EZZM59.3+3新型礦渣立磨設(shè)計(jì)研究

段啟剛 陳 遠(yuǎn) 張 瑩 鐘 蕓 毛 凱

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618000)

21世紀(jì)初，通過(guò)參與國(guó)內(nèi)分包、自主研制，對(duì)國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)制造的傳統(tǒng)立磨進(jìn)行了消化、吸收、再創(chuàng)新，在成功研制傳統(tǒng)立磨的基礎(chǔ)上，我公司于2007年發(fā)明了一種多點(diǎn)邊緣傳動(dòng)、大直徑靜壓支承的新型立式輥磨機(jī)(簡(jiǎn)稱“新型立磨”)，突破了國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)立磨僅有的立式中心傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式，成功解決了傳動(dòng)減速器壽命短、維修難、磨機(jī)規(guī)格和產(chǎn)能不能大型化的瓶頸問(wèn)題，礦渣粉磨產(chǎn)能達(dá)到140萬(wàn)噸/年。

最初研制的幾臺(tái)新型立磨，由于沒(méi)有任何設(shè)計(jì)制造及使用經(jīng)驗(yàn)，存在大齒輪磨損后更換較困難、部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、大齒輪罩漏油，部分零部件加工制造工藝性較差、設(shè)備重量大等問(wèn)題。通過(guò)全面系統(tǒng)地分析研究，對(duì)新型立磨的各部分結(jié)構(gòu)、制造及裝配、安裝調(diào)試和使用維護(hù)等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并于2013年9月成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某大型鋼廠的EZZM59.3+3新型礦渣立磨，取得了顯著效果。

本文介紹EZZM59.3+3新型礦渣立磨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)，重點(diǎn)分析EZZM59.3+3新型礦渣立磨的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 EZZM59.3+3新型礦渣立磨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

EZZM59.3+3新型礦渣立磨主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 新型礦渣立磨主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of new type slag vertical mill

1.2 主要構(gòu)成及特點(diǎn)

1.2.1 設(shè)備組成

EZZM59.3+3新型礦渣立磨主要由傳動(dòng)裝置、靜壓支撐裝配、磨盤(pán)裝置、噴口環(huán)裝置、磨輥裝置、磨輥加壓裝置、立磨機(jī)架、立磨機(jī)身、選粉機(jī)殼體、選粉機(jī)裝置、喂料裝置、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、電氣部分等組成，如圖1和圖2所示。

1.2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

邊緣傳動(dòng)新型立磨的粉磨及選粉原理與傳統(tǒng)的中心傳動(dòng)立磨完全一樣，其結(jié)構(gòu)不同點(diǎn)是磨盤(pán)的傳動(dòng)方式及支承方式不同。

如圖2所示，靜壓支撐裝置安裝在磨機(jī)底座上，磨盤(pán)座安裝在靜壓支撐裝置上，磨盤(pán)裝置安裝在磨盤(pán)座上，在磨機(jī)底座與磨盤(pán)座中部同軸設(shè)置有定心裝置，在磨盤(pán)座下部外側(cè)安裝有大齒圈，組成磨機(jī)的大直徑靜壓支承系統(tǒng)。設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)，由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器和減速器組成。

1—機(jī)架 2—銷輥液壓缸 3—回料礦渣喂料裝置 4—成品出口 5—濕礦砂喂料裝置 6—?dú)饬献杂苫旌蠀^(qū) 7—主輥裝置 8—銷輥裝置 9—燃?xì)怏w入口 10—主輥液壓缸 11—主傳動(dòng)裝置圖1 EZZM59.3+3新型礦渣立磨示意圖Figure 1 EZZM59.3+3 new type slag vertical mill

1—大齒圈 2—磨盤(pán)座 3—帶盤(pán)裝置 4—減速器 5—電動(dòng)機(jī) 6—聯(lián)軸器 7—靜壓支撐裝置 8—磨機(jī)底座 9—定心裝置圖2 EZZM59.3+3新型礦渣立磨傳動(dòng)及支撐示意圖Figure 2 Transmission and supporting of EZZM59.3+3 new type slag vertical mill

1—電動(dòng)機(jī) 2—靜壓支撐油墊 3—磨盤(pán)連接法蘭 4—磨盤(pán)裝置 5—磨輥 6—磨機(jī)底座 7—減速器 8—聯(lián)軸器圖3 傳統(tǒng)立磨傳動(dòng)及支撐示意圖Figure 3 Transmission and supporting of conventional vertical mill

1.2.3 與傳統(tǒng)立磨的比較

(1)提高了減速器的使用壽命

如圖2所示，新型立磨磨盤(pán)的支撐方式是通過(guò)磨盤(pán)座、靜壓支撐裝置和磨機(jī)底座進(jìn)行支撐，磨輥對(duì)磨盤(pán)的碾壓力直接傳遞到磨機(jī)底座，由基礎(chǔ)承受，對(duì)分布于外圍的減速器不產(chǎn)生直接影響，可有效提高減速器的使用壽命。

如圖3所示，傳統(tǒng)立磨的磨盤(pán)通過(guò)磨盤(pán)連接法蘭、靜壓支撐油墊、減速器和磨機(jī)底座進(jìn)行支撐，磨輥對(duì)磨盤(pán)的碾壓力直接傳遞到減速器，再到磨機(jī)底座，由基礎(chǔ)承受。這樣，因料層厚度不均產(chǎn)生不斷變化的磨輥碾壓力，使磨盤(pán)受力不均且不斷變化；又因磨盤(pán)工作直徑與減速器靜壓支撐油墊直徑存在大的直徑差，磨輥的壓力差ΔN=N1-N2對(duì)磨盤(pán)形成傾翻力矩ΔNl，使磨盤(pán)產(chǎn)生高頻振動(dòng)；磨盤(pán)的高頻振動(dòng)直接傳給減速器，使減速器殼體及傳動(dòng)件受到附加垂直變載荷和傾翻力矩的影響，造成殼體和傳動(dòng)件變形，使減速器的壽命縮短；有不少水泥廠和鋼廠的中心傳動(dòng)立式減速機(jī)螺旋傘齒輪、輸出軸、太陽(yáng)輪出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象，從而導(dǎo)致立磨主機(jī)停機(jī)，給生產(chǎn)帶來(lái)影響。

(2)傳動(dòng)系統(tǒng)維修期間可減產(chǎn)生產(chǎn)

如圖2所示，當(dāng)分布于外圍的多臺(tái)減速器中有某臺(tái)減速器發(fā)生故障時(shí)，可將該臺(tái)減速器外移或拆除單獨(dú)進(jìn)行檢修，而其它減速器還可繼續(xù)驅(qū)動(dòng)磨盤(pán)工作，使磨機(jī)維持減產(chǎn)生產(chǎn)，可不停機(jī)維修。但傳統(tǒng)立磨中如果出現(xiàn)太陽(yáng)輪、行星輪和螺旋傘齒輪輪齒損壞的情況，只有將減速器拆除，停產(chǎn)單獨(dú)維修，通常只有減速器廠家才具備修復(fù)能力，且周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。

(3)傳動(dòng)系統(tǒng)造價(jià)及維護(hù)成本低，維修更方便

因采用多點(diǎn)、多套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，每套減速器、聯(lián)軸器和電動(dòng)機(jī)的規(guī)格均較小，通常情況下可選擇通用、標(biāo)準(zhǔn)的減速器、聯(lián)軸器和電動(dòng)機(jī)，其規(guī)格型號(hào)和備件相同，不僅采購(gòu)成本和維修成本低，而且用戶在現(xiàn)場(chǎng)就能進(jìn)行檢修或備件更換，維修方便。

(4)實(shí)現(xiàn)立磨的大型化，降低投資及運(yùn)營(yíng)成本

新型立磨的支撐方式，可使磨盤(pán)、磨盤(pán)座、靜壓支撐裝置和磨機(jī)底座根據(jù)需要按最大制造能力制造，還可增加主輥和輔輥的數(shù)量和擴(kuò)大直徑，提高立磨產(chǎn)能；多點(diǎn)邊緣傳動(dòng)可根據(jù)不同粉磨介質(zhì)所需功率，靈活布置驅(qū)動(dòng)點(diǎn)數(shù)、確定減速器和電動(dòng)機(jī)規(guī)格，與傳統(tǒng)立磨相比具有更好的適應(yīng)性；多點(diǎn)邊緣傳動(dòng)，因成倍地增加了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，我公司已設(shè)計(jì)制造有兩點(diǎn)驅(qū)動(dòng)、三點(diǎn)驅(qū)動(dòng)和四點(diǎn)驅(qū)動(dòng)新型立磨，每個(gè)點(diǎn)的單機(jī)功率可達(dá)2.5 MW以上，總功率可達(dá)10 MW以上，實(shí)現(xiàn)了立磨的大型化，這是傳統(tǒng)立磨無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。磨機(jī)單機(jī)大型化后，提高了粉磨效率，降低了單位產(chǎn)品能耗，節(jié)省了土地資源，降低了采購(gòu)成本和投資額，運(yùn)營(yíng)成本也降低。

2 EZZM59.3+3新型礦渣立磨的優(yōu)化設(shè)計(jì)

EZZM59.3+3新型礦渣立磨是我公司為國(guó)內(nèi)某大型鋼廠研制的三套主輥、三套輔輥、三點(diǎn)邊緣傳動(dòng)，呈奇數(shù)布置的新型礦渣立磨，該立磨是在總結(jié)EZZM58.3+3和EZZM69.4+4新型礦渣立磨的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 磨盤(pán)體與磨盤(pán)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磨盤(pán)體與磨盤(pán)座的裝配結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(1)對(duì)磨盤(pán)體進(jìn)行受力分析及計(jì)算，在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，將圖4(a)磨盤(pán)體壁厚126 mm減小到100 mm，如圖4(b)，有效降低了磨盤(pán)體和磨盤(pán)座的重量，降低了制造成本。

(2)將圖4(a)磨盤(pán)體的高度由3905 mm降低到1910 mm，不僅有效降低了鑄造難度，改善鑄造工藝性，縮短鑄造周期，而且降低了磨盤(pán)體的重量，降低了制造成本。

(3)圖4(a)磨盤(pán)體與磨盤(pán)座采用止口定位，豎直抗剪銷傳遞扭矩，螺栓連接結(jié)構(gòu)。豎直抗剪銷均勻布置在磨盤(pán)體內(nèi)，只有在磨盤(pán)體上開(kāi)方孔，采用直角洗頭才能加工抗剪銷孔，加工困難，成本高；圖4(b)采用水平抗剪銷傳遞扭矩，磨盤(pán)體不需要開(kāi)方孔，直接從外側(cè)加工，避免了因開(kāi)方孔降低磨盤(pán)體的強(qiáng)度，不需要直角銑頭，加工方便快捷，成本低。

(4)圖4(a)磨盤(pán)座采用鑄鋼件與鋼板焊接的焊接結(jié)構(gòu)，鑄件本身制造周期長(zhǎng)、質(zhì)量不易控制，鑄后才能焊接，周期更長(zhǎng)，成本也高。圖4(b)磨盤(pán)座采用焊接件結(jié)構(gòu)，制造周期短，成本低。

(a)EZZM58.3+3(b)EZZM59.3+3

2.2 大齒圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5(a)是EZZM58.3+3立磨大齒輪結(jié)構(gòu)，由左右兩個(gè)半齒圈、剖分面處騎縫銷和把合螺栓組成，齒圈截面為由內(nèi)外圓環(huán)和中間腹板組成的工字形結(jié)構(gòu)，與磨盤(pán)座的裝配如圖6(a)所示。該結(jié)構(gòu)是大齒圈的典型結(jié)構(gòu)，雖然其加工制造工藝成熟、制造成本相對(duì)較低，但當(dāng)大齒圈磨損需要更換時(shí)，大齒圈與磨盤(pán)座把合螺栓一端位于磨盤(pán)座內(nèi)，拆裝很不方便；另外因半齒圈尺寸大，很難從兩個(gè)立柱之間拆卸出來(lái)，更換困難。

(a)EZZM58.3+3(b)EZZM59.3+3

圖5 立磨大齒圈裝配圖Figure 5 Assembly of vertical mill big gear ring

圖5(b)是EZZM59.3+3立磨大齒輪結(jié)構(gòu)，由四個(gè)1/4齒圈、剖分面處騎縫銷和把合螺栓組成，齒圈截面為三角形結(jié)構(gòu)，與磨盤(pán)座的裝配如圖6(b)所示。該結(jié)構(gòu)為我公司首次設(shè)計(jì)制造，雖然其加工制造難度大、制造成本相對(duì)較高，但當(dāng)大齒圈磨損需要更換時(shí)，大齒圈與磨盤(pán)座把合螺栓位于磨盤(pán)座外，拆裝非常方便；另外因1/4齒圈尺寸小，可以很方便地從兩個(gè)立柱之間拆裝，不需要拆除立柱等，大齒圈更換方便、快捷；另外，因截面為三角形，降低了大齒圈重量，節(jié)約了制造成本。

2.3 定心裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖7(a)是EZZM58.3+3立磨的定心裝置結(jié)構(gòu)圖，主要由定心軸、滑動(dòng)軸套、定位銷、定位鍵和端蓋等組成。定心軸外徑?1370 mm、滑動(dòng)軸徑?1200 mm，長(zhǎng)度2829 mm。對(duì)該設(shè)備在使用過(guò)程中主電機(jī)的最大電流、最小電流、正常工作電流、振動(dòng)頻率及振幅等進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)設(shè)備的受力、應(yīng)力水平、剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了逆向驗(yàn)證及分析研究，其實(shí)際應(yīng)力低，變形小，剛度大。因此，在EZZM59.3+3立磨的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們利用了對(duì)EZZM58.3+3立磨的研究成果，對(duì)定心裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖7(b)所示，定心軸外徑?660 mm、滑動(dòng)軸徑?530 mm，長(zhǎng)度1528 mm，遠(yuǎn)小于EZZM58.3+3立磨，不僅大幅減小了定心裝置的外形尺寸，降低了加工制造難度和重量，而且將立磨支撐總高度降低了644 mm(7044 mm～6400 mm)，與中心軸相配的磨盤(pán)座和磨機(jī)底座圓筒形結(jié)構(gòu)部分的尺寸也大幅減小，降低了加工制造難度和重量。

(a)EZZM58.3+3(b)EZZM59.3+3

(a)EZZM58.3+3

2.4 選粉機(jī)下軸承裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8(a)是EZZM58.3+3立磨選粉機(jī)下軸承裝置結(jié)構(gòu)圖，主要由中空軸連接法蘭、軸承座、軸承、端蓋、透蓋、迷宮密封和唇形密封等組成。該結(jié)構(gòu)是參考國(guó)內(nèi)立磨選粉機(jī)下軸承裝置的常用結(jié)構(gòu)，但在使用過(guò)程中細(xì)粉很容易進(jìn)入到唇型密封環(huán)和密封面，堆積在環(huán)中，造成密封件的過(guò)早磨損損壞，細(xì)粉進(jìn)入軸承形成磨粒磨損，造成軸承損壞，影響軸承的使用壽命。為此，對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)如圖8(b)所示，將中空軸連接法蘭下端面與透蓋之間的迷宮密封設(shè)計(jì)成唇形密封，在悶蓋上增加了一個(gè)進(jìn)油孔，在中空軸連接法蘭下端面外側(cè)增設(shè)了一圈氈圈密封。該結(jié)構(gòu)將細(xì)粉徹底隔絕在外，延長(zhǎng)了軸承使用壽命4倍以上，另外悶蓋上增加的進(jìn)油孔，通過(guò)注入新油將老油強(qiáng)行擠出，避免原結(jié)構(gòu)老油長(zhǎng)期積存在下部因受高溫板結(jié)造成損壞的情況。該結(jié)構(gòu)已獲國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)專利授權(quán)。

3 設(shè)備運(yùn)行情況

該設(shè)備運(yùn)行6年多來(lái)，與其它立磨對(duì)比，運(yùn)行噪聲明顯下降，下降大約8 dB～12 dB，高頻振動(dòng)和振幅得到有效改善，降低大約10%～20%，選粉機(jī)下軸承壽命提高了4倍多；傳動(dòng)系統(tǒng)的大齒圈和三臺(tái)主減速器一直運(yùn)行正常，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)度磨損、斷齒和軸承損壞等；大齒輪罩滲漏油的情況得到徹底解決。

4 結(jié)論

(1)該新型立磨，是我公司在首臺(tái)EZZM58.3+3三點(diǎn)邊緣傳動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的升級(jí)裝備，至今已正常運(yùn)行6年多，充分驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的安全性、可靠性和技術(shù)先進(jìn)性，其良好性能得到了用戶的充分肯定。

(2)磨盤(pán)體與磨盤(pán)座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低了磨盤(pán)體鑄件高度，改善了其鑄造工藝性，縮短了鑄造周期，同時(shí)減小了磨盤(pán)體和磨盤(pán)座壁厚，減少了重量；豎直抗剪銷設(shè)計(jì)成水平抗剪銷，改善了加工工藝性，縮短了加工周期，降低了加工成本；磨盤(pán)座由鑄焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成焊接結(jié)構(gòu)，大幅縮短了制造周期，降低了制造成本。

(3)定心裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，大幅縮小了中心軸、滑動(dòng)軸套和與之相配的磨盤(pán)座和磨機(jī)底座圓筒形部分的尺寸，減小了設(shè)備重量，節(jié)約了制造成本。

(4)大齒圈設(shè)計(jì)成四個(gè)1/4齒圈把合結(jié)構(gòu)，大幅縮小了1/4齒圈的尺寸，可以很方便地從兩立柱之間裝拆，大齒圈更換方便、快捷；另外，采用三角形截面降低了大齒圈重量，節(jié)約了制造成本。

(5)選粉機(jī)下軸承裝置的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，有效將粉磨細(xì)粉徹底隔絕在外，悶蓋上增加的進(jìn)油孔，可將老油強(qiáng)行擠出，避免了原結(jié)構(gòu)老油長(zhǎng)期積存在下部因受高溫板結(jié)造成損壞的情況，將軸承的使用壽命提高到原結(jié)構(gòu)使用壽命的4倍以上。

(6)本次設(shè)計(jì)研究，有效降低設(shè)備重量116.42 t，節(jié)約制造費(fèi)用253.85萬(wàn)元；改善加工工藝性，節(jié)約加工制造費(fèi)用58.517萬(wàn)元，共降低制造費(fèi)用約312.367萬(wàn)元。