氧化鋁磨機(jī)大齒輪緊固螺栓的選型及安裝方法

和蘊(yùn)鋒，唐必亮，周 潔，韓春陽(yáng)，姬建鋼，解華華

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

氧化鋁是鋁產(chǎn)業(yè)鏈條中的重要一環(huán)，其在生產(chǎn)過程中需要將大塊鋁土礦破碎、研磨成小顆粒，磨礦設(shè)備是氧化鋁原料制備車間的關(guān)鍵設(shè)備。由于氧化鋁原料制備高溫、高堿的惡劣環(huán)境，應(yīng)用于氧化鋁行業(yè)的磨機(jī)與普通礦用磨機(jī)相比，需具有更高的適應(yīng)性和安全可靠性。

中國(guó)氧化鋁無(wú)論是市場(chǎng)容量、消費(fèi)量，還是核心技術(shù)裝備水平都已位居世界先列，中國(guó)氧化鋁的產(chǎn)量從 2006 年的 13 696 000 t 到 2015 年的 58 978 000 t[1]，10 a 間產(chǎn)量翻了兩番有余。氧化鋁行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模大型化和主體裝備大型化的良性互動(dòng)發(fā)展是其技術(shù)進(jìn)步的重要因素[1-2]。

目前氧化鋁磨機(jī)在行業(yè)內(nèi)的突出問題就是隨著磨機(jī)的大型化發(fā)展，磨機(jī)分瓣齒輪的結(jié)合面張口現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。磨內(nèi)強(qiáng)堿、高溫環(huán)境造成磨機(jī)大齒輪及其螺栓連接件的材料發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，造成連接中的預(yù)緊力和摩擦力逐漸減小，最終導(dǎo)致大齒輪結(jié)合面處的緊固螺栓連接失效，這將會(huì)嚴(yán)重影響磨機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，氧化鋁磨機(jī)大齒輪緊固螺栓的選型不同于普通磨機(jī)。筆者根據(jù)山西某氧化鋁廠磨機(jī)的應(yīng)用情況以及氧化鋁用磨機(jī)特殊的大齒輪結(jié)構(gòu)，對(duì)氧化鋁用磨機(jī)大齒輪緊固螺栓的受力狀況以及安裝方法進(jìn)行了研究和實(shí)踐探索。

1 氧化鋁用磨機(jī)大齒輪結(jié)構(gòu)

大型磨機(jī)，尤其是球磨機(jī)，其大齒輪的輪緣較大，筒體直徑較小，對(duì)于分瓣齒輪的緊固，一般在徑向方向均勻分布 3～ 4 排螺栓，如圖 1 所示。此處連接螺栓的作用是保證磨機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中分瓣齒輪連接的可靠性和緊密性，防止分瓣齒輪結(jié)合面處出現(xiàn)縫隙或相對(duì)滑移，以確保開式大小齒輪嚙合的平穩(wěn)傳動(dòng)。由于磨機(jī)大齒輪法蘭與筒體和端蓋三體緊固，某種意義上來(lái)說(shuō)，可將它們視為一個(gè)整體，因此，礦用磨機(jī)分瓣齒輪緊固螺栓的計(jì)算方式是，求解出齒輪嚙合周向力，根據(jù)承受翻轉(zhuǎn)力矩螺栓組的受力求解出各螺栓載荷，從而進(jìn)行螺栓選型[3-4]。

圖1 分瓣齒輪緊固螺栓示意Fig.1 Sketch of connecting bolt for split gear

氧化鋁用磨機(jī)的磨內(nèi)溫度高達(dá) 95 ℃ 左右，而大齒輪表面運(yùn)行溫度約為 50 ℃。對(duì)于平面薄板材料來(lái)說(shuō)，由溫度梯度所產(chǎn)生的熱應(yīng)力公式[5]為

式中：Q為熱應(yīng)力，MPa；E為彈性模量，MPa；α為熱膨脹系數(shù)；ΔT為材料的初始溫度與表面溫度之差，℃；μ為泊松比。

磨機(jī)齒輪從法蘭到齒面的熱應(yīng)力由大逐漸變小，由于分瓣齒輪的結(jié)構(gòu)特性，法蘭處因與筒體、端蓋三體緊固剛度最大，而分瓣齒輪齒面的結(jié)合面處剛度最弱，是熱應(yīng)力的釋放源，導(dǎo)致分瓣齒輪發(fā)生變形，產(chǎn)生位移，運(yùn)行過程中出現(xiàn)結(jié)合面楔形張口現(xiàn)象，緊固螺栓也出現(xiàn)了塑性變形。

齒輪法蘭處的熱應(yīng)力最大，針對(duì)此現(xiàn)象，將分瓣齒輪的結(jié)合面優(yōu)化為非接觸間隙設(shè)計(jì)，以便磨機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的熱應(yīng)力從此處釋放。經(jīng)過熱力耦合分析，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的分瓣齒輪能有效降低 25.9%的張口量。此理論是在極限受載情況下的模擬分析，實(shí)際運(yùn)行要優(yōu)于此值。但是此結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來(lái)的問題就是分瓣齒輪徑向的緊固螺栓組，只有靠近齒根處的螺栓能夠有效緊固，而靠近法蘭處的 2 排螺栓，因連接面為間隙配合，無(wú)法有效緊固。因此分瓣齒輪聯(lián)接螺栓組的預(yù)緊力如果計(jì)算不當(dāng)，一是聯(lián)接螺栓的緊密性不能保證，二是后排螺栓施加的預(yù)緊力在安裝過程中就會(huì)造成分瓣齒輪結(jié)合面張口。

2 分瓣齒輪緊固螺栓計(jì)算程序開發(fā)

根據(jù)氧化鋁專用分瓣齒輪結(jié)構(gòu)的特殊性，筆者分析了緊固螺栓組的受力，對(duì)分瓣齒輪的緊固螺栓進(jìn)行了計(jì)算。分瓣齒輪緊固螺栓計(jì)算程序開發(fā)過程為：螺栓受力分析—計(jì)算螺栓所需最小預(yù)緊力—螺栓選型—螺栓強(qiáng)度校核。基于此，建立螺栓選型數(shù)學(xué)模型以及螺栓可施加最大預(yù)緊力數(shù)學(xué)模型。磨機(jī)為重載沖擊設(shè)備，在進(jìn)行螺栓受力分析時(shí)，僅考慮有效緊固的螺栓組，以及極限情況下受力最大的狀態(tài)。

2.1 螺栓選型數(shù)學(xué)模型的建立

螺栓選型數(shù)學(xué)模型的建立是基于求解緊固螺栓處所需最小預(yù)緊力，既要保證分瓣齒輪間的緊密性，又要保證螺栓在磨機(jī)運(yùn)行過程中不受剪切力[6-7]。所建數(shù)學(xué)模型如下：

式中：F0為螺栓所需最小預(yù)緊力，kN；K0為預(yù)緊系數(shù)；Ft為圓周力，kN；z為齒輪外緣一排螺栓數(shù)量，個(gè)；Kn為可靠性系數(shù)；αn為齒輪法向壓力角，(°)；β為齒輪螺旋角，(°)；μ為預(yù)緊連接結(jié)合面的摩擦因數(shù)；P為磨機(jī)主電動(dòng)機(jī)功率，kW；dr為小齒輪節(jié)圓直徑，mm；n為主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

2.2 螺栓可施加最大預(yù)緊力數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)所求螺栓所需最小預(yù)緊力，對(duì)螺栓進(jìn)行選型，選型后根據(jù)螺栓規(guī)格進(jìn)行螺栓強(qiáng)度校核，以保證磨機(jī)在運(yùn)行過程中螺栓不發(fā)生塑性變形。螺栓可施加最大預(yù)緊力數(shù)學(xué)模型為

式中：F0max為緊固螺栓可施加最大預(yù)緊力，kN；σs為螺栓屈服應(yīng)力，MPa；AS為螺紋公稱應(yīng)力截面積，mm2；ns為安全系數(shù)；KC為螺栓與被連接件的相對(duì)剛度系數(shù)。

根據(jù)上述模型，完成氧化鋁磨機(jī)大齒輪緊固螺栓的選型。

3 分瓣齒輪緊固螺栓的安裝

由于運(yùn)輸、安裝、限重等原因，大型設(shè)備的關(guān)鍵件無(wú)法整體制造，其分瓣后的螺栓連接就成了關(guān)鍵件的薄弱環(huán)節(jié)，是故障多發(fā)之處，也是維護(hù)保養(yǎng)必須關(guān)注之處。分瓣齒輪緊固螺栓的合理選型只是其可靠應(yīng)用的第一步，安裝也是重要的一環(huán)，好的安裝方法對(duì)設(shè)備的使用和維修會(huì)帶來(lái)極大的便利。

如前文所述，氧化鋁用分瓣齒輪的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致徑向靠近法蘭的螺栓組無(wú)法按照正常預(yù)緊力扭緊。針對(duì)此問題，結(jié)合安裝過程中大小齒輪端徑跳及齒側(cè)間隙的調(diào)整，規(guī)范分瓣齒輪緊固螺栓的安裝方法，以避免設(shè)備出現(xiàn)因安裝不當(dāng)導(dǎo)致的磨機(jī)運(yùn)行問題。

3.1 螺栓組的安裝方法

圖2 所示為分瓣齒輪緊固及熱態(tài)下復(fù)緊的關(guān)鍵螺栓組，兩處結(jié)合面螺栓組相同。由于磨機(jī)齒輪和筒體、端蓋的三體緊固螺栓的最終扭緊是在大小齒輪的端徑跳及齒側(cè)間隙調(diào)整之后，因此，1、2、3 號(hào)螺栓組的安裝順序尤為重要。

圖2 分瓣齒輪緊固及熱態(tài)下復(fù)緊的關(guān)鍵螺栓組Fig.2 Re-tightened key bolt sets in fastening and hot state of split gear

首先完成 1 號(hào)螺栓組的對(duì)稱安裝，此處為有效緊固螺栓組，決定了分瓣齒輪運(yùn)行過程中是否可靠，為全扭矩扭緊，并檢查分瓣齒輪對(duì)中情況和結(jié)合面間隙情況；隨后完成 2、3 號(hào)螺栓組的對(duì)稱安裝，按照全扭矩的 30%～ 55% 扭緊，以增強(qiáng)分瓣齒輪的緊密程度。

3.2 熱態(tài)狀態(tài)下的螺栓復(fù)緊

需要特別注意的是，磨機(jī)運(yùn)行后的熱態(tài)狀態(tài)勢(shì)必會(huì)影響緊固螺栓的松動(dòng)與變形，因此二次緊固尤為重要。熱態(tài)狀態(tài)下，復(fù)緊 1、2、3 號(hào)螺栓組，首先要將齒輪和筒體、端蓋的三體緊固螺栓 (4 號(hào)螺栓組) 松開，在分瓣齒輪對(duì)中及結(jié)合面間隙完好的情況下，按照安裝步驟復(fù)緊 1、2、3 號(hào)螺栓組。全部復(fù)緊后需再次檢查大小齒輪的端徑跳及齒側(cè)間隙情況，一切數(shù)值滿足要求后才能交付使用。

4 結(jié)語(yǔ)

目前此種氧化鋁磨機(jī)大齒輪緊固螺栓的選型計(jì)算及安裝方法已應(yīng)用于廣西、重慶、河北、山西等氧化鋁廠的磨機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中。廣西某氧化鋁廠的磨機(jī)已穩(wěn)定運(yùn)行，球磨機(jī)襯板選用的是橡膠襯板，起到一定隔熱作用，筒體及齒輪運(yùn)行溫度不高，因此其大齒輪未出現(xiàn)張口現(xiàn)象；山西某氧化鋁廠磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行至今，齒輪最大張口量?jī)H為 0.10～ 0.15 mm，與優(yōu)化前相比已降低 50%，對(duì)磨機(jī)正常運(yùn)行影響不大。今后仍將繼續(xù)研究、跟蹤和解決氧化鋁用磨機(jī)在發(fā)展和使用過程中出現(xiàn)的問題，為氧化鋁用磨機(jī)的大型化和技術(shù)進(jìn)步提供有益的參考。