中心線以下，因此齒輪罩上部容易引起晃動。對于單驅(qū)磨機，在對稱中心線位置附近增加支撐點 4 (見圖3)，使齒輪罩整體支撐點連線位置提高，超過磨機的中心線，能有效改善齒輪罩的整體剛度。

圖3 磨機齒輪罩支撐位置改進示意Fig.3 Improvement of support position of mill gear cover

1.2 改進齒輪罩與地基接觸點剛度

優(yōu)化前的齒輪罩與小齒輪軸組底板之間，采用角鋼和螺栓連接，連接點接觸面較小。此處的支撐是齒輪罩上部的主要支撐點，將角鋼優(yōu)化為箱體焊接結(jié)構(gòu)，能有效提高其接觸面積和剛度 (見圖4)。

圖4 磨機齒輪罩接觸點剛度改進示意Fig.4 Improvement of contact point stiffness of mill gear cover

1.3 減少齒輪罩上部質(zhì)量并提高剛度

將上半部分齒輪罩壁厚適當減薄，使其自重降低。優(yōu)化頂部的豎肋，延伸至兩端連接法蘭，增加 U 形橫肋，側(cè)面橫肋延伸至密封環(huán)處，整體形成“井”字框架結(jié)構(gòu)，從而提高上半部分齒輪罩的剛度 (見圖5)。

圖5 齒輪罩上部優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Diagram of optimized structure for upper part of gear cover

1.4 雙驅(qū)磨機齒輪罩結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化

對于雙驅(qū)磨機，大齒輪兩側(cè)都有小齒輪軸組，齒輪罩結(jié)構(gòu)受限，不能在其左右任何一側(cè)增加靠近水平中心線的支撐架體，只能增加小齒輪軸組處支撐箱體的面積，增加加強肋，從而增強支撐箱體的剛度。為避免“頭重腳輕”的現(xiàn)象，通過不同厚度的鋼板組合，減輕上部罩體的質(zhì)量，加強支撐部位罩體的厚度，實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化。齒輪罩罩體厚度的具體配置如圖6 和表1 所示。

表1 齒輪罩罩體材料規(guī)格配置Tab.1 Material specifications and configuration of gear cover body mm

圖6 雙驅(qū)磨機齒輪罩優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Diagram of optimized structure for gear cover of dual-drive mill

2 大型雙驅(qū)磨機齒輪罩剛度分析計算

2.1 齒輪罩有限元模型的建立

根據(jù)上述優(yōu)化內(nèi)容，建立φ11.0 m×5.4 m 半自磨機齒輪罩的三維模型，齒輪罩主體材料為 Q235A，楊氏模量為 206 GPa，泊松比為 0.29，屈服強度 ≥235 MPa。

2.2 模型邊界條件的簡化及設(shè)置

所有鋼板和型鋼采用片體進行幾何建模，保證各個法蘭連接位置精確，齒輪罩內(nèi)部圓管支撐、齒輪罩下部支架角鋼按線處理，后續(xù)有限元模型中按 1D 梁單元進行建模，賦予其相關(guān)截面屬性，齒輪罩內(nèi)趴焊角鋼仍按片體處理。忽略所有小孔、小倒角、小圓角和焊縫等細節(jié)特征，所有螺栓連接位置認為連成一體；假定材料變形是在彈性范圍內(nèi)，忽略材料的各向異性；不考慮焊縫處材質(zhì)的變化，假定焊縫材料與母材相同。

模態(tài)分析時，在質(zhì)量分布確定的情況下，小齒輪下罩局部和基礎(chǔ)連接處的面施加固定約束，下部罩支腿施加固定約束。

2.3 網(wǎng)格的劃分

采用四節(jié)點四邊形、三節(jié)點三角形、梁單元等進行劃分，單元數(shù)量為 79 615 個，節(jié)點數(shù)量為 78 901 個 (見圖7)。

圖7 齒輪罩的有限元模型Fig.7 Finite element model of gear cover

2.4 分析結(jié)果

由于低階模態(tài)對結(jié)構(gòu)的影響比高階大，有限元分析僅給出齒輪罩的前 6 階固有頻率，如表2 所列。圖8 所示為齒輪罩的前 6 階振型。

圖8 優(yōu)化后齒輪罩的前 6 階振型Fig.8 First six vibration modes of gear cover after optimization

2.5 優(yōu)化前后對比

圖9 所示為齒輪罩優(yōu)化前的前 6 階振型，表3 所列為齒輪罩優(yōu)化前后固有頻率對比。通過對比可以看出，優(yōu)化后的第 1～4 階固有頻率較優(yōu)化前有所上升，漲幅均超過 14.85%；第 5、6 階固有頻率有所下降，主要是由于兩次建模的模型局部差異所致。由于齒輪罩的剛度隨著固有頻率的增加而增加[3]，可知齒輪罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，其剛度得到了提高。

表3 齒輪罩優(yōu)化前后固有頻率對比Tab.3 Comparison of natural frequencies before and after gear cover optimization

圖9 優(yōu)化前齒輪罩的前 6 階振型Fig.9 First six vibration modes of gear cover before optimization

3 磨機齒輪罩風載分析計算

高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計需重點考慮風載荷影響[4]。在 5～9 級風載荷和重力作用下，對齒輪罩結(jié)構(gòu)進行有限元強度與剛度分析。因齒輪罩是對稱結(jié)構(gòu)，按照齒輪罩的 1/2 有限元模型建模，采用十節(jié)點四面體單元對模型進行網(wǎng)格劃分，模型的單元總數(shù)為 212 437 個，節(jié)點總數(shù)為 426 446 個。邊界條件的設(shè)定，除考慮 2.2 所述邊界條件的簡化外，風向按照齒輪罩的軸向方向加載，風壓取每一級風的最大值。經(jīng)過 FEA 分析，齒輪罩在 5 級風 (風壓為 71.6 N/m2) 下變形及應(yīng)力分析結(jié)果如圖10、11 所示。

圖11 5 級風條件下齒輪罩應(yīng)力云圖Fig.11 Contour of gear cover under 5-level wind condition

風級、風速、風壓的對照如表4 所列。在齒輪罩迎風面加載 5～9 級風的風壓最大值，F(xiàn)EA 分析齒輪罩的等效應(yīng)力值與變形值如表5 所列。在 9 級烈風條件下，齒輪罩等效應(yīng)力最大值為 22.09 MPa，滿足強度要求。齒輪罩豎直方向最大位移量為 2.21 mm，軸向最大位移量為 4.84 mm，遠遠小于預(yù)留的安全距離，滿足剛度設(shè)計要求。

表4 風級、風速、風壓對照Tab.4 Comparison of wind level,wind speed and wind pressure

表5 不同風級齒輪罩的等效應(yīng)力與變形Tab.5 Equivalent stress and deformation of gear cover under different wind levels

4 實際應(yīng)用

某項目中使用多臺半自磨機，其中，φ8.8 m×4.8 m 半自磨機的齒輪罩直徑約為 12 m，φ11.0 m×5.4 m 半自磨機的齒輪罩直徑約為 14 m，如圖12 所示。通過齒輪罩支撐點位置和整體結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化改進，經(jīng)過近兩年的實際應(yīng)用，沒有出現(xiàn)因齒輪罩剛度不足而產(chǎn)生振顫情況，滿足大型磨機開式齒輪的正常運行工況。

圖12 改進后的半自磨齒輪罩現(xiàn)場應(yīng)用Fig.12 Field application of optimized SAG gear cover

5 結(jié)論

(1) 通過調(diào)整齒輪罩的支撐結(jié)構(gòu)，改進齒輪罩本體的結(jié)構(gòu)剛度，對改進前后齒輪罩模態(tài)進行有限元分析，齒輪罩第 1～4 階固有頻率提高均超過 14.85%，齒輪罩的剛度也隨之得到了有效提高。針對特大型磨機露天使用的工況，對優(yōu)化后的齒輪罩進行了風載有限元分析。在 9 級烈風 (風壓為 372.1 N/m2) 的條件下，考慮齒輪罩的自重，齒輪罩的等效應(yīng)力及變形均能滿足強度和剛度的設(shè)計要求。

(2) 在實際制造和應(yīng)用中，需考慮焊接應(yīng)力釋放對齒輪罩變形的影響?，F(xiàn)場安裝時，需調(diào)整分段齒輪罩連接，確保齒輪罩密封環(huán)間隙均勻，以滿足設(shè)計要求。

(3) 由于齒輪罩在軸向的迎風面積最大，筆者僅對齒輪罩承受軸向風壓的強度和剛度做了分析，后續(xù)對風場的模擬和齒輪罩風載響應(yīng)有待進一步研究。