大型XJM－S型浮選機超寬問題解決方案研究

張 鵬，李紅旗

（1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012;2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012）

XJM－S系列浮選機是我國選煤廠應(yīng)用最廣泛的＜0.5 mm粒級煤泥浮選設(shè)備［1］。為適應(yīng)選煤廠大型化、集約化的發(fā)展趨勢，XJM－S系列浮選機目前也正在向節(jié)能、大型、高選擇性方向發(fā)展［2］。大型化是浮選設(shè)備的發(fā)展方向，是提高浮選機處理能力、降低浮選單位電耗和大型選煤廠建設(shè)投資及運行成本的有效途徑。但是，隨著浮選機的大型化發(fā)展［3－4］，設(shè)備尺寸增大、超限問題突顯，給浮選機的運輸與安裝環(huán)節(jié)帶來諸多不便。大型XJM－S型浮選機的設(shè)計是基于提高單位容積的處理能力，采用大截面、小槽深的理念［5］，故超限問題主要反映在超寬方面;超高問題雖也存在，但尚易解決，不是主要問題。為此，針對大型XJM－S型浮選機的超寬問題進行探討，嘗試將浮選機結(jié)構(gòu)設(shè)計、運輸方案和現(xiàn)場安裝方案相結(jié)合，來解決設(shè)備超寬引起的運輸與安裝環(huán)節(jié)的安全性低、費用高、周期長和難度大的難題。

1 設(shè)備超寬的影響

1.1 設(shè)備超寬對運輸?shù)挠绊?/h3>

1.1.1 技術(shù)性限制

大型XJM－S型浮選機在運輸過程中受到多種障礙的限制，主要包括道路的凈空限制、路面限制以及行政管理限制。凈空限制主要指天橋橋梁、道路管線、隧道和收費站等道路設(shè)施在道路凈高和凈寬方面的限制;路面限制主要指道路的最小曲線半徑和坡度等限制;行政管理限制指超限運輸車輛在運輸過程中受運輸管理部門相關(guān)運輸條例的限制。

1.1.2 安全影響

國內(nèi)標準高速公路雙向四車道是2 m×7.5 m，六車道是2 m×11.25 m，八車道是2 m×15 m，高速路面的寬度一般是3.75 m或3.5 m。目前，最大XJM－S型浮選機寬度為5.95 m，屬四級大型物件，在運輸過程中給沿途車輛、人員及設(shè)備自身等都帶來嚴重的安全隱患。

1.1.3 經(jīng)濟影響

大件運輸產(chǎn)生的主要費用包括汽車運輸費、燃油費、道路使用費、線路方案制定費、與相關(guān)部門的協(xié)議費、技術(shù)咨詢費以及因運輸大型物件發(fā)生的道路改造、橋涵加固、清障、護送 、裝卸等費用［6］。與普通貨物運輸相比，在高速公路上，大件運輸企業(yè)除應(yīng)繳稅金外，還要支付過路費、道路補償費、管理費、監(jiān)護費以及各種罰款，這些費用有時高達運費的5 ～8 倍［7－8］。

1.1.4 工期影響

浮選機的運輸需要滿足工程工期的要求，四級大型物件的運輸時間除受運輸線路里程、道路通行狀況影響外，還受到大型物件《公路運輸經(jīng)營許可證》和《道路運輸證》的審批時間影響?！兜缆反笮臀锛\輸管理辦法》規(guī)定:各級交通主管部門，按審批權(quán)限，自接到業(yè)戶書面申請之日起，30天之內(nèi)給予批準或不批準的書面答復(fù);四類大型物件運輸業(yè)戶經(jīng)縣、市級交通主管部門逐級審核后，報省級交通主管部門審批。如此逐級審核會擔擱大量的時間。

1.2 設(shè)備超寬對安裝的影響

大型浮選機超寬，對進出廠房的凈空間需求較大，而現(xiàn)場廠房的柱間距、起吊孔大小等尺寸有限，致使大型浮選機的安裝很難實現(xiàn)。遇到此類問題，解決方案無非兩種途徑:一是將設(shè)備解體進入廠房，再拼裝;二是拆除影響設(shè)備進入廠房的梁、柱、頂棚等，使設(shè)備能夠整體安裝。

對于新建廠房，安裝大型浮選機尚可根據(jù)實際情況，通過合理安排土建工程和安裝工程的施工來盡量降低因設(shè)備超寬而造成的額外費用。但對于舊廠房改造項目，大型浮選機安裝要么需拆卸再拼裝，要么需拆除原有廠房的梁、柱、廠房頂棚等，待設(shè)備安裝完畢后再恢復(fù)拆除部分，無論哪種都會增加安裝費用。

2 解決方案

解體是解決大型XJM－S型浮選機超寬問題的最佳方案，但是傳統(tǒng)的XJM－S型浮選機結(jié)構(gòu)即使采用解體方案，槽體、假底等部件仍然超寬。因此，需將浮選機結(jié)構(gòu)設(shè)計、分體運輸和現(xiàn)場拼裝方案相結(jié)合，用以克服大型XJM－S型浮選機超寬問題。具體解決思路是:

(1)從結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮，改進超寬部件結(jié)構(gòu)，規(guī)避超寬問題。

(2)從分體運輸考慮，需降低運輸費用和運輸周期，提高運輸安全性。

(3)從現(xiàn)場拼裝考慮，必須保障設(shè)備安裝質(zhì)量和運行性能。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)XJM－S型浮選機結(jié)構(gòu)中，超寬部件主要是槽體和假底。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，將傳統(tǒng)槽體和假底分別設(shè)計成兩件。改進后大型四槽XJM－S型浮選機由8件槽體、8件假底、4件橫梁、4套攪拌機構(gòu)、4套驅(qū)動裝置、8件走臺板和其他輔助裝置組成。其他輔助裝置包含刮泡機構(gòu)、大皮帶輪罩、欄桿、皮帶、緊固件等，其中刮泡機構(gòu)包括刮泡軸(裝有軸承座)、刮泡板、卡板、聯(lián)軸器等。大型XJM－S型浮選機結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 大型XJM－S型浮選機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of large－scale XJM－S flotation machine

2.1.1 槽體吊點設(shè)置

大型浮選機槽體較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變，吊點的設(shè)置很重要。在起重吊裝作業(yè)中，若浮選機槽體發(fā)生傾斜或晃動，則有可能碰到人員或設(shè)備等，并且如果在傾斜或晃動過程中重心發(fā)生偏移，將會導(dǎo)致組裝索具各肢受力的比例分配發(fā)生變化，可能會使組裝索具個別的肢超載，對索具造成損壞，嚴重時可能造成更大的損失［9］。

大型浮選機槽體結(jié)構(gòu)不完全對稱，因而重心位置無法采用簡單的方法精確確定。為保證吊點設(shè)置的合理性，槽體中心位置的確定是十分必要的。為此，在大型浮選機吊點設(shè)計的過程中，應(yīng)用了Solid-Works進行實體建模，以確定其重心的精確位置(圖2)。根據(jù)重心位置，設(shè)置吊點位置，還應(yīng)注意以下事項:

(1)耳板設(shè)置在槽體內(nèi)側(cè)，以避免吊裝時鋼絲繩與槽體溢流堰棱面接觸。

(2)耳板設(shè)置在重心上方，以提高吊裝的平穩(wěn)性。

(3)耳板設(shè)置應(yīng)和重心在吊點水平面內(nèi)的投影點與耳板中心點連線方向一致，以改善吊點的受力情況。

圖2 重心位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of centre－of－gravity position

2.1.2 槽底設(shè)計

槽底是浮選機主要的承重部件，設(shè)備自重和礦漿重量全部由其支撐。大型XJM－S型浮選機設(shè)備自重和所需承載的礦漿量顯著增大，對槽底的強度要求有明顯提升。傳統(tǒng)槽底采用網(wǎng)格板結(jié)構(gòu)，研究表明［12］，XJM－S60型浮選機槽底，采用肋板加高、加厚與座板下肋板延長的方案，不能滿足設(shè)計要求;采用增加座板方案，能滿足設(shè)計要求，但增加座板會改變土建結(jié)構(gòu)中浮選機基礎(chǔ)的受力狀況，提高對支撐梁的要求，增加土建投資。因此，大型XJM－S型浮選機采用H型鋼框架結(jié)構(gòu)來取代傳統(tǒng)網(wǎng)格板結(jié)構(gòu)，在保證槽底強度的同時，依然保留了浮選機座板在設(shè)備兩側(cè)的傳統(tǒng)。為保證安全性，對新型浮選機槽底進行了有限元分析。

為節(jié)省計算時間，根據(jù)載荷和槽底的對稱性，建立有限元模型只取槽底的1/2部分，不會影響計算結(jié)果的精度。運用ANSYS軟件進行實體建模，并對模型進行有限元分析，選擇合適的網(wǎng)格大小，設(shè)置模型材料屬性，進行網(wǎng)格劃分，模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分模型Fig.3 Grid dividing model

根據(jù)浮選機工作狀況，座板設(shè)定為固定約束，對稱面施加對稱約束，在槽底表面施加2.6×104Pa大小的壓力。對該模型進行求解，其等效應(yīng)力云圖如圖4所示，位移矢量和圖如圖5所示。

圖4 應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram

圖5 位移矢量和圖Fig.5 Displacement vector sum

由圖4和圖5可知，應(yīng)力最大點出現(xiàn)在座板與梁連接處，位移矢量和最大區(qū)域分布在槽底對稱面附近。

槽底在工況載荷下的最大von－mises應(yīng)力為:σmax=270 MPa ＜ ［σ］= σs/n=287 MPa，

式中:［σ］為許用應(yīng)力，MPa;σs為材料的屈服極限，σs=345 MPa;n為安全系數(shù)，n=1.2。

經(jīng)計算，新型槽底結(jié)構(gòu)能夠滿足強度要求。

2.1.3 槽體設(shè)計

槽體采用法蘭連接，法蘭連接的主要作用是:兩槽體連接的定位;加強浮選機槽體的整體剛度;用以安裝支撐部件，以防運輸和吊裝過程中槽體發(fā)生變形。

走臺板作為支撐部件，其長度與浮選機槽體的長寬相近，因此應(yīng)改進走臺板的結(jié)構(gòu)，增強其強度。在運輸和吊裝槽體時，走臺板用螺栓安裝在A－A平面的法蘭上，以防槽體變形。

2.2 運輸方案

設(shè)備發(fā)貨前，所有部件先組裝完畢，設(shè)備整體調(diào)試正常后，各部件按一定順序編號，然后將設(shè)備解體，最后再裝車運輸。一臺大型4槽XJM－S型浮選機，共用4輛13 m低平板半掛車運輸。每輛半掛車上裝2件槽體，其余部件都分別放在槽體內(nèi)運輸。

具體布置方案為:每2件假底重疊放入1件槽體內(nèi)，8件假底共占用4件槽體空間;橫梁、大皮帶輪罩、刮泡軸以及分別裝有緊固件、卡板、皮帶、聯(lián)軸器的木箱占用2件槽體空間;攪拌機構(gòu)、傳動裝置、刮泡板和欄桿等占用2件槽體空間。如圖6所示，在運輸過程中，各部件均布置于槽體內(nèi)。

圖6 各部件在半槽體內(nèi)的布置Fig.6 Arrangement of all parts in semi－cell

2.3 安裝方案

為保證浮選機設(shè)備質(zhì)量、組裝工期和施工安全，結(jié)合實際情況，制定如下安裝工序:

(1)先將各部件吊運出槽體，再將8件槽體依次吊運至安裝位置，拆除支撐部件，然后調(diào)平、找正，保證各槽溢流堰的直線度偏差不大于2 mm，槽體對角線長度差不得超過3 mm［13］。用螺栓連接各法蘭，焊接每槽內(nèi)中心線處法蘭。焊接前不得安裝其他部件，以避免因其他部件遮擋而造成的焊接工序不能實現(xiàn)的問題。

(2)假底就位、找正，焊接兩件假底間焊縫。安裝走臺板，為以后工序的實施提供施工平臺，為施工人員的安全提供保證。

(3)安裝攪拌機構(gòu)，調(diào)整假底位置，保證大皮帶輪的上平面與水平面的平行度誤差不大于1 mm，攪拌軸中心線與槽體側(cè)壁距離的極限偏差為±10 mm。以攪拌機構(gòu)為基準，安裝橫梁，并在橫梁上安裝驅(qū)動裝置。

(4)安裝刮泡機構(gòu)，確保安裝后轉(zhuǎn)動靈活，刮泡板外沿距離溢流堰邊緣3～5 mm。安裝扶手桿、皮帶和皮帶護罩等輔助裝置。

3 結(jié)語

目前，該種結(jié)構(gòu)設(shè)計、運輸和現(xiàn)場安裝相結(jié)合的大型浮選機超寬問題解決方案已成功地應(yīng)用于XJM－S60型浮選機，較好地克服了由超寬引起的運輸和安裝的難題。

(1)在運輸方面，降低了運輸過程中技術(shù)性限制，提高了設(shè)備運輸?shù)陌踩?，?jié)約了大件運輸超出普通貨物5～8倍的額外運輸費用;節(jié)省了大型物件《公路運輸經(jīng)營許可證》和《道路運輸證》的審批時間。

(2)在安裝方面，降低了設(shè)備進出廠房對凈空間的要求，安裝難度大大降低。

因此，將設(shè)計、運輸和現(xiàn)場安裝結(jié)合起來，是一條切實可行的解決大型和超大型設(shè)備運輸、安裝等問題的有效方案。

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