錢(qián) 翀

(中國(guó)有色(沈陽(yáng))冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110141)

0 引言

球磨機(jī)廣泛用在砂石、礦山選礦、化學(xué)工業(yè)、煤礦電力、建筑材料等領(lǐng)域，球磨機(jī)在使用中有用功占比低，粉磨作業(yè)時(shí)所產(chǎn)生的噪音大，整體功耗高[1]，磨機(jī)整體占場(chǎng)地較大等缺點(diǎn)，但磨機(jī)在國(guó)內(nèi)外各個(gè)選礦廠的選礦工藝設(shè)計(jì)中，它仍是優(yōu)先選用的設(shè)備，其在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中起到不可替代的關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)球磨機(jī)一般由回轉(zhuǎn)部、大小齒輪組(傳動(dòng)部)、主軸承部、出料篩部、主減速機(jī)、主電機(jī)、聯(lián)軸器等組成，工作時(shí)由高壓大型異步或同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)接齒輪組帶動(dòng)回轉(zhuǎn)部進(jìn)行圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使筒體內(nèi)的填充研磨物進(jìn)行有效的提升和拋落，砸落在需要粉磨的物料上，完成磨破的流程。

20世紀(jì)90年代中南工業(yè)大學(xué)與衡陽(yáng)冶金礦山機(jī)械廠研制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)中心傳動(dòng)節(jié)能球磨機(jī)。由于該種類(lèi)磨機(jī)在節(jié)能與場(chǎng)地方面與常規(guī)磨機(jī)相比具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，所以近年國(guó)內(nèi)各個(gè)設(shè)計(jì)院均在推廣使用，在此過(guò)程中，中心傳動(dòng)磨機(jī)已經(jīng)突破了很多技術(shù)性壁壘，實(shí)現(xiàn)了該磨機(jī)各個(gè)部件(端蓋、篩體等)的大型化生產(chǎn)。該種類(lèi)磨機(jī)在設(shè)計(jì)中采用了很多革命性的技術(shù)，比如取消了大小齒輪，將傳統(tǒng)的開(kāi)放式周邊傳動(dòng)方式改為中心傳動(dòng)等，用戶在使用中直接或間接的省下了大筆的成本。

1 磨機(jī)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)形式的MQY4585溢流型球磨機(jī)在多年來(lái)的制造中已經(jīng)可以進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，在此過(guò)程中儲(chǔ)備大量的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，這些均在磨機(jī)運(yùn)行時(shí)取得了有效的實(shí)際驗(yàn)證，所以在此次MQY4585中心傳動(dòng)磨機(jī)的設(shè)計(jì)中，其回轉(zhuǎn)部中的進(jìn)料端蓋、筒體、主軸承都可以直接借用，只需要對(duì)基礎(chǔ)部、出料部、出料篩部、總圖進(jìn)行重新設(shè)計(jì)即可。

1.1 磨機(jī)功率計(jì)算：

(1)磨機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算

(1)

式中nkp—磨機(jī)筒體臨界轉(zhuǎn)速[2]，r/min；

D—筒體有效直徑，m。

設(shè)計(jì)筒體的襯板平均厚度為75 mm，故D=4.5-2×0.075=4.35 m。

n筒體=Ψ×nkp

(2)

式中Ψ—球磨機(jī)轉(zhuǎn)速率；

n筒體—球磨機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min。

球磨機(jī)工作轉(zhuǎn)速率一般在76%～88%左右，根據(jù)磨機(jī)直徑大小以及選礦經(jīng)驗(yàn)，取其轉(zhuǎn)速率Ψ=74%代入(2)式中n筒體=0.74×20.33=15.04 r/min，取n筒體為15.1 r/min。

(2)有用功率計(jì)算

磨機(jī)功率計(jì)算采用在邦德經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法基礎(chǔ)上改造的陳炳辰推薦的公式：

N有=3.465×Δ×V×D0.5×Ψ3×(1-K4)×
[2.25-Ψ4×(1+K2)]

(3)

式中Δ—礦石堆比重，取Δ=4.8 t/m3[3]；

V—磨機(jī)的有效容積，m3。

(4)

式中L—磨機(jī)筒體有效長(zhǎng)度，取L=8.4 m，

代入公式(4)如下：

式中D—磨機(jī)有效直徑，取D=4.35 m；

Ψ—磨機(jī)轉(zhuǎn)速率，取Ψ=74%；

K—介質(zhì)層比(球磨機(jī))，或內(nèi)外料層比(自磨機(jī))，其值為：

(5)

α1和α2為最里側(cè)物料(或鋼球)與最外側(cè)物料(或鋼球)的脫離角。根據(jù)磨礦傳統(tǒng)理論計(jì)算可求出cosα2=Ψ2，而α1又與磨機(jī)的轉(zhuǎn)速率Ψ及介質(zhì)填充率(或物料料位)Φ有關(guān)，其中介質(zhì)填充率根據(jù)球磨機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)取Φ=37.65%。故K是和Φ的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系。根據(jù)理論推導(dǎo)和近似計(jì)數(shù)可的下述關(guān)系式：

(6)

將上述各個(gè)參數(shù)代入式(3)中：

N有=3.465×Δ×V×D0.5×Ψ3×(1-K4)×
[2.25-Ψ4×(1+K2)]=3.465×4.8×124.8×
4.350.5×0.743×(1-0.522 84)×
[2.25-0.744×(1+0.522 82)]=2 911 kW

(3)反饋功率計(jì)算

上述(3)式計(jì)算得出的中心傳動(dòng)磨機(jī)的有效功率按實(shí)際情況是偏高的，因?yàn)樵诔涮畹匿撉蜉d物砸在需要粉磨的物料上時(shí)產(chǎn)生的能量只有一小部分做了有用功消耗在需粉磨的物料上，余下的能量則變化為無(wú)用功直接傳給了中心傳動(dòng)磨機(jī)的筒體上。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于鋼球的撞擊使需粉磨的物料粉碎，只是靠鋼球的徑向力，此方向的分速度設(shè)為Vn，切線力此時(shí)產(chǎn)生的是無(wú)用功，此方向的分速度設(shè)為Vt，此方向的作用力的功率不參與粉磨作用，切線力僅僅能使鋼球在中心傳動(dòng)磨機(jī)筒體內(nèi)做圓周方向的移動(dòng)，Vt的能量變化作為幫助整個(gè)回轉(zhuǎn)部旋轉(zhuǎn)的力矩。因此，以上公式在計(jì)算有用功率時(shí)應(yīng)該減去由Vt生成的這部分功率。

此部分功率Nt由(7)式計(jì)算[4]：

(7)

式中G—磨機(jī)內(nèi)最大充填介質(zhì)重量，取G=225 t。

將以上參數(shù)代入式(7)

對(duì)于靜壓軸承，其摩擦系數(shù)非常小，摩擦消耗的功率可以忽略不計(jì)，所以不做計(jì)算。

(4)磨機(jī)總功率的計(jì)算

N總=N有-Nt=2 911-401.6=2 509 kW

據(jù)此，根據(jù)中心傳動(dòng)形式需要，MQY4585球磨機(jī)選擇YRKK800- 10繞組式異步電機(jī)并配套水電阻柜，功率2 500 kW，額定電壓10 kV，轉(zhuǎn)速600 r/min；配合筒體轉(zhuǎn)速達(dá)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速，主減速機(jī)選用MFY250A型號(hào)，減速比為39.73，輸入轉(zhuǎn)速600 r/min，輸出轉(zhuǎn)速15.1 r/min，安全系數(shù)3.0，自帶的慢速傳動(dòng)裝置電機(jī)功率37 kW，轉(zhuǎn)速1 480 r/min，減速比169，經(jīng)主減速傳遞后輸出轉(zhuǎn)速為0.220 4 r/min，滿足日常維護(hù)使用要求。

1.2 出料篩部設(shè)計(jì)

經(jīng)詳細(xì)計(jì)算后，出料篩體選用100 mm探傷后的鋼板卷制而成，保證其強(qiáng)度滿足使用要求，內(nèi)壁襯膠防腐，兩端焊接法蘭分別與出料端蓋與膜片聯(lián)軸器相連接，所有焊縫均100%超聲波探傷，出料篩體圓周方向設(shè)置滾筒篩網(wǎng)，出料篩上罩設(shè)置拔氣孔，下罩分別設(shè)計(jì)排渣孔與排漿孔，內(nèi)壁進(jìn)行襯膠防止腐蝕。整體設(shè)計(jì)后，如圖1所示。

1.支架 2.下罩 3.篩體 4.連接軸 5.上罩(一) 6.噴水管 7.上罩(二) 8.六角頭螺栓 9.1型六角螺母 10.彈簧墊圈 11.六角頭螺栓 12.圓柱頭螺釘 13.彈簧墊圈 14.防護(hù)板 15.防護(hù)板墊 16.密封墊 17.連接法蘭(一) 18.墊(一) 19.六角頭螺栓 20.1型六角螺母 21.彈簧墊圈 22.墊(二) 23.視蓋 24.墊(三) 25.半法蘭 26.六角頭螺栓 27.1型六角螺母 28.彈簧墊圈 29.六角頭螺栓 30.連接法蘭(二) 31.墊(四) 32.連接法蘭(三) 33.墊(五)圖1 MQY4585溢流型中心傳動(dòng)球磨機(jī)出料篩部

1.3 出料部設(shè)計(jì)

與邊緣齒輪傳動(dòng)磨機(jī)相比，主電機(jī)的扭矩直接由主減速傳遞到整個(gè)回轉(zhuǎn)部，所以需要由出料端蓋直接接收扭矩，對(duì)出料端蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，使其可以直接與出料篩的聯(lián)接體連接，連接螺栓符合滿足強(qiáng)度要求即可，如圖2所示。

圖2 MQY4585溢流型中心傳動(dòng)球磨機(jī)出料端蓋

1.4 總圖設(shè)計(jì)

中心傳動(dòng)形式對(duì)比傳統(tǒng)傳動(dòng)形式磨機(jī)，僅棄用了大小齒輪副系統(tǒng)，如圖3所示。所以在總圖的設(shè)計(jì)上，回轉(zhuǎn)部的設(shè)計(jì)基本可以直接借用，只需要對(duì)傳動(dòng)部分以及出料篩進(jìn)行重新設(shè)計(jì)即可，如圖4所示[5]。

圖3 邊緣傳動(dòng)形式對(duì)比中心傳動(dòng)形式示意圖

2 關(guān)鍵件有限元分析

出料篩體既有聯(lián)軸器的傳動(dòng)作用，又有排料的作用，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中滿足強(qiáng)度的同時(shí)，又需要考慮料漿流動(dòng)的順暢，防止堵料，在整個(gè)磨機(jī)設(shè)計(jì)中是難點(diǎn)的難點(diǎn)，下面對(duì)其進(jìn)行有限元分析校核強(qiáng)度，如圖5～圖8所示。

1.給料部 2.進(jìn)料部 3.主軸承部 4.筒體部 5.出料部 6.環(huán)形密封 7.基礎(chǔ)部 8.出料篩 9.主傳動(dòng)系統(tǒng) 10.聯(lián)軸器護(hù)罩(一) 11.聯(lián)軸器護(hù)罩(二) 12.全靜壓油站 13.液壓管路 14.頂起裝置圖4 MQY4585溢流型中心傳動(dòng)球磨機(jī)總圖

圖5 出料篩體邊界條件

圖6 出料篩體結(jié)果及分析

圖7 出料篩體的剪切應(yīng)力

圖8 出料篩體的轉(zhuǎn)角

出料篩體的主要參數(shù)：球磨機(jī)出料篩體材質(zhì)：Q345A；彈性模量：2.06×1011Pa；密度：785 0 kg/m3；電機(jī)功率：2 500 kW；安全系數(shù)：3；出料篩體轉(zhuǎn)速：15.1 r/min；

有限元分析結(jié)論：連接體的等效應(yīng)力為30.097 MPa，剪切應(yīng)力為16.843，轉(zhuǎn)角0.2°，考慮到安全系數(shù)取3，小于材料的許用強(qiáng)度，故出料篩體的力學(xué)校核合格。

3 磨機(jī)技術(shù)評(píng)審

圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完成后，對(duì)該項(xiàng)目重新設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵部件進(jìn)行了技術(shù)評(píng)審，在工藝方面對(duì)出料篩體的焊接上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)了坡口形式；在機(jī)械加工方面對(duì)出料篩的各擋板及密封的先后焊接順序進(jìn)行了整改，使其在整個(gè)生產(chǎn)流程中更加簡(jiǎn)化，并容易控制質(zhì)量；在出料篩與主減速機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)安裝問(wèn)題上，先后對(duì)其中部分件進(jìn)行了整改，使其在總裝車(chē)間與現(xiàn)場(chǎng)安裝試車(chē)時(shí)更加簡(jiǎn)便，避免由于設(shè)計(jì)因素造成的安裝困難。

4 總結(jié)

如今，公司開(kāi)發(fā)研制的MQY4585中心傳動(dòng)球磨機(jī)已經(jīng)在年產(chǎn)80萬(wàn)t氧化鋁配套原料項(xiàng)目中投產(chǎn)并持續(xù)運(yùn)行，目前使用效果良好，該中心傳動(dòng)磨機(jī)較同類(lèi)型的磨機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，整機(jī)質(zhì)量較小，機(jī)械效率高，一般為0.92～0.94，比邊緣傳動(dòng)高約5%。不需大小齒輪，減輕了設(shè)備質(zhì)量，配套電機(jī)功率低，比同規(guī)格的邊緣球磨機(jī)電機(jī)功率減少10.7%～40.5%，節(jié)能效果顯著，維保期間磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

通過(guò)此次開(kāi)發(fā)研制中心傳動(dòng)磨機(jī)，公司增加了同類(lèi)球磨機(jī)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，拓寬了市場(chǎng)，也為整個(gè)選礦廠平穩(wěn)、節(jié)能、連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供了更有利的保障。