一種煤磨三角形支推架改進(jìn)設(shè)計(jì)

李又佳

摘要：文章簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)中速煤磨加載系統(tǒng)中使用的支推架，在壓力加載增加情況下變形的強(qiáng)度問(wèn)題。支推架是煤磨運(yùn)行中的主要組成部分，整個(gè)液壓系統(tǒng)通過(guò)支推架傳遞研磨壓力給主輥，主輥通過(guò)磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)料床上的煤質(zhì)進(jìn)行研磨。三輥的煤磨設(shè)計(jì)，壓力的均衡性能由支推架傳遞和反饋，支推架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度影響設(shè)備實(shí)際運(yùn)行，一但出現(xiàn)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定甚至停產(chǎn)。本文圍繞支推架的主要組成部分，通過(guò)Inventor有限元分析，計(jì)算出支推架的實(shí)際載荷，用inventor對(duì)支推架進(jìn)行建模進(jìn)行安全系數(shù)和等效應(yīng)力的分析，指導(dǎo)支推架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：煤磨;支推架;Inventor;有限元分析

1 引言

近代輥式磨是在20世紀(jì)出發(fā)展起來(lái)的，起源于美國(guó)，隨后不久傳到德國(guó)。隨著國(guó)內(nèi)大型基建業(yè)的發(fā)展，立磨市場(chǎng)欣欣向榮，輥式磨作為核心產(chǎn)品，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣的同時(shí)，漸漸成為水泥生料粉磨的主要系統(tǒng)。從早期60年代開(kāi)始引進(jìn)德國(guó)Loesche、Pfeiffer、Krupp Polysius、O&K等公司，日本的宇部、KHI、IHI磨機(jī)等公司，丹麥的FLS（史密斯）公司，美國(guó)的富勒、雷蒙等公司，到70年代我國(guó)天津院、合肥院、沈陽(yáng)重型機(jī)械廠等開(kāi)始主導(dǎo)自制研發(fā)，立磨經(jīng)歷了一代又一代的變革，產(chǎn)量和電耗都在不斷的突破。這些成果都源于國(guó)人不斷嘗試，不斷進(jìn)步的決心與意愿。作為磨機(jī)設(shè)備廠家中的一員，改進(jìn)提升設(shè)備性能的同時(shí)也關(guān)心競(jìng)爭(zhēng)伙伴的技術(shù)革新。磨機(jī)設(shè)備除液壓系統(tǒng)以外大部分為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行呈現(xiàn)，其最終結(jié)果應(yīng)滿足多方面的產(chǎn)品要求。通常具有使用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、工藝性和外觀造型等要求，還需改善零件的受力，以此來(lái)提高使用壽命。本文圍繞分析北電設(shè)備型號(hào)為ZGM113G的磨煤機(jī)的支推架改造項(xiàng)目，綜合了解實(shí)際運(yùn)行中三角形支推架使用過(guò)程變形情況，利用Inventor有限元分析，提供更優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

2.三角形支推架主要結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1煤磨支推架的作用

支推架的總體結(jié)構(gòu)為等邊三角形，兩端分別與磨輥和液壓拉桿連接。液壓加載系統(tǒng)的作用是把拉桿加載裝置提供的加載力作用在支推架上，支推架底部安裝有鉸軸座，可用來(lái)安裝鉸軸裝置。鉸軸裝置由鉸軸和鉸軸座組成，鉸軸穿過(guò)鉸軸座孔，把磨輥與支推架連接起來(lái)，使磨輥繞鉸軸線在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)。導(dǎo)向定位結(jié)構(gòu)安置在支推架上，主要是方便工作時(shí)進(jìn)行定位和切向力進(jìn)行傳遞。導(dǎo)向塊處間隙的調(diào)整，得以實(shí)現(xiàn)以三根拉桿軸線對(duì)正基礎(chǔ)上拉桿臺(tái)板中心為準(zhǔn)。在整個(gè)物料研磨過(guò)程中，支推架主要起到加載力傳遞的作用。整個(gè)支推架簡(jiǎn)易連接結(jié)構(gòu)如下圖（1）所示。

2.2煤磨支推架的組成

原支推架主要由外弧板，內(nèi)弧板，上板，底板，頂板，連接板1，連接板2，連接板3，加固塊等組成。原設(shè)計(jì)材料主要選用Q235A。結(jié)構(gòu)示意截圖見(jiàn)圖（2）所示。

2.3 支推架的受力分析

油缸工作時(shí)的壓力由負(fù)載決定，油液作用在活塞上的液體壓力，對(duì)于雙作用單活塞桿液壓缸來(lái)說(shuō)，活塞的受力如下圖（3）所示：

活塞伸出時(shí)候的理論推力為：

F1=A1p X106=

活塞桿縮回時(shí)候的理論拉力為：

F2=A2p X106=

原液壓缸直徑為200mm，活塞桿直徑為125mm，行程為300mm，改進(jìn)后的油缸直徑為280mm，活塞桿直徑為140mm，活塞桿行程為300mm，本次改進(jìn)北電型號(hào)為ZGM113的廠煤磨支推架按液壓缸負(fù)載最大壓力按正壓11Mpa計(jì)算，有桿腔縮回時(shí)拉力為支推桿所受的拉力。

F2=0.25×（2802-1402）×11× π ×106=507995N

每臺(tái)磨機(jī)配3個(gè)液壓缸，所以總拉力如下：

F總=507995x3=1523985N

2.4支推架的有限元分析

使用Inventor Professional 2018軟件，首先建立原支推架三維模型，用inventor進(jìn)行受力分析時(shí)候，受分析對(duì)象需為實(shí)體，不帶有曲面結(jié)構(gòu)，首先把已完成的inventor iam文件轉(zhuǎn)化為單實(shí)體的ipt結(jié)構(gòu)。另外需給零件賦予一種材料，每種材料對(duì)應(yīng)的物理性能如變形量、變形系數(shù)、所承受的應(yīng)力不一樣。原設(shè)計(jì)采用Q235A材料，我們?cè)趇pt文件中勾選相應(yīng)的材質(zhì)即可。若材料庫(kù)中沒(méi)有你想要的材料，需要在網(wǎng)站上下載相應(yīng)的材料庫(kù)補(bǔ)充進(jìn)去。對(duì)支推架進(jìn)行受力分析之前，還須充分了解它的使用工況，確定好固定面和受力面，支推架底部連接鉸軸裝置，設(shè)定底部連接面為固定面，固定塊位置連接液壓連桿裝置，固定塊連接面設(shè)置為受力面。三維模型和受力約束示意圖見(jiàn)圖（5）所示。完成約束條件以后，給支架加載荷F總為為1523985N，利用軟件分析得到的等效應(yīng)力結(jié)果與支推架安全系數(shù)結(jié)果如圖（6）所示。分析結(jié)果顯示，應(yīng)力主要集中在外弧板、內(nèi)弧板、上板、下板、連接件和加固塊位置（紅色和黃色區(qū)域），局部外弧板的最小強(qiáng)度K為0.33，最大強(qiáng)度K為15，安全強(qiáng)度數(shù)值太低，最小承受壓力為0Mpa，最大承受壓力為538.6Mpa。支推架在使用過(guò)程過(guò)，由于安全系數(shù)太低，以及部分受力超過(guò)Q235A的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，造成支推架使用過(guò)程中發(fā)生變形或斷裂的情況。綜合Inventor的受力分析結(jié)果，設(shè)計(jì)考慮在外弧板、內(nèi)弧板，上板、下板、連接板和加固塊進(jìn)行加強(qiáng)優(yōu)化。

2.5.支推架改進(jìn)方案

增加支推架強(qiáng)度主要從結(jié)構(gòu)，材質(zhì)和板厚進(jìn)行考慮，經(jīng)過(guò)數(shù)十次受力方案對(duì)比，最終選擇以下方案為最優(yōu)方案。整個(gè)支推架材質(zhì)從原來(lái)的Q235A改為Q345B，針對(duì)Inventor有限元分析結(jié)果，對(duì)外弧板，上板，下板、連接件和加固塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，上板厚度由原來(lái)的30mm改為40mm，三邊外弧板由原來(lái)的16mm改成30mm，底板由原來(lái)的30mm改成40mm。大框架整改完畢以后進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)連接板2和加固塊的安全強(qiáng)度K=1.4左右，單純加厚板厚也不能有效改善應(yīng)力集中，于是針對(duì)連接件2和加固塊進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化。經(jīng)過(guò)幾次的尺寸嘗試，發(fā)現(xiàn)連接件2倒角太銳利，將5mm的倒角改為R60的圓角，厚度從10mm改成15mm，受力分析及改善后的設(shè)計(jì)如圖（7）所示，K值從1.4上升到2.0。加固塊更改外形尺寸，厚度從45mm改成80mm，底端厚度從40mm改成60mm，內(nèi)部圓角從5mm改成10mm。所有零件修改完畢以后，用Inventor軟件重新分析受力結(jié)果如下圖（8）所示。

安全系數(shù)顯示最小K值上升為2.07，最大為15，最小受力為0Mpa，等效應(yīng)力分析最大受力降為171.8Mpa，根據(jù)機(jī)械手冊(cè)第一卷鋼鐵材料的分類與技術(shù)條件中如下圖（9）所示，查得材料為 Q345B的屈服點(diǎn)為345Mpa。K=345/171.8>2，符合萊歇的技術(shù)強(qiáng)度要求。

所以對(duì)于仿真驗(yàn)證的結(jié)果顯示設(shè)計(jì)更改解決了安全強(qiáng)度不滿足要求的情況。將來(lái)類似磨型支推架的技改項(xiàng)目都可按此方式進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

3.結(jié)論

本文以ZGM 113G 北電煤磨的支推架為例，主要研究在液壓缸增大，負(fù)載加大的情況下，支推架的改進(jìn)設(shè)計(jì)。利用Inventor 2018 Professional受力分析軟件對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，針對(duì)上板、下板、外弧板、連接件，加強(qiáng)固塊的強(qiáng)度系數(shù)不滿足要求，最低處達(dá)到0.33，依據(jù)軟件分析的薄弱點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度材料上進(jìn)行改進(jìn)，最后滿足強(qiáng)度系數(shù)K>2的要求。機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)過(guò)程中除了增加板厚和改變材質(zhì)以外，圓角也起到很大的作用。如本文所示的連接板3和加固塊，都為軟件分析得到的最小應(yīng)力處，通過(guò)把倒角改成圓角或者增大圓角，有效改善應(yīng)力集中情況。機(jī)械連接件本身的圓角對(duì)于結(jié)構(gòu)件影響較大，通過(guò)調(diào)整局部圓角設(shè)計(jì)，有效改善支推架的受力情況，將來(lái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，可以多多考慮通過(guò)改善圓角提升結(jié)構(gòu)性能。

Inventor2018 Professional是一款具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的軟件，在日常結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單模擬加載分析受力情況，了解結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)有針對(duì)性的加強(qiáng)，避免強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足造成的缺陷，避免設(shè)計(jì)過(guò)充裕造成材料浪費(fèi)。尤其在國(guó)內(nèi)技改項(xiàng)目較多的情況下，我們需對(duì)充分了解原設(shè)計(jì)的使用工況和受力情況，通過(guò)技改前后的模擬受力分析對(duì)比，有的放矢的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，提高設(shè)計(jì)可靠性。Inventor2018 Professional軟件的模擬工況分析，我們可以在結(jié)構(gòu)件和材料上反復(fù)嘗試，力求找到最可靠最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案，為設(shè)計(jì)工作者提供有效的設(shè)計(jì)判斷依據(jù)。

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