氧化鋁磨機大齒輪緊固螺栓的選型及安裝方法

和蘊鋒，唐必亮，周 潔，韓春陽，姬建鋼，解華華

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

氧化鋁是鋁產業鏈條中的重要一環，其在生產過程中需要將大塊鋁土礦破碎、研磨成小顆粒，磨礦設備是氧化鋁原料制備車間的關鍵設備。由于氧化鋁原料制備高溫、高堿的惡劣環境，應用于氧化鋁行業的磨機與普通礦用磨機相比，需具有更高的適應性和安全可靠性。

中國氧化鋁無論是市場容量、消費量，還是核心技術裝備水平都已位居世界先列，中國氧化鋁的產量從 2006 年的 13 696 000 t 到 2015 年的 58 978 000 t[1]，10 a 間產量翻了兩番有余。氧化鋁行業生產規模大型化和主體裝備大型化的良性互動發展是其技術進步的重要因素[1-2]。

目前氧化鋁磨機在行業內的突出問題就是隨著磨機的大型化發展，磨機分瓣齒輪的結合面張口現象日趨嚴重。磨內強堿、高溫環境造成磨機大齒輪及其螺栓連接件的材料發生蠕變和應力松弛，造成連接中的預緊力和摩擦力逐漸減小，最終導致大齒輪結合面處的緊固螺栓連接失效，這將會嚴重影響磨機的安全穩定運行。因此，氧化鋁磨機大齒輪緊固螺栓的選型不同于普通磨機。筆者根據山西某氧化鋁廠磨機的應用情況以及氧化鋁用磨機特殊的大齒輪結構，對氧化鋁用磨機大齒輪緊固螺栓的受力狀況以及安裝方法進行了研究和實踐探索。

1 氧化鋁用磨機大齒輪結構

大型磨機，尤其是球磨機，其大齒輪的輪緣較大，筒體直徑較小，對于分瓣齒輪的緊固，一般在徑向方向均勻分布 3～ 4 排螺栓，如圖 1 所示。此處連接螺栓的作用是保證磨機在運轉過程中分瓣齒輪連接的可靠性和緊密性，防止分瓣齒輪結合面處出現縫隙或相對滑移，以確保開式大小齒輪嚙合的平穩傳動。由于磨機大齒輪法蘭與筒體和端蓋三體緊固，某種意義上來說，可將它們視為一個整體，因此，礦用磨機分瓣齒輪緊固螺栓的計算方式是，求解出齒輪嚙合周向力，根據承受翻轉力矩螺栓組的受力求解出各螺栓載荷，從而進行螺栓選型[3-4]。

圖1 分瓣齒輪緊固螺栓示意Fig.1 Sketch of connecting bolt for split gear

氧化鋁用磨機的磨內溫度高達 95 ℃ 左右，而大齒輪表面運行溫度約為 50 ℃。對于平面薄板材料來說，由溫度梯度所產生的熱應力公式[5]為

式中：Q為熱應力，MPa；E為彈性模量，MPa；α為熱膨脹系數；ΔT為材料的初始溫度與表面溫度之差，℃；μ為泊松比。

磨機齒輪從法蘭到齒面的熱應力由大逐漸變小，由于分瓣齒輪的結構特性，法蘭處因與筒體、端蓋三體緊固剛度最大，而分瓣齒輪齒面的結合面處剛度最弱，是熱應力的釋放源，導致分瓣齒輪發生變形，產生位移，運行過程中出現結合面楔形張口現象，緊固螺栓也出現了塑性變形。

齒輪法蘭處的熱應力最大，針對此現象，將分瓣齒輪的結合面優化為非接觸間隙設計，以便磨機運行中產生的熱應力從此處釋放。經過熱力耦合分析，結構優化后的分瓣齒輪能有效降低 25.9%的張口量。此理論是在極限受載情況下的模擬分析，實際運行要優于此值。但是此結構優化帶來的問題就是分瓣齒輪徑向的緊固螺栓組，只有靠近齒根處的螺栓能夠有效緊固，而靠近法蘭處的 2 排螺栓，因連接面為間隙配合，無法有效緊固。因此分瓣齒輪聯接螺栓組的預緊力如果計算不當，一是聯接螺栓的緊密性不能保證，二是后排螺栓施加的預緊力在安裝過程中就會造成分瓣齒輪結合面張口。

2 分瓣齒輪緊固螺栓計算程序開發

根據氧化鋁專用分瓣齒輪結構的特殊性，筆者分析了緊固螺栓組的受力，對分瓣齒輪的緊固螺栓進行了計算。分瓣齒輪緊固螺栓計算程序開發過程為：螺栓受力分析—計算螺栓所需最小預緊力—螺栓選型—螺栓強度校核。基于此，建立螺栓選型數學模型以及螺栓可施加最大預緊力數學模型。磨機為重載沖擊設備，在進行螺栓受力分析時，僅考慮有效緊固的螺栓組，以及極限情況下受力最大的狀態。

2.1 螺栓選型數學模型的建立

螺栓選型數學模型的建立是基于求解緊固螺栓處所需最小預緊力，既要保證分瓣齒輪間的緊密性，又要保證螺栓在磨機運行過程中不受剪切力[6-7]。所建數學模型如下：

式中：F0為螺栓所需最小預緊力，kN；K0為預緊系數；Ft為圓周力，kN；z為齒輪外緣一排螺栓數量，個；Kn為可靠性系數；αn為齒輪法向壓力角，(°)；β為齒輪螺旋角，(°)；μ為預緊連接結合面的摩擦因數；P為磨機主電動機功率，kW；dr為小齒輪節圓直徑，mm；n為主電動機轉速，r/min。

2.2 螺栓可施加最大預緊力數學模型的建立

根據所求螺栓所需最小預緊力，對螺栓進行選型，選型后根據螺栓規格進行螺栓強度校核，以保證磨機在運行過程中螺栓不發生塑性變形。螺栓可施加最大預緊力數學模型為

式中：F0max為緊固螺栓可施加最大預緊力，kN；σs為螺栓屈服應力，MPa；AS為螺紋公稱應力截面積，mm2；ns為安全系數；KC為螺栓與被連接件的相對剛度系數。

根據上述模型，完成氧化鋁磨機大齒輪緊固螺栓的選型。

3 分瓣齒輪緊固螺栓的安裝

由于運輸、安裝、限重等原因，大型設備的關鍵件無法整體制造，其分瓣后的螺栓連接就成了關鍵件的薄弱環節，是故障多發之處，也是維護保養必須關注之處。分瓣齒輪緊固螺栓的合理選型只是其可靠應用的第一步，安裝也是重要的一環，好的安裝方法對設備的使用和維修會帶來極大的便利。

如前文所述，氧化鋁用分瓣齒輪的特殊結構，導致徑向靠近法蘭的螺栓組無法按照正常預緊力扭緊。針對此問題，結合安裝過程中大小齒輪端徑跳及齒側間隙的調整，規范分瓣齒輪緊固螺栓的安裝方法，以避免設備出現因安裝不當導致的磨機運行問題。

3.1 螺栓組的安裝方法

圖2 所示為分瓣齒輪緊固及熱態下復緊的關鍵螺栓組，兩處結合面螺栓組相同。由于磨機齒輪和筒體、端蓋的三體緊固螺栓的最終扭緊是在大小齒輪的端徑跳及齒側間隙調整之后，因此，1、2、3 號螺栓組的安裝順序尤為重要。

圖2 分瓣齒輪緊固及熱態下復緊的關鍵螺栓組Fig.2 Re-tightened key bolt sets in fastening and hot state of split gear

首先完成 1 號螺栓組的對稱安裝，此處為有效緊固螺栓組，決定了分瓣齒輪運行過程中是否可靠，為全扭矩扭緊，并檢查分瓣齒輪對中情況和結合面間隙情況；隨后完成 2、3 號螺栓組的對稱安裝，按照全扭矩的 30%～ 55% 扭緊，以增強分瓣齒輪的緊密程度。

3.2 熱態狀態下的螺栓復緊

需要特別注意的是，磨機運行后的熱態狀態勢必會影響緊固螺栓的松動與變形，因此二次緊固尤為重要。熱態狀態下，復緊 1、2、3 號螺栓組，首先要將齒輪和筒體、端蓋的三體緊固螺栓 (4 號螺栓組) 松開，在分瓣齒輪對中及結合面間隙完好的情況下，按照安裝步驟復緊 1、2、3 號螺栓組。全部復緊后需再次檢查大小齒輪的端徑跳及齒側間隙情況，一切數值滿足要求后才能交付使用。

4 結語

目前此種氧化鋁磨機大齒輪緊固螺栓的選型計算及安裝方法已應用于廣西、重慶、河北、山西等氧化鋁廠的磨機設計開發中。廣西某氧化鋁廠的磨機已穩定運行，球磨機襯板選用的是橡膠襯板，起到一定隔熱作用，筒體及齒輪運行溫度不高，因此其大齒輪未出現張口現象；山西某氧化鋁廠磨機穩定運行至今，齒輪最大張口量僅為 0.10～ 0.15 mm，與優化前相比已降低 50%，對磨機正常運行影響不大。今后仍將繼續研究、跟蹤和解決氧化鋁用磨機在發展和使用過程中出現的問題，為氧化鋁用磨機的大型化和技術進步提供有益的參考。