一種煤磨三角形支推架改進設計

李又佳

摘要：文章簡述了國內中速煤磨加載系統中使用的支推架，在壓力加載增加情況下變形的強度問題。支推架是煤磨運行中的主要組成部分，整個液壓系統通過支推架傳遞研磨壓力給主輥，主輥通過磨盤轉動對料床上的煤質進行研磨。三輥的煤磨設計，壓力的均衡性能由支推架傳遞和反饋，支推架的設計強度影響設備實際運行，一但出現出現故障，導致設備運行不穩定甚至停產。本文圍繞支推架的主要組成部分，通過Inventor有限元分析，計算出支推架的實際載荷，用inventor對支推架進行建模進行安全系數和等效應力的分析，指導支推架的優化設計。

關鍵詞：煤磨;支推架;Inventor;有限元分析

1 引言

近代輥式磨是在20世紀出發展起來的，起源于美國，隨后不久傳到德國。隨著國內大型基建業的發展，立磨市場欣欣向榮，輥式磨作為核心產品，應用范圍越來越廣的同時，漸漸成為水泥生料粉磨的主要系統。從早期60年代開始引進德國Loesche、Pfeiffer、Krupp Polysius、O&K等公司，日本的宇部、KHI、IHI磨機等公司，丹麥的FLS（史密斯）公司，美國的富勒、雷蒙等公司，到70年代我國天津院、合肥院、沈陽重型機械廠等開始主導自制研發，立磨經歷了一代又一代的變革，產量和電耗都在不斷的突破。這些成果都源于國人不斷嘗試，不斷進步的決心與意愿。作為磨機設備廠家中的一員，改進提升設備性能的同時也關心競爭伙伴的技術革新。磨機設備除液壓系統以外大部分為機械結構設計，機械結構設計是通過一定的結構形式進行呈現，其最終結果應滿足多方面的產品要求。通常具有使用性、可靠性、經濟性、工藝性和外觀造型等要求，還需改善零件的受力，以此來提高使用壽命。本文圍繞分析北電設備型號為ZGM113G的磨煤機的支推架改造項目，綜合了解實際運行中三角形支推架使用過程變形情況，利用Inventor有限元分析，提供更優化的設計方案。

2.三角形支推架主要結構改進設計

2.1煤磨支推架的作用

支推架的總體結構為等邊三角形，兩端分別與磨輥和液壓拉桿連接。液壓加載系統的作用是把拉桿加載裝置提供的加載力作用在支推架上，支推架底部安裝有鉸軸座，可用來安裝鉸軸裝置。鉸軸裝置由鉸軸和鉸軸座組成，鉸軸穿過鉸軸座孔，把磨輥與支推架連接起來，使磨輥繞鉸軸線在一定范圍內擺動。導向定位結構安置在支推架上，主要是方便工作時進行定位和切向力進行傳遞。導向塊處間隙的調整，得以實現以三根拉桿軸線對正基礎上拉桿臺板中心為準。在整個物料研磨過程中，支推架主要起到加載力傳遞的作用。整個支推架簡易連接結構如下圖（1）所示。

2.2煤磨支推架的組成

原支推架主要由外弧板，內弧板，上板，底板，頂板，連接板1，連接板2，連接板3，加固塊等組成。原設計材料主要選用Q235A。結構示意截圖見圖（2）所示。

2.3 支推架的受力分析

油缸工作時的壓力由負載決定，油液作用在活塞上的液體壓力，對于雙作用單活塞桿液壓缸來說，活塞的受力如下圖（3）所示：

活塞伸出時候的理論推力為：

F1=A1p X106=

活塞桿縮回時候的理論拉力為：

F2=A2p X106=

原液壓缸直徑為200mm，活塞桿直徑為125mm，行程為300mm，改進后的油缸直徑為280mm，活塞桿直徑為140mm，活塞桿行程為300mm，本次改進北電型號為ZGM113的廠煤磨支推架按液壓缸負載最大壓力按正壓11Mpa計算，有桿腔縮回時拉力為支推桿所受的拉力。

F2=0.25×（2802-1402）×11× π ×106=507995N

每臺磨機配3個液壓缸，所以總拉力如下：

F總=507995x3=1523985N

2.4支推架的有限元分析

使用Inventor Professional 2018軟件，首先建立原支推架三維模型，用inventor進行受力分析時候，受分析對象需為實體，不帶有曲面結構，首先把已完成的inventor iam文件轉化為單實體的ipt結構。另外需給零件賦予一種材料，每種材料對應的物理性能如變形量、變形系數、所承受的應力不一樣。原設計采用Q235A材料，我們在ipt文件中勾選相應的材質即可。若材料庫中沒有你想要的材料，需要在網站上下載相應的材料庫補充進去。對支推架進行受力分析之前，還須充分了解它的使用工況，確定好固定面和受力面，支推架底部連接鉸軸裝置，設定底部連接面為固定面，固定塊位置連接液壓連桿裝置，固定塊連接面設置為受力面。三維模型和受力約束示意圖見圖（5）所示。完成約束條件以后，給支架加載荷F總為為1523985N，利用軟件分析得到的等效應力結果與支推架安全系數結果如圖（6）所示。分析結果顯示，應力主要集中在外弧板、內弧板、上板、下板、連接件和加固塊位置（紅色和黃色區域），局部外弧板的最小強度K為0.33，最大強度K為15，安全強度數值太低，最小承受壓力為0Mpa，最大承受壓力為538.6Mpa。支推架在使用過程過，由于安全系數太低，以及部分受力超過Q235A的屈服強度和抗拉強度，造成支推架使用過程中發生變形或斷裂的情況。綜合Inventor的受力分析結果，設計考慮在外弧板、內弧板，上板、下板、連接板和加固塊進行加強優化。

2.5.支推架改進方案

增加支推架強度主要從結構，材質和板厚進行考慮，經過數十次受力方案對比，最終選擇以下方案為最優方案。整個支推架材質從原來的Q235A改為Q345B，針對Inventor有限元分析結果，對外弧板，上板，下板、連接件和加固塊結構進行優化，上板厚度由原來的30mm改為40mm，三邊外弧板由原來的16mm改成30mm，底板由原來的30mm改成40mm。大框架整改完畢以后進行受力分析，發現連接板2和加固塊的安全強度K=1.4左右，單純加厚板厚也不能有效改善應力集中，于是針對連接件2和加固塊進行單獨優化。經過幾次的尺寸嘗試，發現連接件2倒角太銳利，將5mm的倒角改為R60的圓角，厚度從10mm改成15mm，受力分析及改善后的設計如圖（7）所示，K值從1.4上升到2.0。加固塊更改外形尺寸，厚度從45mm改成80mm，底端厚度從40mm改成60mm，內部圓角從5mm改成10mm。所有零件修改完畢以后，用Inventor軟件重新分析受力結果如下圖（8）所示。

安全系數顯示最小K值上升為2.07，最大為15，最小受力為0Mpa，等效應力分析最大受力降為171.8Mpa，根據機械手冊第一卷鋼鐵材料的分類與技術條件中如下圖（9）所示，查得材料為 Q345B的屈服點為345Mpa。K=345/171.8>2，符合萊歇的技術強度要求。

所以對于仿真驗證的結果顯示設計更改解決了安全強度不滿足要求的情況。將來類似磨型支推架的技改項目都可按此方式進行加固設計。

3.結論

本文以ZGM 113G 北電煤磨的支推架為例，主要研究在液壓缸增大，負載加大的情況下，支推架的改進設計。利用Inventor 2018 Professional受力分析軟件對原設計進行結構分析，針對上板、下板、外弧板、連接件，加強固塊的強度系數不滿足要求，最低處達到0.33，依據軟件分析的薄弱點對其進行結構加強設計，在結構強度材料上進行改進，最后滿足強度系數K>2的要求。機械結構改進過程中除了增加板厚和改變材質以外，圓角也起到很大的作用。如本文所示的連接板3和加固塊，都為軟件分析得到的最小應力處，通過把倒角改成圓角或者增大圓角，有效改善應力集中情況。機械連接件本身的圓角對于結構件影響較大，通過調整局部圓角設計，有效改善支推架的受力情況，將來機械結構設計過程，可以多多考慮通過改善圓角提升結構性能。

Inventor2018 Professional是一款具有實際應用價值的軟件，在日常結構設計過程中，我們可以通過簡單模擬加載分析受力情況，了解結構的薄弱環節，針對薄弱環節有針對性的加強，避免強度設計不足造成的缺陷，避免設計過充裕造成材料浪費。尤其在國內技改項目較多的情況下，我們需對充分了解原設計的使用工況和受力情況，通過技改前后的模擬受力分析對比，有的放矢的對結構進行加強，提高設計可靠性。Inventor2018 Professional軟件的模擬工況分析，我們可以在結構件和材料上反復嘗試，力求找到最可靠最經濟的設計方案，為設計工作者提供有效的設計判斷依據。

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