球形容器內(nèi)金屬物料研磨載帶回取系統(tǒng)設(shè)計

施章宏，羅德禮，牟濤，于東強(qiáng)，秦銓，劉艷，

（中國工程物理研究院 材料研究所，四川 江油621907）

0 引 言

因特殊操作，大型球形容器內(nèi)殘留有一定量的金屬粉末物料。為了實現(xiàn)該容器內(nèi)物料的高效回取，借鑒三維運(yùn)動混料機(jī)[1-2]的特點，本文提出了一種“氣體載帶+旋轉(zhuǎn)研磨”系統(tǒng)設(shè)計思路，并成功設(shè)計加工了試驗裝置。

1 設(shè)計思路

球形容器內(nèi)物料高效載帶系統(tǒng)裝置的三維結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示，主要包含球形容器、支撐底座、軸承支座、動力支架和起吊支架。球形容器結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要包含：內(nèi)徑為2.4 m 的球形罐；三對呈60°夾角的旋轉(zhuǎn)軸、軸承、齒輪、進(jìn)料口、卸料口及混料罐的吊裝環(huán)扣。

采用3 對呈60°夾角的旋轉(zhuǎn)軸交替旋轉(zhuǎn)，可使一定體積的磨料全部覆蓋容器內(nèi)表面，消除容器內(nèi)研磨過程中的死角；采用每對旋轉(zhuǎn)軸上連接旋轉(zhuǎn)密封接頭，可實現(xiàn)邊旋轉(zhuǎn)邊載帶的導(dǎo)出過程，充分?jǐn)_動粉末物質(zhì)懸浮于容器內(nèi)以減少物料與容器壁的接觸；采用大功率減速電動機(jī)配合自控系統(tǒng)，可實現(xiàn)最大質(zhì)量為30 t的容器在旋轉(zhuǎn)軸上的正反旋轉(zhuǎn)和調(diào)速旋轉(zhuǎn)。

圖1 粉末金屬物料高效載帶回取裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 球形容器結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作原理

旋轉(zhuǎn)球形容器并調(diào)整加料口至合適的位置，加入一定量的研磨球。按照工藝條件設(shè)置所需的旋轉(zhuǎn)時間、旋轉(zhuǎn)速度及旋轉(zhuǎn)方向，開始在該方向上進(jìn)行邊旋轉(zhuǎn)邊載帶。該方向上旋轉(zhuǎn)載帶完畢，調(diào)整球形容器的位置，利用起吊架上的電動吊車和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將球形容器吊起后水平旋轉(zhuǎn)120°，將另一對旋轉(zhuǎn)軸放入軸承支座開始在另一個方向上進(jìn)行邊旋轉(zhuǎn)邊載帶，直至球形容器上3 對旋轉(zhuǎn)軸的方向都經(jīng)過了充分的旋轉(zhuǎn)載帶，使絕大多數(shù)粉末狀金屬物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)、碰撞、氣體的多重作用得到充分的擾動后懸浮于容器內(nèi)，同時使不能懸浮的物質(zhì)在磨球研磨的作用下研細(xì)后被擾動懸浮，然后通過氣體載帶的方式導(dǎo)出。

3 設(shè)計條件

1）容器直徑為2400 mm，容器壁厚為18 mm，容器質(zhì)量約為3.5 t；2）起吊載荷300 kN，支撐載荷300 kN；3）容器旋轉(zhuǎn)速度0～60 r/min；4）旋轉(zhuǎn)軸端中空，設(shè)置有排氣管及旋轉(zhuǎn)接頭，便于抽出球體中的帶粉塵的空氣；5）6 個旋轉(zhuǎn)軸端，120°均布用以支撐罐體旋轉(zhuǎn)；6）容器采用兩半球?qū)赋尚危萜魍庠O(shè)置有6 個旋轉(zhuǎn)支撐法蘭座；7）容器設(shè)置2 個軸承座，支撐載荷按300 kN 計算；支撐軸及軸承座與容器的支撐法蘭座采用螺釘聯(lián)接；8）旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有調(diào)心滾子軸承，便于安裝和調(diào)整；9）軸承選用352240雙列圓錐滾子軸承，在安裝和使用過程中能自動適應(yīng)因制造、安裝和結(jié)構(gòu)變形引起的兩軸端的不同心；10）軸承的靜載荷C0r=2080 kN，Cr=905 kN，軸承的使用壽命大于20 000 h。

4 仿真分析

使用SolidWorks 工程三維CAD 系統(tǒng)對容器旋轉(zhuǎn)平臺的支撐軸端、動力底座、軸承座底架、起吊裝置進(jìn)行應(yīng)力及最大應(yīng)變量分析。

4.1 支承軸端的強(qiáng)度分析

圖3 支承軸端的強(qiáng)度分析

容器總重30 t 時，采用有限元計算方法進(jìn)行計算，結(jié)果表明：支承軸端的最大應(yīng)力為42 MPa，而材料的屈服應(yīng)力為220 MPa，安全系數(shù)約為5 倍，強(qiáng)度滿足要求。支承軸端的最大變形約為5.97×10-2mm，剛度滿足要求。

4.2 動力底座的強(qiáng)度分析

圖4 動力底座的強(qiáng)度分析

動力底座支撐載荷15 t 時，采用有限元計算方法進(jìn)行計算，結(jié)果表明：支承軸端的最大應(yīng)力為51.3 MPa，而材料的屈服應(yīng)力為220 MPa，安全系數(shù)約為4 倍，強(qiáng)度滿足要求。動力底座的最大變形約為1.3×10-1mm，剛度滿足要求。

4.3 軸承座底架的強(qiáng)度分析

圖5 軸承座底架的強(qiáng)度分析

軸承座底架支撐載荷150 kN 時，采用有限元計算方法進(jìn)行計算，結(jié)果表明：支承軸端的最大應(yīng)力為31 MPa，而材料的屈服應(yīng)力為220 MPa，安全系數(shù)約為7 倍，強(qiáng)度滿足要求。支承軸端的最大變形約為8.28×10-2mm，剛度滿足要求。

4.4 起吊裝置的強(qiáng)度分析

起吊載荷按300 kN 時，采用有限元計算方法進(jìn)行計算，結(jié)果表明：吊桿的最大應(yīng)力為194 MPa，而材料的屈服應(yīng)力為620 MPa，安全系數(shù)約為3倍，強(qiáng)度滿足要求。吊裝支架的最大應(yīng)力為118 MPa，而材料的屈服應(yīng)力為220 MPa，安全系數(shù)約為2 倍，強(qiáng)度滿足要求。

圖6 吊桿的強(qiáng)度分析

圖7 吊裝支架的強(qiáng)度分析

4.5 驅(qū)動裝置設(shè)計

驅(qū)動裝置采用變頻調(diào)速控制，當(dāng)電源頻率為50 Hz，容器的旋轉(zhuǎn)速度為60 r/min，驅(qū)動裝置對于容器的旋轉(zhuǎn)啟動時間10 s，容器外徑為2400 mm，按30 t 質(zhì)量進(jìn)行驅(qū)動裝置和支承座、支承軸及軸承的校驗。

1）輸出轉(zhuǎn)矩計算。容器轉(zhuǎn)動需要轉(zhuǎn)矩M=Jα，轉(zhuǎn)動慣量J=2MR2/3，角加速度α=Δω/Δt=0.628，M=Jα=2MR2/5×0.628=0.4×4000×1.22×0.628=2441.5。減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩M≥2441.5 N·m。

2）變頻電動機(jī)選型計算。首先根據(jù)旋轉(zhuǎn)載荷及球形容器半徑，計算出旋轉(zhuǎn)球殼的轉(zhuǎn)動慣量，即I=2mr2/3，然后再計算出球殼水平繞軸旋轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩M=Iβ（β 為旋轉(zhuǎn)角速度），再計算出所需功率P=M×n/9549（n 為轉(zhuǎn)速）。最后考慮傳動效率（減速機(jī)效率、齒輪傳動效率、軸承效率），確定電動機(jī)功率。P=M×n/9549=2411.5×61.5/9549=15.53 kW。

為了保證設(shè)備正常啟動和運(yùn)行，還需要考慮服務(wù)系數(shù)fBtot，由設(shè)備的負(fù)載分級、起動次數(shù)及每天的運(yùn)行時間決定。

機(jī)械傳動效率K 由電動機(jī)傳動效率K1、減速機(jī)傳動效率K2、齒輪傳動效率K3等因素決定。

允許電動機(jī)功率Pprem=Prated×K/fBtot，綜合考慮K=0.7，fBtot=1.25。主電動機(jī)額定電動機(jī)功率Prated=Pprem× fBtot/K=27.73 kW。變頻電動機(jī)選型時，P≥27.73 kW，最終選型30 kW 變頻電動機(jī)。

3）減速機(jī)選型計算。根據(jù)變頻電動機(jī)Prated=30 kW，減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩M≥2441.5 N·m 來確定最終減速機(jī)選型及速比。減速機(jī)型號按此進(jìn)行選配R13-30kW 斜齒面減速器，減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩M=2500 N·m，速比i=1480/115=13，此時減速器輸出轉(zhuǎn)速為115 r/min，減速器帶動主動齒輪，主動齒輪帶動從動齒輪，主從動齒輪的速比為43/23=1.87，從動齒輪的轉(zhuǎn)動速度為115/1.87=61.5 r/min，滿足0～60 r/min 的旋轉(zhuǎn)速度要求。

4.6 旋轉(zhuǎn)軸布局計算說明

技術(shù)要求：容器內(nèi)表面磨料全覆蓋，無研磨死角。計算說明：容器旋轉(zhuǎn)平臺采用呈60°分布的3 軸旋轉(zhuǎn)模式，當(dāng)研磨料平面與球心夾角呈60°分布時，可知磨料對容器實現(xiàn)100%覆蓋，此時球冠高為157.77 mm。球冠的體積公式為π(3R-h)·h2/3，計算出磨料體積為0.0897 m3,即90 L 磨料在理論上能覆蓋容器100 %內(nèi)表面。

5 載帶效果驗證

按照設(shè)計方案加工完成了研磨載帶回取裝置（如圖8），為驗證實驗裝置對金屬材料的載帶效果，選用鎢粉進(jìn)行了載帶回取裝置的效果驗證。鎢的密度為19.3 g/cm3，除極少數(shù)元素和化合物外，是金屬元素中密度最大的材料。粒徑選擇時主要考慮氣溶膠的尺寸分布范圍，50 μm的尺寸可含蓋99.0%的氣溶膠粒徑。綜合以上因素，選擇了1 kg 的50 μm鎢粉進(jìn)行“氣體載帶+旋轉(zhuǎn)研磨”實驗驗證。實驗結(jié)果：氣體載帶壓力為0.8 MPa，轉(zhuǎn)速為30 r/min，累積運(yùn)行94 h后，經(jīng)過稱重可回收860 g 的鎢粉，表明了研磨載帶回取裝置的設(shè)計有效，對金屬材料的載帶回取方案可行。

6 結(jié) 論

圖8 研磨載帶回取裝置實物圖

針對大型球形容器內(nèi)金屬物料的回取，本文設(shè)計的邊旋轉(zhuǎn)研磨邊氣體載帶的工作方式能充分?jǐn)_動容器內(nèi)的物料，使其懸浮以減少與容器壁的粘連。設(shè)計的3 對呈60°夾角分布的旋轉(zhuǎn)軸使90 L 磨料在轉(zhuǎn)軸交替旋轉(zhuǎn)過程中實現(xiàn)容器內(nèi)表面的全覆蓋，消除研磨死角。仿真和計算結(jié)果表明，設(shè)計的載帶裝置承載力強(qiáng)，運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠。鎢粉載帶實驗結(jié)果表明，氣體載帶回取金屬物料的方案是可行的。