一種磨機用新型可拆卸筒體支撐

唐必亮，冀文強，王佳佳，吳英豪，史久仰

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3太鋼集團嵐縣礦業有限公司 山西呂梁 033504

筒 體是磨機的關鍵零部件，由 L 形法蘭和鋼板卷制的圓筒焊接而成，筒體與端蓋通過法蘭止口定位，經高強度螺栓緊固后，構成磨礦空間。磨機筒體為回轉體[1]，中空、薄壁、直徑大，剛性較差，在制造、運輸、起吊組裝過程中極易變形。變形的磨機筒體不僅會影響筒體部同軸度的調整，也會給磨機的平穩運行帶來潛在風險。因此在控制筒體變形方面，除了必要的工藝過程控制外，必須借助于筒體支撐來防止筒體的變形。

1 焊接式筒體支撐

一直以來磨機筒體都采用焊接式筒體支撐，焊接式筒體支撐通常由支撐鋼管和支撐鋼板焊接而成，通過粗制螺栓與磨機筒體緊固在一起，如圖 1 所示。該支撐可以有效防止筒體在加工、運輸及安裝過程中的變形，已在磨機行業中使用多年。拆卸筒體支撐時，需使用火焰將支撐鋼管分段切割才能取出，而此時磨機端蓋與筒體已形成有限的空間，且磨機端蓋和筒體內壁有 6 mm 耐酸堿橡膠墊，在筒體內動火切割、拆卸存在安全隱患。

圖1 焊接式筒體支撐Fig. 1 Welded shell support

2 新型可拆卸筒體支撐

中信重工在出口某大型球磨機時，客戶要求使用無需火焰切割、方便拆卸的筒體支撐，規避拆卸筒體支撐時可能存在的安全隱患。針對客戶的需求，筆者設計了一種新型可拆卸支撐，如圖 2 所示。該新型可拆卸筒體支撐由支撐鋼板、支撐鋼管、支撐橫板、支撐方板及連接板焊接加工而成，如圖 3、4 所示。連接板與支撐方板通過螺栓緊固聯結，單組筒體支撐使用 4 組螺栓副緊固聯結，每組螺栓副由 2 個粗制螺栓和 1 個精制螺栓組成。

圖2 新型可拆卸筒體支撐Fig. 2 New-type detachable shell support

圖3 新型可拆卸支撐組件Fig. 3 Assembly of new-type detachable support

粗制螺栓通過高強度預緊力使連接板和支撐方板產生摩擦力來防止筒體變形，精制螺栓通過抗剪切能力來防止筒體變形。如何保證連接板和支撐方板間的緊固螺栓不在筒體制造、運輸及起吊安裝過程中失效，是設計該新型可拆卸支撐的難點。通過有限單元法可模擬出該新型可拆卸支撐的應力及應變情況，確保該新型可拆卸支撐設計合理、可靠，強度和剛度滿足要求。

3 新型可拆卸支撐強度計算和校核

新型可拆卸支撐全部采用 Q235B 鋼板或鋼管制成，支撐方板上的粗制螺栓和精制螺栓均為 10.9 級。按照單個筒體及其 2 組支撐的重量全部由 2 組支撐中最下側的 2 個支撐來承擔，進行強度和剛度的計算和校核，此種狀態下該新型可拆卸筒體支撐承受的載荷最大。單個筒體及其 2 組支撐的重量由 2 組支撐方板上的粗制螺栓和精制螺栓承擔。

3.1 新型可拆卸支撐所承受的最大載荷

式中：G為支撐承受的最大載荷；m1為支撐質量；m2為筒體質量；g為重力加速度。

經計算，新型可拆卸支撐所承受的最大載荷G=489 804 N。

3.2 粗制螺栓的傳遞能力校核

粗制螺栓參數如表 1 所列。

表1 粗制螺栓參數Tab.1 Parameters of black bolt mm

式中：F0為粗制螺栓預緊力；S為預緊力與屈服極限的比值，取S=0.7；σs為粗制螺栓的屈服極限，取σs=900 MPa；As為螺紋公稱應力截面積。

經計算，單個粗制螺栓預緊力F0=706 172.64 N。

選用合理的螺栓預緊力對螺紋連接的可靠性以及螺栓連接件的疲勞強度都是有利的，可確保結合面不發生滑移[2]。

式中：F為單個粗制螺栓的傳遞能力；f為螺栓連結面摩擦因數，取f=0.1[3]。

計算可得單個粗制螺栓的傳遞能力F=70 617 N。

式中：Ga為 2 個支撐中的 4 個粗制螺栓的傳遞能力；Nd為設計系數，根據相關國的規定，取Nd=4。

計算得粗制螺栓的傳遞能力Ga=71 617 N。

3.3 連接板及精制螺栓的傳遞能力校核

式中：Gb為單個精制螺栓的計算載荷，Gb=209 593.5 N。

連接板的強度計算和校核參照美國標準 ASME BTH-1—2014 中的吊耳強度校核[4]，連接板的尺寸及材料參數如圖 4、表 2 所列。

圖4 連接板示意Fig. 4 Sketch for connecting plate

表2 連接板尺寸及材料參數Tab.2 Dimension and material parameters of connecting plate

除保證連接板上的粗制螺栓和精制螺栓滿足強度要求外，連接板的抗拉強度必須大于其承受的載荷，支撐鋼管、支撐橫板、連接板間焊縫強度也必須滿足要求。

3.3.1 連接板抗拉強度校核

式中：St為抗拉應力；A為抗拉區域面積；beff為有效寬度。

式中：Ft為許用應力，Ft=53 750 000 Pa。

經計算，抗拉應力St=14 139 205 Pa，滿足St≤Ft，因此連接板抗拉強度校核滿足要求。

3.3.2 連接板精制孔區域抗拉強度校核

式中：Pt為精制孔區域允許的抗拉強度；Cr為強度降低系數。

經計算，精制孔區域的允許抗拉強度Pt=1 158 091 N，滿足Pt＞Gb，因此連接精制孔區域強度校核滿足要求。

3.3.3 連接板精制孔區域抗剪強度校核

經計算，連接板精制孔區域的允許剪切強度Pb=476 843 N，滿足Pb＞Gb，因此連接板精制孔區域的抗剪強度滿足要求。

3.3.4 焊縫強度校核

式中：Fw為焊縫允許載荷；Fv為允許的焊縫剪切應力；Aw為焊縫面積；Exx為焊縫的抗拉強度，取Exx=Fu。

經計算，焊縫允許載荷Fw=546 820 N，滿足Fw＞Gb，因此支撐鋼管、支撐橫板、連接板間的焊縫強度滿足要求。

4 新型可拆卸支撐剛度及強度分析

使用 Autodesk Inventor 軟件通過有限單元法對該新型可拆卸支撐的剛度及強度進行仿真分析，確保其設計合理、可靠，剛度和強度滿足要求。分析筒體的應力及應變時將筒體放置在頂起托架上，假設頂起托架為剛體。

圖5 所示為無支撐狀態下筒體剛度分析結果，此時筒體最大變形為 4.063 mm。按照圖 6 所示的x-y坐標放置筒體，筒體的變形量僅為 0.458 mm，相對于無支撐狀態下的筒體變形量減小了 88.7%；按照圖 7所示的象限角平分線狀態放置筒體，筒體的變形量為2.904 mm，相較于無支撐狀態下的筒體變形量減小了28.5%。因此，使用該新型可拆卸支撐能有效減小筒體變形。

圖5 無支撐狀態下筒體變形分布云圖Fig. 5 Deformation contours of shell without support

圖6 x- y 坐標狀態下筒體和支撐變形分布云圖Fig. 6 Deformation contours of shell and support in x-y coordinate state

圖7 象限角平分線狀態下筒體和支撐變形分布云圖Fig. 7 Deformation contours of shell and support in quadrant bisection state

圖8、9 分別顯示了 2 種放置狀態下筒體和支撐的等效應力分析結果，可知 2 種狀態下該新型可拆卸支撐的強度均可滿足設計要求。

圖8 x- y 坐標狀態下筒體和支撐應力分布云圖Fig. 8 Stress contours of shell and support in x-y coordinate state

圖9 象限角平分線狀態下筒體和支撐應力分布云圖Fig. 9 Stress contours of shell and support in quadrant bisection state

同時上述剛度和強度分析結果還可以指導筒體放置，按照x-y坐標放置時，筒體和支撐的變形和應力較象限角平分線放置時分別減小了 84.2% 和 64.7%。

5 實際應用

該新型可拆卸支撐已應用于多個磨機項目中，現場筒體安裝定位尺寸無誤，筒體緊固同軸度滿足安裝公差要求，拆卸時只需將精致螺栓敲掉，其余粗制螺栓松掉，就可以完成該磨機新型筒體支撐的拆卸。與焊接式筒體支撐相比，拆卸省時、省力，杜絕了動火切割支撐而帶來的施工安全隱患。

6 結論

(1) 該新型可拆卸支撐能有效減小磨機筒體變形，根據磨機筒體和支撐相對位置的不同，使用該新型可拆卸支撐可有效減小筒體變形 28.5%～ 88.7%。

(2) 新型可拆卸支撐的剛度和強度分析結果還可以指導磨機筒體放置，按照x-y坐標放置支撐的應變和應力，較象限角平分線放置支撐時分別減小了84.2% 和 64.7%。

(3) 多個項目的應用實踐證明，該新型可拆卸支撐方便拆卸，安全可靠，可推廣應用。