輥壓機扭矩支撐的結構優化

宋思遠（中建材（合肥）粉體科技裝備有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

輥壓機是迄今為止粉碎效率最高的粉磨裝備，可顯著提高粉磨系統產量、降低能耗。作為一種新型節能裝備，自上世紀80年代問世以來，輥壓機已廣泛用于水泥、鐵礦石、有色金屬礦和非金屬礦等脆性物料的粉碎工藝中。作為粉磨系統的主機裝備，輥壓機的穩定性、可靠性是極為重要的。扭矩支撐結構作為輥壓機的重要組成部分，給予行星減速機機殼反作用力，以平衡減速器產生于機殼上的扭矩及行星減速機的自重，同時也承受輥壓機振動及物料粒度波動帶來的沖擊，從而保證輥壓機整機的平高效穩運行。

目前，市場上扭矩支撐結構多種多樣，如單臂式、雙臂式和相互作用式。相比于對物料的適用性以及本身的結構特點來看，目前相對比較先進的是“L型單臂扭矩支撐”結構，該扭矩支撐由扭力矩板、平衡桿、底座、關節軸承和銷軸等組成，具有如下優點：（1）在輥壓機循環負荷大，細分含量高的工況條件下能有效緩解振動；（2）采取柔性結構設計，可以有效降低沖擊載荷對減速機本體帶來的沖擊，提高減速機的可靠性。當正常工況，輥壓機輥縫偏差在一定范圍內時，扭力矩板會隨著輥壓機左右輥縫的變化進行來回擺動。但是面對惡劣的工況條件，尤其物料顆粒不均勻所導致輥壓機偏輥嚴重且不規律時，扭力矩板的擺幅增大和頻次增多。在運動過程中，當扭力矩板與平衡桿鉸接處的受力方向與運動方向相反時，會導致扭力矩板發生彎曲變形現象；與此同時，輥壓機振動也會加速扭力矩板的彎曲變形。

因此，當現場工況惡劣時，扭矩支撐裝置會出現扭力矩板彎曲、平衡桿倒伏、關節軸承、銷軸磨損等問題，增加設備的維修時間和備品備件的更換成本；尤其扭力矩板的彎曲變形，導致減速機不易回位，兩輥軸錯位，輥壓機的有效輥寬尺寸減小，輕則造成系統產量下降，重則造成系統停機停產。

1 原因分析

以G160-140輥壓機為例，減速機輸出扭矩T=9 550kP/n=1440N·m。模擬惡劣工況，即現場輥縫偏差達到極限值（初步設置極限值為25mm）且不規律，分析單臂式扭矩支撐的受力情況：

如圖1所示，取5個極限運動節點：A/C/E（Δ=0），B（Δ=25 mm）和D（Δ=-25 mm）。尤其觀察B（Δ=25 mm）和D（Δ=-25mm）這兩個極限運動節點處的受力情況。輥縫偏差：

圖1 扭力矩板和平衡桿在各節點處的簡化圖

應用三維軟件建立輥壓機減速機扭力支撐的三維模型，然后應用運動仿真軟件求得扭力矩板與平衡桿鉸接點在各極限運動節點處的受力情況。模擬出其在極限運動節點B和D處的受力狀況，見圖2。

圖2 扭力矩板與平衡桿鉸接點在極限運動節點B和D處的受力情況

從圖2中數據得到：扭力矩板與平衡桿鉸接點在極限運動節點B處的受力大小FBY=24.9kN，但是其受力方向與鉸接點回位方向（B→C，即Δ=25mm→0）相反，不利于扭力矩板回原位（Δ=0），同時在一定程度上也會造成扭力矩板彎曲變形；極限運動節點D處情況也相同。因此，當現場工況比較惡劣，即物料顆粒嚴重不均齊時，此結構易出現扭力矩板彎曲變形和平衡桿倒伏等問題。

2 結構優化

在保留原有結構優點的基礎上，如何改變扭力矩板與平衡桿鉸接點在節點B和D處的受力方向是扭矩支撐優化的重點方向。因此，考慮在原有結構的基礎上，把平衡桿轉動180°安裝，如圖3所示。與此同時，平衡桿的運動也發生改變，簡圖見圖4。

圖3 扭矩支撐優化后的結構簡圖

圖4 平衡桿在各節點處的簡化圖

然后在相同扭矩條件下，再模擬惡劣工況，即現場輥縫偏差達到極限值且不規律，分析扭矩支撐優化后的受力情況：應用三維軟件建立輥壓機減速機扭力支撐的三維模型，然后應用運動仿真軟件求得扭力矩板與平衡桿鉸接點在各極限運動節點處的受力情況。模擬出其在極限運動節點B和D處的受力狀況，見圖5。

圖5 扭力矩板與平衡桿鉸接點在極限運動節點B和D處的受力情況

從圖5中數據得到：扭力矩板與平衡桿鉸接點在極限運動節點B處的受力大小FBY=37.9kN，但是受力方向與鉸接點回位方向（B→C，Δ=25mm→0）相同，有利于扭力矩板回原位（Δ=0）。節點D處情況也相同。

因此，扭矩支撐結構優化后能完美解決扭力矩板與平衡桿鉸鏈點在極限位置處（節點B/D）的受力情況，使其運動方向和受力方向相同，避免扭力矩板彎曲變形和平衡桿倒伏等問題。

根據上述結論對結構進行進一步優化，優化后的結構如圖6所示，其功能可實現：（1）平衡桿的受力狀態改變，避免平衡桿倒伏現象；（2）扭力矩板受力狀態改變，其與平衡桿聯接的鉸接點可來回擺動，避免扭力矩板憋死受力造成的彎曲變形問題。

圖6 優化后的結構簡圖

3 現場應用

2020年8月，南方某廠首次使用優化后的扭矩支撐結構，將原有扭矩支撐進行改造，現場使用照片如圖7所示。目前已經連續使用13個月，未發現任何故障，得到客戶一致認可，期間在該集團內部已得到多次推廣。

圖7 現場使用圖片

4 結語

優化后的扭矩支撐是在原扭矩支撐結構基礎上所進行的一個升級，雖未改變扭力矩板與平衡桿鉸接點在各極限運動節點處的受力值，但是改變了其受力狀態，完美改善了其在各極限運動節點處的受力情況，使其運動方向和受力方向相同，避免扭力矩板彎曲、平衡桿倒伏、銷軸磨損等問題。

優化后的扭矩支撐降低了備品備件損壞的可能性，進而提高了其設備的全生命周期，降低了維修時間和維修成本，避免了不必要的停機對系統產量所造成的影響，為水泥企業避免了不必要的經濟損失，經濟、社會效益顯著。