球形容器內金屬物料研磨載帶回取系統設計

施章宏，羅德禮，牟濤，于東強，秦銓，劉艷，

（中國工程物理研究院 材料研究所，四川 江油621907）

0 引 言

因特殊操作，大型球形容器內殘留有一定量的金屬粉末物料。為了實現該容器內物料的高效回取，借鑒三維運動混料機[1-2]的特點，本文提出了一種“氣體載帶+旋轉研磨”系統設計思路，并成功設計加工了試驗裝置。

1 設計思路

球形容器內物料高效載帶系統裝置的三維結構示意如圖1 所示，主要包含球形容器、支撐底座、軸承支座、動力支架和起吊支架。球形容器結構如圖2 所示，主要包含：內徑為2.4 m 的球形罐；三對呈60°夾角的旋轉軸、軸承、齒輪、進料口、卸料口及混料罐的吊裝環扣。

采用3 對呈60°夾角的旋轉軸交替旋轉，可使一定體積的磨料全部覆蓋容器內表面，消除容器內研磨過程中的死角；采用每對旋轉軸上連接旋轉密封接頭，可實現邊旋轉邊載帶的導出過程，充分擾動粉末物質懸浮于容器內以減少物料與容器壁的接觸；采用大功率減速電動機配合自控系統，可實現最大質量為30 t的容器在旋轉軸上的正反旋轉和調速旋轉。

圖1 粉末金屬物料高效載帶回取裝置結構示意圖

圖2 球形容器結構示意圖

2 工作原理

旋轉球形容器并調整加料口至合適的位置，加入一定量的研磨球。按照工藝條件設置所需的旋轉時間、旋轉速度及旋轉方向，開始在該方向上進行邊旋轉邊載帶。該方向上旋轉載帶完畢，調整球形容器的位置，利用起吊架上的電動吊車和旋轉機構將球形容器吊起后水平旋轉120°，將另一對旋轉軸放入軸承支座開始在另一個方向上進行邊旋轉邊載帶，直至球形容器上3 對旋轉軸的方向都經過了充分的旋轉載帶，使絕大多數粉末狀金屬物質在旋轉、碰撞、氣體的多重作用得到充分的擾動后懸浮于容器內，同時使不能懸浮的物質在磨球研磨的作用下研細后被擾動懸浮，然后通過氣體載帶的方式導出。

3 設計條件

1）容器直徑為2400 mm，容器壁厚為18 mm，容器質量約為3.5 t；2）起吊載荷300 kN，支撐載荷300 kN；3）容器旋轉速度0～60 r/min；4）旋轉軸端中空，設置有排氣管及旋轉接頭，便于抽出球體中的帶粉塵的空氣；5）6 個旋轉軸端，120°均布用以支撐罐體旋轉；6）容器采用兩半球對焊成形，容器外設置有6 個旋轉支撐法蘭座；7）容器設置2 個軸承座，支撐載荷按300 kN 計算；支撐軸及軸承座與容器的支撐法蘭座采用螺釘聯接；8）旋轉軸上設置有調心滾子軸承，便于安裝和調整；9）軸承選用352240雙列圓錐滾子軸承，在安裝和使用過程中能自動適應因制造、安裝和結構變形引起的兩軸端的不同心；10）軸承的靜載荷C0r=2080 kN，Cr=905 kN，軸承的使用壽命大于20 000 h。

4 仿真分析

使用SolidWorks 工程三維CAD 系統對容器旋轉平臺的支撐軸端、動力底座、軸承座底架、起吊裝置進行應力及最大應變量分析。

4.1 支承軸端的強度分析

圖3 支承軸端的強度分析

容器總重30 t 時，采用有限元計算方法進行計算，結果表明：支承軸端的最大應力為42 MPa，而材料的屈服應力為220 MPa，安全系數約為5 倍，強度滿足要求。支承軸端的最大變形約為5.97×10-2mm，剛度滿足要求。

4.2 動力底座的強度分析

圖4 動力底座的強度分析

動力底座支撐載荷15 t 時，采用有限元計算方法進行計算，結果表明：支承軸端的最大應力為51.3 MPa，而材料的屈服應力為220 MPa，安全系數約為4 倍，強度滿足要求。動力底座的最大變形約為1.3×10-1mm，剛度滿足要求。

4.3 軸承座底架的強度分析

圖5 軸承座底架的強度分析

軸承座底架支撐載荷150 kN 時，采用有限元計算方法進行計算，結果表明：支承軸端的最大應力為31 MPa，而材料的屈服應力為220 MPa，安全系數約為7 倍，強度滿足要求。支承軸端的最大變形約為8.28×10-2mm，剛度滿足要求。

4.4 起吊裝置的強度分析

起吊載荷按300 kN 時，采用有限元計算方法進行計算，結果表明：吊桿的最大應力為194 MPa，而材料的屈服應力為620 MPa，安全系數約為3倍，強度滿足要求。吊裝支架的最大應力為118 MPa，而材料的屈服應力為220 MPa，安全系數約為2 倍，強度滿足要求。

圖6 吊桿的強度分析

圖7 吊裝支架的強度分析

4.5 驅動裝置設計

驅動裝置采用變頻調速控制，當電源頻率為50 Hz，容器的旋轉速度為60 r/min，驅動裝置對于容器的旋轉啟動時間10 s，容器外徑為2400 mm，按30 t 質量進行驅動裝置和支承座、支承軸及軸承的校驗。

1）輸出轉矩計算。容器轉動需要轉矩M=Jα，轉動慣量J=2MR2/3，角加速度α=Δω/Δt=0.628，M=Jα=2MR2/5×0.628=0.4×4000×1.22×0.628=2441.5。減速機輸出轉矩M≥2441.5 N·m。

2）變頻電動機選型計算。首先根據旋轉載荷及球形容器半徑，計算出旋轉球殼的轉動慣量，即I=2mr2/3，然后再計算出球殼水平繞軸旋轉所需轉矩M=Iβ（β 為旋轉角速度），再計算出所需功率P=M×n/9549（n 為轉速）。最后考慮傳動效率（減速機效率、齒輪傳動效率、軸承效率），確定電動機功率。P=M×n/9549=2411.5×61.5/9549=15.53 kW。

為了保證設備正常啟動和運行，還需要考慮服務系數fBtot，由設備的負載分級、起動次數及每天的運行時間決定。

機械傳動效率K 由電動機傳動效率K1、減速機傳動效率K2、齒輪傳動效率K3等因素決定。

允許電動機功率Pprem=Prated×K/fBtot，綜合考慮K=0.7，fBtot=1.25。主電動機額定電動機功率Prated=Pprem× fBtot/K=27.73 kW。變頻電動機選型時，P≥27.73 kW，最終選型30 kW 變頻電動機。

3）減速機選型計算。根據變頻電動機Prated=30 kW，減速機輸出轉矩M≥2441.5 N·m 來確定最終減速機選型及速比。減速機型號按此進行選配R13-30kW 斜齒面減速器，減速機輸出轉矩M=2500 N·m，速比i=1480/115=13，此時減速器輸出轉速為115 r/min，減速器帶動主動齒輪，主動齒輪帶動從動齒輪，主從動齒輪的速比為43/23=1.87，從動齒輪的轉動速度為115/1.87=61.5 r/min，滿足0～60 r/min 的旋轉速度要求。

4.6 旋轉軸布局計算說明

技術要求：容器內表面磨料全覆蓋，無研磨死角。計算說明：容器旋轉平臺采用呈60°分布的3 軸旋轉模式，當研磨料平面與球心夾角呈60°分布時，可知磨料對容器實現100%覆蓋，此時球冠高為157.77 mm。球冠的體積公式為π(3R-h)·h2/3，計算出磨料體積為0.0897 m3,即90 L 磨料在理論上能覆蓋容器100 %內表面。

5 載帶效果驗證

按照設計方案加工完成了研磨載帶回取裝置（如圖8），為驗證實驗裝置對金屬材料的載帶效果，選用鎢粉進行了載帶回取裝置的效果驗證。鎢的密度為19.3 g/cm3，除極少數元素和化合物外，是金屬元素中密度最大的材料。粒徑選擇時主要考慮氣溶膠的尺寸分布范圍，50 μm的尺寸可含蓋99.0%的氣溶膠粒徑。綜合以上因素，選擇了1 kg 的50 μm鎢粉進行“氣體載帶+旋轉研磨”實驗驗證。實驗結果：氣體載帶壓力為0.8 MPa，轉速為30 r/min，累積運行94 h后，經過稱重可回收860 g 的鎢粉，表明了研磨載帶回取裝置的設計有效，對金屬材料的載帶回取方案可行。

6 結 論

圖8 研磨載帶回取裝置實物圖

針對大型球形容器內金屬物料的回取，本文設計的邊旋轉研磨邊氣體載帶的工作方式能充分擾動容器內的物料，使其懸浮以減少與容器壁的粘連。設計的3 對呈60°夾角分布的旋轉軸使90 L 磨料在轉軸交替旋轉過程中實現容器內表面的全覆蓋，消除研磨死角。仿真和計算結果表明，設計的載帶裝置承載力強，運轉安全可靠。鎢粉載帶實驗結果表明，氣體載帶回取金屬物料的方案是可行的。