錢 翀

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

0 引言

球磨機廣泛用在砂石、礦山選礦、化學工業(yè)、煤礦電力、建筑材料等領(lǐng)域，球磨機在使用中有用功占比低，粉磨作業(yè)時所產(chǎn)生的噪音大，整體功耗高[1]，磨機整體占場地較大等缺點，但磨機在國內(nèi)外各個選礦廠的選礦工藝設(shè)計中，它仍是優(yōu)先選用的設(shè)備，其在整個產(chǎn)業(yè)鏈中起到不可替代的關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)球磨機一般由回轉(zhuǎn)部、大小齒輪組(傳動部)、主軸承部、出料篩部、主減速機、主電機、聯(lián)軸器等組成，工作時由高壓大型異步或同步電機驅(qū)動，通過聯(lián)軸器聯(lián)接齒輪組帶動回轉(zhuǎn)部進行圓周旋轉(zhuǎn)運動，進而使筒體內(nèi)的填充研磨物進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90年代中南工業(yè)大學與衡陽冶金礦山機械廠研制了國內(nèi)第一臺中心傳動節(jié)能球磨機。由于該種類磨機在節(jié)能與場地方面與常規(guī)磨機相比具有絕對的優(yōu)勢，所以近年國內(nèi)各個設(shè)計院均在推廣使用，在此過程中，中心傳動磨機已經(jīng)突破了很多技術(shù)性壁壘，實現(xiàn)了該磨機各個部件(端蓋、篩體等)的大型化生產(chǎn)。該種類磨機在設(shè)計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)的開放式周邊傳動方式改為中心傳動等，用戶在使用中直接或間接的省下了大筆的成本。

1 磨機設(shè)計

傳統(tǒng)形式的MQY4585溢流型球磨機在多年來的制造中已經(jīng)可以進行模塊化設(shè)計，在此過程中儲備大量的設(shè)計基礎(chǔ)，這些均在磨機運行時取得了有效的實際驗證，所以在此次MQY4585中心傳動磨機的設(shè)計中，其回轉(zhuǎn)部中的進料端蓋、筒體、主軸承都可以直接借用，只需要對基礎(chǔ)部、出料部、出料篩部、總圖進行重新設(shè)計即可。

1.1 磨機功率計算：

(1)磨機轉(zhuǎn)速的計算

(1)

式中nkp—磨機筒體臨界轉(zhuǎn)速[2]，r/min；

D—筒體有效直徑，m。

設(shè)計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—球磨機轉(zhuǎn)速率；

n筒體—球磨機實際轉(zhuǎn)速，r/min。

球磨機工作轉(zhuǎn)速率一般在76%～88%左右，根據(jù)磨機直徑大小以及選礦經(jīng)驗，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)有用功率計算

磨機功率計算采用在邦德經(jīng)驗計算法基礎(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—磨機的有效容積，m3。

(4)

式中L—磨機筒體有效長度，取L=8.4 m，

代入公式(4)如下：

式中D—磨機有效直徑，取D=4.35 m；

Ψ—磨機轉(zhuǎn)速率，取Ψ=74%；

K—介質(zhì)層比(球磨機)，或內(nèi)外料層比(自磨機)，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)理論計算可求出cosα2=Ψ2，而α1又與磨機的轉(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)球磨機使用經(jīng)驗取Φ=37.65%。故K是和Φ的復雜函數(shù)關(guān)系。根據(jù)理論推導和近似計數(shù)可的下述關(guān)系式：

(6)

將上述各個參數(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)反饋功率計算

上述(3)式計算得出的中心傳動磨機的有效功率按實際情況是偏高的，因為在充填的鋼球載物砸在需要粉磨的物料上時產(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用功直接傳給了中心傳動磨機的筒體上。

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，切線力此時產(chǎn)生的是無用功，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磨機筒體內(nèi)做圓周方向的移動，Vt的能量變化作為幫助整個回轉(zhuǎn)部旋轉(zhuǎn)的力矩。因此，以上公式在計算有用功率時應(yīng)該減去由Vt生成的這部分功率。

此部分功率Nt由(7)式計算[4]：

(7)

式中G—磨機內(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，所以不做計算。

(4)磨機總功率的計算

N總=N有-Nt=2 911-401.6=2 509 kW

據(jù)此，根據(jù)中心傳動形式需要，MQY4585球磨機選擇YRKK800- 10繞組式異步電機并配套水電阻柜，功率2 500 kW，額定電壓10 kV，轉(zhuǎn)速600 r/min；配合筒體轉(zhuǎn)速達到最優(yōu)轉(zhuǎn)速，主減速機選用MFY250A型號，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，自帶的慢速傳動裝置電機功率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，滿足日常維護使用要求。

1.2 出料篩部設(shè)計

經(jīng)詳細計算后，出料篩體選用100 mm探傷后的鋼板卷制而成，保證其強度滿足使用要求，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)計排渣孔與排漿孔，內(nèi)壁進行襯膠防止腐蝕。整體設(shè)計后，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.防護板 15.防護板墊 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溢流型中心傳動球磨機出料篩部

1.3 出料部設(shè)計

與邊緣齒輪傳動磨機相比，主電機的扭矩直接由主減速傳遞到整個回轉(zhuǎn)部，所以需要由出料端蓋直接接收扭矩，對出料端蓋進行設(shè)計變更，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度要求即可，如圖2所示。

圖2 MQY4585溢流型中心傳動球磨機出料端蓋

1.4 總圖設(shè)計

中心傳動形式對比傳統(tǒng)傳動形式磨機，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)計上，回轉(zhuǎn)部的設(shè)計基本可以直接借用，只需要對傳動部分以及出料篩進行重新設(shè)計即可，如圖4所示[5]。

圖3 邊緣傳動形式對比中心傳動形式示意圖

2 關(guān)鍵件有限元分析

出料篩體既有聯(lián)軸器的傳動作用，又有排料的作用，在設(shè)計的過程中滿足強度的同時，又需要考慮料漿流動的順暢，防止堵料，在整個磨機設(shè)計中是難點的難點，下面對其進行有限元分析校核強度，如圖5～圖8所示。

1.給料部 2.進料部 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.主傳動系統(tǒng) 10.聯(lián)軸器護罩(一) 11.聯(lián)軸器護罩(二) 12.全靜壓油站 13.液壓管路 14.頂起裝置圖4 MQY4585溢流型中心傳動球磨機總圖

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)：球磨機出料篩體材質(zhì)：Q345A；彈性模量：2.06×1011Pa；密度：785 0 kg/m3；電機功率：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，小于材料的許用強度，故出料篩體的力學校核合格。

3 磨機技術(shù)評審

圖紙設(shè)計完成后，對該項目重新設(shè)計的一些關(guān)鍵部件進行了技術(shù)評審，在工藝方面對出料篩體的焊接上進行了優(yōu)化設(shè)計，重新設(shè)計了坡口形式；在機械加工方面對出料篩的各擋板及密封的先后焊接順序進行了整改，使其在整個生產(chǎn)流程中更加簡化，并容易控制質(zhì)量；在出料篩與主減速機的現(xiàn)場安裝問題上，先后對其中部分件進行了整改，使其在總裝車間與現(xiàn)場安裝試車時更加簡便，避免由于設(shè)計因素造成的安裝困難。

4 總結(jié)

如今，公司開發(fā)研制的MQY4585中心傳動球磨機已經(jīng)在年產(chǎn)80萬t氧化鋁配套原料項目中投產(chǎn)并持續(xù)運行，目前使用效果良好，該中心傳動磨機較同類型的磨機結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，整機質(zhì)量較小，機械效率高，一般為0.92～0.94，比邊緣傳動高約5%。不需大小齒輪，減輕了設(shè)備質(zhì)量，配套電機功率低，比同規(guī)格的邊緣球磨機電機功率減少10.7%～40.5%，節(jié)能效果顯著，維保期間磨機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

通過此次開發(fā)研制中心傳動磨機，公司增加了同類球磨機產(chǎn)品競爭優(yōu)勢，拓寬了市場，也為整個選礦廠平穩(wěn)、節(jié)能、連續(xù)的運轉(zhuǎn)提供了更有利的保障。