基于已建基礎(chǔ)的滑履磨設(shè)計(jì)

江蘇鵬飛集團(tuán)股份有限公司 江蘇海安 226623

在 中聯(lián)二期 100 萬 t/a 水泥粉磨站項(xiàng)目中，江蘇鵬飛集團(tuán)股份有限公司承擔(dān)除電動(dòng)機(jī)、減速器外φ4.2 m×13.3 m 滑履磨主機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)制造任務(wù)。φ4.2 m×13.3 m 滑履磨為中心傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，其外形及安裝尺寸要求與已施工完成的一期磨機(jī)土建基礎(chǔ)配套。由于各廠家的磨機(jī)零部件差異以及土建施工誤差，該磨機(jī)回轉(zhuǎn)部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)需滿足輥壓機(jī)+磨機(jī)的圈流粉磨生產(chǎn)工藝要求。同時(shí)針對(duì)一期磨機(jī)使用過程中出現(xiàn)的滑履軸承溫度高、滑環(huán)銅夾板維修不便等問題進(jìn)行改進(jìn)。

1 滑履磨主要零部件設(shè)計(jì)

滑履磨具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能高效、沒有明顯的應(yīng)力集中區(qū)及易于制造等優(yōu)點(diǎn)，通常由進(jìn)料裝置、進(jìn)料端滑履軸承、回轉(zhuǎn)部分、出料端滑履軸承、出料裝置、電動(dòng)機(jī)、減速器及液壓系統(tǒng)等組成。對(duì)于需與已建基礎(chǔ)配套的滑履磨，其各零部件應(yīng)最大限度滿足基礎(chǔ)形狀及各部件預(yù)留地腳螺栓孔位置尺寸的安裝要求。

1.1 筒體設(shè)計(jì)

1.1.1 滑履中心距的計(jì)算

磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，因此在設(shè)計(jì)磨機(jī)時(shí)必須考慮筒體熱脹冷縮的問題。對(duì)于滑履支承的磨機(jī)，進(jìn)料端采用滑動(dòng)支承，出料端采用固定支承。

筒體軸向伸縮量[1]

式中：α為鋼的線膨脹系數(shù)，取 0.000 012 m/℃；Lk為 2 個(gè)滑履軸承中心距，mm；t2為磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最高平均溫度，取 120 ℃；t1為最低環(huán)境溫度，取 -20℃；L基為滑履基礎(chǔ)中心距，實(shí)測(cè)為 13 314 mm。

φ4.2 m×13.3 m 滑履磨采用水平滑履軸承結(jié)構(gòu)，以加寬筒體進(jìn)料滑環(huán)寬度來應(yīng)對(duì)磨機(jī)熱脹冷縮問題。筒體進(jìn)料滑環(huán)內(nèi)端面與托瓦內(nèi)端面間隙a≥ΔL(22.3 mm)，筒體進(jìn)料滑環(huán)外端面與托瓦外端面間隙b≈a/4=5.6 mm，即以筒體進(jìn)料滑環(huán)比托瓦寬 29 mm 的軸向距離來考慮伸縮量。

1.1.2 回轉(zhuǎn)部各零件參數(shù)的確定

各段筒體的鋼板厚度必須通過計(jì)算得到，并利用數(shù)據(jù)分析來論證其合理性和經(jīng)濟(jì)性。一般磨機(jī)的筒體厚度須從兩方面來考慮：最小厚度δmin≥D/160，最大應(yīng)力σmax≤[σ]。

該磨機(jī)長(zhǎng)徑比L/D=13.3/4.2=3.166，對(duì)于長(zhǎng)徑比為 2.5～3.5 的磨機(jī)，筒體厚度應(yīng)不小于 0.01D。參照南京院φ4.2 m×13.0 m 磨機(jī)零部件尺寸，決定該磨機(jī)筒體厚度δ取 42 mm，滑履腹板厚度取 80 mm，滑環(huán)直徑取 4 390 mm，出料滑環(huán)寬取 650 mm，進(jìn)料滑環(huán)寬取 690 mm。

1.1.3 筒體結(jié)構(gòu)

筒體每個(gè)倉(cāng)都開設(shè) 1 個(gè)磨門，通過磨門可以維護(hù)襯板、隔倉(cāng)板，裝填或倒出研磨體，以及停磨時(shí)檢查磨機(jī)倉(cāng)內(nèi)情況。相鄰 2 個(gè)磨門呈 180°布置，為減小磨門的應(yīng)力，采取增大磨門的圓角半徑，增加磨門加強(qiáng)板的厚度等措施，進(jìn)一步提高筒體的可靠性。

襯板通過螺栓與筒體固定連接，襯板長(zhǎng)為 250 mm，由于筒體長(zhǎng) 13 300 mm，為非常用規(guī)格，筒體襯板孔以進(jìn)料端為起始點(diǎn)，軸向孔間距為 250 mm，環(huán)向布置 42 個(gè)孔，最后一圈孔與出料端腹板距離 300 mm，設(shè)計(jì)一圈非標(biāo)襯板。

筒體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。圖 1(a) 所示為 2 個(gè)滑環(huán)與中間筒節(jié)和長(zhǎng)錐管焊接在一起，錐管小端接膜片聯(lián)軸器，錐管上開設(shè)出料孔，并安裝出料罩，磨機(jī)總體布置長(zhǎng)度相對(duì)較短；圖 1(b) 所示為 2 個(gè)滑環(huán)與中間筒節(jié)和短錐管焊接在一起，錐管外端連接傳動(dòng)接管，傳動(dòng)接管上開設(shè)出料孔，安裝出料罩，傳動(dòng)接管另一端與膜片聯(lián)軸器連接，磨機(jī)總體布置長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)；圖 1(c) 所示為 2 個(gè)滑環(huán)與中間筒節(jié)焊接，出料端滑環(huán)腹板與傳動(dòng)接管連接，傳動(dòng)接管上開設(shè)出料孔，安裝出料罩，傳動(dòng)接管另一端與膜片聯(lián)軸器連接，磨機(jī)總體布置長(zhǎng)度相對(duì)適中。由于圖 1(c) 結(jié)構(gòu)中出料罩與滑履腹板有一段距離，使得出料滑環(huán)腹板與傳動(dòng)接管間有段距離裸露，對(duì)出料滑履溫度降低有一定好處，因此決定φ4.2 m×13.3 m 磨機(jī)筒體選用圖 1(c) 結(jié)構(gòu)形式(原一期筒體結(jié)構(gòu)為圖 1(a) 形式)。

圖1 滑履磨筒體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of shell of slide ring mill

1.2 滑履軸承設(shè)計(jì)

滑履磨筒體滑環(huán)支承在滑履軸承上運(yùn)轉(zhuǎn)，通常出料端采用固定式滑履軸承，進(jìn)料端采用可移動(dòng)式滑履軸承?；妮S承結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，由托瓦、凸球體、凹球體、球體座、底座和滑履罩等組成。每個(gè)滑履軸承由 2 個(gè)托瓦支承磨機(jī)的滑環(huán)，滑履軸承的托瓦一般與垂直線夾角成 30°。每個(gè)托瓦下部都裝有凸、凹球體，凸球體落在凹球體的球窩內(nèi)，兩者之間為球面接觸，磨機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)可自動(dòng)調(diào)心，整個(gè)托瓦由凹球體支承在球體座、底座上，而球體座、底座的安裝固定常采用 V 形基礎(chǔ)和水平基礎(chǔ)支撐。

根據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)已建磨機(jī)基礎(chǔ)形狀，φ4.2 m×13.3 m 磨機(jī)選用圖 2(b) 水平滑履軸承結(jié)構(gòu)。

根據(jù)實(shí)測(cè)磨機(jī)基礎(chǔ)標(biāo)高，按磨機(jī)配套的主電動(dòng)機(jī)、減速器 (含連接底座) 分別加調(diào)整墊鐵作預(yù)裝立面圖，再以φ4.2 m×14.0 m 磨機(jī)滑履軸承結(jié)構(gòu)加調(diào)整墊鐵作立面圖，使主電動(dòng)機(jī)軸、減速器軸及滑履軸承中線在同一水平高度，以最高位置部件的中心線作為φ4.2 m×13.3 m 磨機(jī)中心線。新設(shè)計(jì)的進(jìn)、出料滑履軸承中心高根據(jù)該中心線修正，低于設(shè)計(jì)中心線的由底座高度調(diào)整。

圖2 滑履軸承結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of slide ring bearing

1.2.1 滑履載荷的計(jì)算

滑履支承所受載荷包括磨機(jī)回轉(zhuǎn)部分的重力和動(dòng)態(tài)研磨體 (包含物料) 所產(chǎn)生的力[2]。

(1) 磨機(jī)回轉(zhuǎn)部分的重力

式中：G1為磨機(jī)筒體的重力，G1=965 000 N；G2為磨機(jī)襯板的重力，襯板平均厚度為 50 mm，G2=824 000 N；G3為磨機(jī)隔倉(cāng)裝置重力 (2 道隔倉(cāng)+出口揚(yáng)料裝置)，G3=335 000 N。

(2) 動(dòng)態(tài)研磨體 (包含物料) 所產(chǎn)生的力P

研磨體在磨機(jī)內(nèi)拋落運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的力P1主要有瀉落產(chǎn)生的重力Gp、離心力Pc和沖擊力Ps3 部分。一般情況下，這 3 部分所產(chǎn)生的合力只比靜態(tài)研磨體的自重G大 2%，即

式中：V為磨機(jī)筒體有效容積，m3；φ為研磨體填充系數(shù)，取 0.3；ρ為鋼球的容積密度，一般取 4.5 t/m3。

粉磨時(shí)研磨體和物料是混合在一起的，物料重力約為研磨體自重的 14%，則包括物料在內(nèi)的動(dòng)態(tài)研磨體所產(chǎn)生的力

(3) 磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)作用于筒體上的總載荷Q

式中：θp為Gm與P2 個(gè)方向力的夾角，θp=7°15′。則 cos (180°-θp)=cos (180°-7°15′)≈-1，代入式(4) 得Q=4 931 200 N。

1.2.2 滑履支承的受力分析

因?yàn)槭请p滑履、雙托瓦支承，所以其一端的載荷F=Q/2= 2 465 600 N，則單個(gè)托瓦的受力

式中：f為不均勻受力系數(shù)，取 1.05。

1.2.3 托瓦設(shè)計(jì)

一般來說，托瓦的直徑和長(zhǎng)度、油的黏度、筒體的轉(zhuǎn)速、供油壓力及偏心率等都是給定的，其中托瓦直徑和筒體轉(zhuǎn)速是固定不變的。

磨機(jī)的滑環(huán)與托瓦的半徑間隙

式中：r為筒體滑環(huán)半徑，r=2 195 mm。

取托瓦的直徑D1=4 394 mm，托瓦所受比壓

式中：B為托瓦的寬度，取B=650 mm；L瓦為托瓦的弧長(zhǎng)，L瓦=1 100 mm。

磨機(jī)的轉(zhuǎn)速v=15.6 r/min (即 3.58 m/s)，則托瓦發(fā)熱特征值pv=7.48 MPa·m/s。

托瓦表面材料通常選用 ZSnSb11Cu6，查手冊(cè)得推薦許用值 [p]=25 MPa，[v]=60 m/s，[pv]=15 MPa·m/s，則p<[p]，v<[v]，pv<[pv]。

因此所設(shè)計(jì)的滑履托瓦能滿足磨機(jī)的工作要求。

1.2.4 凸球體、凹球體、球體座設(shè)計(jì)

凸球體、凹球體、球體座作為托瓦與底座間的支承件能使托瓦自動(dòng)調(diào)心，分別采用φ4.2 m×14.0 m 磨機(jī)水平滑履軸承相應(yīng)零件結(jié)構(gòu)。

1.2.5 底座設(shè)計(jì)

底座上方裝球體座，下端與滑履基礎(chǔ)連接，由鋼板焊接成一體平板結(jié)構(gòu)，在滿足支承磨機(jī)強(qiáng)度的同時(shí)又與已建基礎(chǔ)配套，其外形高度根據(jù)磨機(jī)中心確定，長(zhǎng)寬參照基礎(chǔ)安裝地腳螺栓孔的位置和大小，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定。

1.2.6 滑履罩設(shè)計(jì)

滑履罩除了起到防止?jié)櫥屯鉃R及灰塵進(jìn)入滑履污染潤(rùn)滑油的作用外，罩的下座還起到油箱作用。在罩的上方設(shè)透氣孔，增設(shè)透氣帽，讓冷氣流從下方進(jìn)入，形成空氣對(duì)流，加快熱量的散發(fā)。罩采用甩油環(huán)+人字形密封結(jié)構(gòu)，甩油環(huán)擋住了大部分潤(rùn)滑油，使得進(jìn)入最外層橡膠人字密封的潤(rùn)滑油極少，再加上人字形密封的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和安裝方式，避免了滑履罩漏油[3]。對(duì)于固定在托瓦兩側(cè)的銅夾板磨損后的修復(fù)和更換，采用如圖 3 所示結(jié)構(gòu)。在罩下側(cè)板銅夾板位置開設(shè)檢修口，省去檢修時(shí)需放油與拆卸下側(cè)板工序，避免罩內(nèi)油泄漏而污染環(huán)境。

圖3 滑履罩銅夾板處局部放大Fig.3 Partial enlargement of copper clip board of slide ring cover

滑履軸承采用動(dòng)靜潤(rùn)滑，滑履軸承使用中溫度升高有多方面原因，如粉磨熟料產(chǎn)生高溫，冷卻水質(zhì)差、管路不暢與油冷卻器冷卻效果不佳；筒體回轉(zhuǎn)時(shí)上下串動(dòng)，滑環(huán)軸頸端面與托瓦兩側(cè)銅夾板摩擦生溫等。在設(shè)計(jì)時(shí)采取如下應(yīng)對(duì)措施：①出料端筒體滑環(huán)軸肩與托瓦兩側(cè)銅夾板留適當(dāng)?shù)拈g隙；② 在磨尾襯板與出料篦板下鋪設(shè)一層 1 m 寬的耐沖擊隔熱橡膠板；③稀油站中的油冷卻器采用板式冷卻器，并增加潤(rùn)滑油量；④ 滑履罩設(shè)進(jìn)風(fēng)管和排氣管，進(jìn)行循環(huán)冷卻。

1.3 進(jìn)料裝置設(shè)計(jì)

進(jìn)料裝置既要將物料順暢地給入磨機(jī)，又要保證不漏風(fēng)漏料，設(shè)計(jì)時(shí)借用φ4.2 m×14.0 m 磨機(jī)進(jìn)料結(jié)構(gòu)，料斗面向進(jìn)風(fēng)方向設(shè)計(jì)成百葉窗式，其支承架按磨機(jī)中心高和已建基礎(chǔ)孔位置來確定。

1.4 出料裝置設(shè)計(jì)

常用的出料裝置結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。圖 4(a)、(b)、(c) 分別對(duì)應(yīng)圖 1 中 3 種磨機(jī)筒體結(jié)構(gòu)。根據(jù)用戶粉磨工藝要求，選用圖 4(c) 所示不帶篩的出料裝置，傳動(dòng)接管內(nèi)裝推料螺旋，出料罩支架按磨機(jī)設(shè)計(jì)中心高和已建基礎(chǔ)孔位置尺寸配制，出料罩進(jìn)風(fēng)口尺寸由罩內(nèi)風(fēng)速而定，罩下部的傾斜角度不小于 50°。

1.5 膜片聯(lián)軸器選型

膜片聯(lián)軸器的作用是連接磨機(jī)筒體與主減速器輸出軸，使其一同旋轉(zhuǎn)來傳遞轉(zhuǎn)矩，同時(shí)避免在使用過程中產(chǎn)生較大的振動(dòng)，防止損壞減速器軸承而降低設(shè)備的使用壽命。膜片聯(lián)軸器的軸向尺寸由出料端滑履中線至主減速器基礎(chǔ)孔中線的長(zhǎng)度，減去傳動(dòng)接管長(zhǎng)度以及主減速器輸出軸端長(zhǎng)度來確定。膜片聯(lián)軸器一端與磨機(jī)出料接管配合，另一端與主減速器輸出軸連接，根據(jù)軸向尺寸和磨機(jī)接管的配合要求，由減速器廠配套生產(chǎn)。

圖4 3 種出料裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Three kinds of discharging device structure

2 磨內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磨機(jī)粉磨效率與許多因素有關(guān)，如粉磨工藝流程及其配套輔機(jī)，磨前預(yù)破碎，入磨物料的特性及其粒度大小、配比、含水率及易磨性等。φ4.2 m×13.3 m滑履磨磨內(nèi)通風(fēng)隔倉(cāng)板的形狀及位置、襯板布置形式都要與粉磨工藝相適應(yīng)。

2.1 隔倉(cāng)裝置

為了強(qiáng)制物料流動(dòng)，要控制各倉(cāng)的料球比，φ4.2 m 系列滑履磨的雙層隔倉(cāng)裝置有帶篩分組合式和不帶篩分式 2 種，篦縫分布形式有放射形和多邊形 2 種[4]。根據(jù)用戶生產(chǎn)工藝要求，磨內(nèi)設(shè)置 2 道隔倉(cāng)裝置，將磨機(jī)分為 3 倉(cāng)。隔倉(cāng)裝置采用帶篩分的組合式雙層隔倉(cāng)結(jié)構(gòu)，篩分動(dòng)力大，過料、通風(fēng)能力強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

隔倉(cāng)裝置的兩側(cè)裝有篦板，進(jìn)料端側(cè)篦板后裝一層不銹鋼篩板，兩者間距約 55 mm，篦板中心位置安裝一個(gè)雙向?qū)Я襄F，在篩板與出料端側(cè)的篦板間裝揚(yáng)料板，篦板上的篦縫為同心圓狀，根據(jù)前倉(cāng)長(zhǎng)度，篩分循環(huán)負(fù)荷，入磨物料的平均粒度、含水率和種類等因素，決定 2 道隔倉(cāng)篦板篦縫寬度為 6 mm，一二倉(cāng)隔倉(cāng)裝置篩孔寬度為 2.5 mm，二三倉(cāng)隔倉(cāng)裝置篩孔寬度為 2.0 mm。

2.2 倉(cāng)長(zhǎng)與襯板布置

圖5 隔倉(cāng)裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of partition device

第一倉(cāng)用于對(duì)物料的粗磨，研磨球?qū)ξ锪现饕詻_擊粉碎為主，二三倉(cāng)用于對(duì)物料的細(xì)磨，研磨球的直徑也較小，對(duì)物料主要是磨剝作用。倉(cāng)太長(zhǎng)，篩分循環(huán)負(fù)荷率過低，不利于發(fā)揮篩分的產(chǎn)量高、電耗低的特點(diǎn)；倉(cāng)太短，篩分循環(huán)負(fù)荷率過高，篩分效率低，易堵塞，不利于前倉(cāng)的破碎，易發(fā)生飽磨等不良現(xiàn)象。一倉(cāng)有效長(zhǎng)度為 3 690 mm，倉(cāng)內(nèi)設(shè)置階梯襯板。二倉(cāng)有效長(zhǎng)度為 2 690 mm，倉(cāng)內(nèi)設(shè)置大波紋襯板，波紋襯板可以有效增加襯板與研磨體的接觸面積，提升研磨能力。兩倉(cāng)之間安裝帶有篩分功能的雙層隔倉(cāng)板，一倉(cāng)的物料進(jìn)入篩分裝置后，對(duì)物料進(jìn)行細(xì)分離，粗料返回一倉(cāng)，細(xì)料順利進(jìn)入二倉(cāng)繼續(xù)研磨。三倉(cāng)有效長(zhǎng)度為 5 750 mm，倉(cāng)內(nèi)設(shè)置小波紋襯板，相應(yīng)地研磨面積也大幅增加，適合進(jìn)磨物料粒度很細(xì)的工況。為避免三倉(cāng)內(nèi)離筒體表面較遠(yuǎn)的鋼球因襯板不能有效帶動(dòng)而形成“滯留區(qū)”，對(duì)粉磨效率造成不利影響，在滯留區(qū)沿長(zhǎng)度方向又等間距布置了 4道活化襯板，以加強(qiáng)鋼球的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到提高粉磨效率的作用。

2.3 出料篦板

出料篦板安裝在球磨機(jī)筒體尾部，用于阻隔研磨體，使成品細(xì)粉能及時(shí)排出，保證磨機(jī)的研磨效率。其另一個(gè)作用是提高磨機(jī)的通風(fēng)能力，尤其是水泥磨，磨內(nèi)溫度比較高，出料篦板可帶走磨內(nèi)一部分熱量，降低磨內(nèi)溫度。根據(jù)粉磨工藝，采用中料位出料，出料篦板采用防堵型徑向單喇叭口型篦縫，篦縫寬度 (進(jìn)料端) 為 6 mm，中心篩通風(fēng)板篦縫為 4 mm，開孔率達(dá)到 35% 以上。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)已建成的φ4.2 m×13.3 m 滑履磨安裝基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)預(yù)留地腳系列螺栓孔的位置尺寸和基礎(chǔ)形狀，逆向設(shè)計(jì)滑履磨。

(1) 參照現(xiàn)有φ4.2 m 系列滑履磨結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算確定了磨機(jī)筒體、滑履軸承等零部件形式與結(jié)構(gòu)尺寸。

(2) 根據(jù)用戶水泥粉磨生產(chǎn)線工藝要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)了滑履磨磨內(nèi)部分倉(cāng)長(zhǎng)度、隔倉(cāng)板及襯板等形式。

(3)φ4.2 m×13.3 m 滑履磨已交付現(xiàn)場(chǎng)安裝，磨機(jī)結(jié)構(gòu)與已建基礎(chǔ)安裝尺寸配套正確，磨內(nèi)結(jié)構(gòu)滿足用戶水泥粉磨工藝要求。