一種磨機(jī)用新型可拆卸筒體支撐

唐必亮，冀文強(qiáng)，王佳佳，吳英豪，史久仰

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

3太鋼集團(tuán)嵐縣礦業(yè)有限公司 山西呂梁 033504

筒 體是磨機(jī)的關(guān)鍵零部件，由 L 形法蘭和鋼板卷制的圓筒焊接而成，筒體與端蓋通過法蘭止口定位，經(jīng)高強(qiáng)度螺栓緊固后，構(gòu)成磨礦空間。磨機(jī)筒體為回轉(zhuǎn)體[1]，中空、薄壁、直徑大，剛性較差，在制造、運(yùn)輸、起吊組裝過程中極易變形。變形的磨機(jī)筒體不僅會影響筒體部同軸度的調(diào)整，也會給磨機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此在控制筒體變形方面，除了必要的工藝過程控制外，必須借助于筒體支撐來防止筒體的變形。

1 焊接式筒體支撐

一直以來磨機(jī)筒體都采用焊接式筒體支撐，焊接式筒體支撐通常由支撐鋼管和支撐鋼板焊接而成，通過粗制螺栓與磨機(jī)筒體緊固在一起，如圖 1 所示。該支撐可以有效防止筒體在加工、運(yùn)輸及安裝過程中的變形，已在磨機(jī)行業(yè)中使用多年。拆卸筒體支撐時(shí)，需使用火焰將支撐鋼管分段切割才能取出，而此時(shí)磨機(jī)端蓋與筒體已形成有限的空間，且磨機(jī)端蓋和筒體內(nèi)壁有 6 mm 耐酸堿橡膠墊，在筒體內(nèi)動火切割、拆卸存在安全隱患。

圖1 焊接式筒體支撐Fig. 1 Welded shell support

2 新型可拆卸筒體支撐

中信重工在出口某大型球磨機(jī)時(shí)，客戶要求使用無需火焰切割、方便拆卸的筒體支撐，規(guī)避拆卸筒體支撐時(shí)可能存在的安全隱患。針對客戶的需求，筆者設(shè)計(jì)了一種新型可拆卸支撐，如圖 2 所示。該新型可拆卸筒體支撐由支撐鋼板、支撐鋼管、支撐橫板、支撐方板及連接板焊接加工而成，如圖 3、4 所示。連接板與支撐方板通過螺栓緊固聯(lián)結(jié)，單組筒體支撐使用 4 組螺栓副緊固聯(lián)結(jié)，每組螺栓副由 2 個(gè)粗制螺栓和 1 個(gè)精制螺栓組成。

圖2 新型可拆卸筒體支撐Fig. 2 New-type detachable shell support

圖3 新型可拆卸支撐組件Fig. 3 Assembly of new-type detachable support

粗制螺栓通過高強(qiáng)度預(yù)緊力使連接板和支撐方板產(chǎn)生摩擦力來防止筒體變形，精制螺栓通過抗剪切能力來防止筒體變形。如何保證連接板和支撐方板間的緊固螺栓不在筒體制造、運(yùn)輸及起吊安裝過程中失效，是設(shè)計(jì)該新型可拆卸支撐的難點(diǎn)。通過有限單元法可模擬出該新型可拆卸支撐的應(yīng)力及應(yīng)變情況，確保該新型可拆卸支撐設(shè)計(jì)合理、可靠，強(qiáng)度和剛度滿足要求。

3 新型可拆卸支撐強(qiáng)度計(jì)算和校核

新型可拆卸支撐全部采用 Q235B 鋼板或鋼管制成，支撐方板上的粗制螺栓和精制螺栓均為 10.9 級。按照單個(gè)筒體及其 2 組支撐的重量全部由 2 組支撐中最下側(cè)的 2 個(gè)支撐來承擔(dān)，進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的計(jì)算和校核，此種狀態(tài)下該新型可拆卸筒體支撐承受的載荷最大。單個(gè)筒體及其 2 組支撐的重量由 2 組支撐方板上的粗制螺栓和精制螺栓承擔(dān)。

3.1 新型可拆卸支撐所承受的最大載荷

式中：G為支撐承受的最大載荷；m1為支撐質(zhì)量；m2為筒體質(zhì)量；g為重力加速度。

經(jīng)計(jì)算，新型可拆卸支撐所承受的最大載荷G=489 804 N。

3.2 粗制螺栓的傳遞能力校核

粗制螺栓參數(shù)如表 1 所列。

表1 粗制螺栓參數(shù)Tab.1 Parameters of black bolt mm

式中：F0為粗制螺栓預(yù)緊力；S為預(yù)緊力與屈服極限的比值，取S=0.7；σs為粗制螺栓的屈服極限，取σs=900 MPa；As為螺紋公稱應(yīng)力截面積。

經(jīng)計(jì)算，單個(gè)粗制螺栓預(yù)緊力F0=706 172.64 N。

選用合理的螺栓預(yù)緊力對螺紋連接的可靠性以及螺栓連接件的疲勞強(qiáng)度都是有利的，可確保結(jié)合面不發(fā)生滑移[2]。

式中：F為單個(gè)粗制螺栓的傳遞能力；f為螺栓連結(jié)面摩擦因數(shù)，取f=0.1[3]。

計(jì)算可得單個(gè)粗制螺栓的傳遞能力F=70 617 N。

式中：Ga為 2 個(gè)支撐中的 4 個(gè)粗制螺栓的傳遞能力；Nd為設(shè)計(jì)系數(shù)，根據(jù)相關(guān)國的規(guī)定，取Nd=4。

計(jì)算得粗制螺栓的傳遞能力Ga=71 617 N。

3.3 連接板及精制螺栓的傳遞能力校核

式中：Gb為單個(gè)精制螺栓的計(jì)算載荷，Gb=209 593.5 N。

連接板的強(qiáng)度計(jì)算和校核參照美國標(biāo)準(zhǔn) ASME BTH-1—2014 中的吊耳強(qiáng)度校核[4]，連接板的尺寸及材料參數(shù)如圖 4、表 2 所列。

圖4 連接板示意Fig. 4 Sketch for connecting plate

表2 連接板尺寸及材料參數(shù)Tab.2 Dimension and material parameters of connecting plate

除保證連接板上的粗制螺栓和精制螺栓滿足強(qiáng)度要求外，連接板的抗拉強(qiáng)度必須大于其承受的載荷，支撐鋼管、支撐橫板、連接板間焊縫強(qiáng)度也必須滿足要求。

3.3.1 連接板抗拉強(qiáng)度校核

式中：St為抗拉應(yīng)力；A為抗拉區(qū)域面積；beff為有效寬度。

式中：Ft為許用應(yīng)力，F(xiàn)t=53 750 000 Pa。

經(jīng)計(jì)算，抗拉應(yīng)力St=14 139 205 Pa，滿足St≤Ft，因此連接板抗拉強(qiáng)度校核滿足要求。

3.3.2 連接板精制孔區(qū)域抗拉強(qiáng)度校核

式中：Pt為精制孔區(qū)域允許的抗拉強(qiáng)度；Cr為強(qiáng)度降低系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，精制孔區(qū)域的允許抗拉強(qiáng)度Pt=1 158 091 N，滿足Pt＞Gb，因此連接精制孔區(qū)域強(qiáng)度校核滿足要求。

3.3.3 連接板精制孔區(qū)域抗剪強(qiáng)度校核

經(jīng)計(jì)算，連接板精制孔區(qū)域的允許剪切強(qiáng)度Pb=476 843 N，滿足Pb＞Gb，因此連接板精制孔區(qū)域的抗剪強(qiáng)度滿足要求。

3.3.4 焊縫強(qiáng)度校核

式中：Fw為焊縫允許載荷；Fv為允許的焊縫剪切應(yīng)力；Aw為焊縫面積；Exx為焊縫的抗拉強(qiáng)度，取Exx=Fu。

經(jīng)計(jì)算，焊縫允許載荷Fw=546 820 N，滿足Fw＞Gb，因此支撐鋼管、支撐橫板、連接板間的焊縫強(qiáng)度滿足要求。

4 新型可拆卸支撐剛度及強(qiáng)度分析

使用 Autodesk Inventor 軟件通過有限單元法對該新型可拆卸支撐的剛度及強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，確保其設(shè)計(jì)合理、可靠，剛度和強(qiáng)度滿足要求。分析筒體的應(yīng)力及應(yīng)變時(shí)將筒體放置在頂起托架上，假設(shè)頂起托架為剛體。

圖5 所示為無支撐狀態(tài)下筒體剛度分析結(jié)果，此時(shí)筒體最大變形為 4.063 mm。按照圖 6 所示的x-y坐標(biāo)放置筒體，筒體的變形量僅為 0.458 mm，相對于無支撐狀態(tài)下的筒體變形量減小了 88.7%；按照圖 7所示的象限角平分線狀態(tài)放置筒體，筒體的變形量為2.904 mm，相較于無支撐狀態(tài)下的筒體變形量減小了28.5%。因此，使用該新型可拆卸支撐能有效減小筒體變形。

圖5 無支撐狀態(tài)下筒體變形分布云圖Fig. 5 Deformation contours of shell without support

圖6 x- y 坐標(biāo)狀態(tài)下筒體和支撐變形分布云圖Fig. 6 Deformation contours of shell and support in x-y coordinate state

圖7 象限角平分線狀態(tài)下筒體和支撐變形分布云圖Fig. 7 Deformation contours of shell and support in quadrant bisection state

圖8、9 分別顯示了 2 種放置狀態(tài)下筒體和支撐的等效應(yīng)力分析結(jié)果，可知 2 種狀態(tài)下該新型可拆卸支撐的強(qiáng)度均可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 x- y 坐標(biāo)狀態(tài)下筒體和支撐應(yīng)力分布云圖Fig. 8 Stress contours of shell and support in x-y coordinate state

圖9 象限角平分線狀態(tài)下筒體和支撐應(yīng)力分布云圖Fig. 9 Stress contours of shell and support in quadrant bisection state

同時(shí)上述剛度和強(qiáng)度分析結(jié)果還可以指導(dǎo)筒體放置，按照x-y坐標(biāo)放置時(shí)，筒體和支撐的變形和應(yīng)力較象限角平分線放置時(shí)分別減小了 84.2% 和 64.7%。

5 實(shí)際應(yīng)用

該新型可拆卸支撐已應(yīng)用于多個(gè)磨機(jī)項(xiàng)目中，現(xiàn)場筒體安裝定位尺寸無誤，筒體緊固同軸度滿足安裝公差要求，拆卸時(shí)只需將精致螺栓敲掉，其余粗制螺栓松掉，就可以完成該磨機(jī)新型筒體支撐的拆卸。與焊接式筒體支撐相比，拆卸省時(shí)、省力，杜絕了動火切割支撐而帶來的施工安全隱患。

6 結(jié)論

(1) 該新型可拆卸支撐能有效減小磨機(jī)筒體變形，根據(jù)磨機(jī)筒體和支撐相對位置的不同，使用該新型可拆卸支撐可有效減小筒體變形 28.5%～ 88.7%。

(2) 新型可拆卸支撐的剛度和強(qiáng)度分析結(jié)果還可以指導(dǎo)磨機(jī)筒體放置，按照x-y坐標(biāo)放置支撐的應(yīng)變和應(yīng)力，較象限角平分線放置支撐時(shí)分別減小了84.2% 和 64.7%。

(3) 多個(gè)項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)踐證明，該新型可拆卸支撐方便拆卸，安全可靠，可推廣應(yīng)用。