大型球磨機設計思路及注意事項
摘要
隨著現代工業化的發展，機械生產越來越大型化，批量化，小規模生產已經不能滿足現在生產的需要，大型球磨機應運而生，采礦工業中各種磨機都在向大型化方向發展，本文介紹了球磨機大型化后工作狀態的變化及其對設計的影響，論述了大型化要求更加準確而可靠地分析磨機結構的原因，工作應力的影響因素和設計標準的掌握，介紹了驅動系統、齒輪結構及無齒輪(環型電機)傳動裝置、動靜 承、滾筒篩等大型化后部件設計的變化和新的設計思想，以及在大型球磨機上采用的三維有限元負荷分析模型。
關鍵詞：球磨機，大型化，設計，應力分析，設計思路
采礦工業中各種磨機都存在著大型化的趨勢。開采大規模、低品位礦床時減少基本投資和生產成本的要求造成了這個趨勢。這使得工廠流程配置系列更少，處理能力更高，許多情況下只有一個系列。這就要求更高的可靠性，從而要求更嚴格的設計、制造和質量保證措施。自磨機、半自磨機和球磨機規格增大時通常都會遇到一定的設計問題，這些問題對球磨機影響更大，因為：
（1)與自磨機和半自磨機相比，球磨機直徑通常相對于其長度更小(也就是徑長比較小)；
（2)與自磨機和半自磨機相比，球磨機的負荷密度較高；
（3)球磨機比自磨機和半自磨機更經常地使用橡膠襯板。球磨機規格的不斷增大要求更準確更可靠地分析磨機結構(耳軸、端蓋、磨機筒體斷面和這些部分之間的聯接)，其原因是：
①因為投入的基本投資高，要求的利潤率高和工廠多余設施少，所以要求更高的可靠性；
②增大規格也增大了制造強度(例如 尺寸的鑄件和機加工能力等)。因此，規格不能無限制地放大，必須限制斷面尺寸和厚度，總應力大小只能向設計極限靠近；
③隨著規格的增大，象人孔那樣具有非軸對稱特性的應力增大，因此需要更嚴格地分析這些應力特性；
④增大規格后，要求磨機由很多用螺栓聯接的構部件構成。這時螺栓聯接包括徑向端蓋聯接和縱向法蘭聯接(也是非軸對稱結構)，以及圓周方向的端蓋和筒體聯接；
⑤以齒輪驅動的特大規格球磨機使用大的凸形齒輪，這對磨機主體結構應力會有明顯影響。因此，這些齒輪設計需要作為磨機主體分析的一部分來處理，要詳細地了解齒輪及其負荷對磨機主體結構的影響。通常對齒輪單獨進行分析。
隨著球磨機規格的增大，合適應力極限的選擇變得更為關鍵，要求更詳細地予以考慮。需要考慮的因素有：
（1)分析應力的精度和分析應力與視在實際工作應力值的關系；
（2)特大型鑄件實際可達到的制造質量和在堅固基礎上的安裝質量；
（3)由制造過程導致的各種剩余應力的影響；
（4)表面加工的影響；
（5)制造公差的影響。
在特大型球磨機中，這些影響一般都要求降低設計極限。例如，在鑄件非常大的情況下，采用較高的應力極限，還必需達到較高的制造標準。這也許能做到，但也可能增大不用鑄造的險，從而對制造過程產生影響。于是，實際處理方法是，在假設有關制造質量可以達到的前提下，選擇計極限。因此，較大磨機規格的影響一般都會增加工作應力并降低設計應力極限。因此，制造完成的磨機在許多位置處的應力都比老式小磨機更接近標稱應力極限。 ANI參考已實施的疲勞設計有關標條文(如BS7608)，并進行專門的疲勞力學評估，以確定制造技術規范與設計標準的關系，在疲勞和斷力學試驗基礎上制訂了應力極限。
1、驅動系統
球磨機驅動系統的設計在許多方面比自磨機和半自磨機困難。這是由于球磨機直徑一般較小，因此在一定的輸入功率下，磨機外殼上的切向力較大，雖然這個影響被球磨機的較高轉速抵消了一點。從下表可以看出，在相同的安裝功率和臨界轉速率下，球磨機的切向力比半自磨機大約高22%。雖然這個差值與外形尺寸和設計的負載性質密切相關，但估計力的誤差在15～30%范圍內是合理的。這表明球磨機齒輪設計有其特殊性，即與半自磨機功率相同的球磨機齒輪必須更大些。齒輪尺寸可以從兩個方面改變，以優化設計—齒面寬度和齒輪斷面的深度。
一般來說，希望將齒面寬度限制在大約970mm。齒輪嚙合面寬度更大會難以校準而影響操作。必須增加齒輪斷面深度以獲得合理的齒面面積，結果有的球磨機齒輪深度/凸出程度變得非常大。然而，隨著齒輪斷面深度的增大，齒輪軸向結構變得更加復雜，可能產生更高的齒輪結構應力和更高的齒輪與磨機聯接螺栓負荷。
簡單地說，齒輪本身成為一個主要的結構部件，需要對它進行詳細的應力分析和螺栓聯接設計，以及常規的齒輪設計計算。例如對于大型齒輪，有必要將齒輪結構布局(輻板、輻孔等)與齒輪和磨機螺栓排列相結合，以保證螺栓聯接有效地傳遞負荷。這大大增加了設計初期需要的調整。
磨機齒輪一般有兩種基本結構形式。最普通而有效的是T型斷面形式。然而，在斷面剛度存在問題的情況下，通常采用Y型斷面形式提供更大的扭轉剛度，從而減少輪緣的軸向位移。在切向和徑向齒負荷作用下，由于具有更好的局部輪緣支承，它也可提供較高的齒剛度。
上固定安裝三個或更多個紅外線測溫儀，提供早期位置偏差問題和潤滑問題報警。該系統還可以提供局部和/或遠程溫度變化情況和 接觸溫度指示，需要時帶有報警器。如果需要，在線齒輪監測器還可以與控制室和工廠計算機連通。對功率超過了可由齒輪有效傳遞極限的特大型球磨機，現正考慮采用無齒輪驅動或環型電機驅動。這些特殊驅動方式在采礦工業大型半自磨機上已更普遍地獲得應用，并且通常需要變速。盡管這些驅動方式的特殊設計考慮對所有類型的磨機都是類似的，但對無齒輪驅動來說，還有一些特點需要詳細分析。
（1)分析整個系統的剛度———必須確保轉子/磨機/軸承系統相對于定子/軸承座/基礎系統有足夠高的剛度，能有效地防止由于電機空氣隙偏差和偏心造成的動態不穩定；
（2)磨機本身的結構必須能承受由裝在磨機上的轉子電極重量和空氣隙偏差產生的徑向負荷所引起的驅動系統高負荷；
（3)必須對維護予以特別的關注，尤其是驅動端襯板螺栓附近。
2、磨機軸承
隨著球磨機規格的增大，必須研制可承受極高負荷的經濟有效而可靠的軸承系統。此外，軸頸直徑也隨磨機規格的增大而增大。因此，軸承系統需要能經受由更高負荷和更大軸頸共同產生的大軸頸變形。這使得靜 承或靜動壓混合軸承獲得非常普遍的認可(在這些負荷極大的情況下，純動 承通常是不合適的，因為這類軸承的油膜非常薄)。
隨著應用條件的不同，靜 承可以有不同的形式。例如，巴氏合金可以是白合金或青銅。承載組件可以是具有不同配置的分離靴或帶有高壓室的滑瓦組件的形式。這些軸承的液壓系統必須是高可靠性的、易于維護的，必須具有向軸承提供足夠潤滑油的能力，以便在發生電源故障時使磨機安全停車。
因為球磨機比自磨機和半自磨機具有更低的徑長比，球磨機軸承支承處的軸線偏轉通常更大。因此，必須在磨機的整個壽命期內保持支承軸承的球型座正常工作。為此，ANI為其磨機的球型座自動壓力潤滑制訂了標準。
軸承座和相關的底部墊板也是主要部件，它在支承磨機中起著關鍵作用。隨著球磨機規格增大，這些部件也可能變得很關鍵，特別在可能發生超負荷的地點，如磨機被安裝在地震活動區。在這些情況下，為適應與地震現象有關的非常高的橫向和軸向負荷需要進行專門設計。由于安裝了磨機裝載量自動監測負荷傳感器，這些特殊部件的設計進一步復雜化了。
3、相關的部件
大型球磨機經常帶有滾筒篩，用以篩分磨機排料。隨著球磨機規格的增大，滾筒篩也相應地從較小的結構件變成非常大的旋轉部件，可以比10～15年前制造的許多磨機整體都大。
另外，大型磨機的操作要求也不同于先前應用的磨機。例如，除非定期更換或改進整個滾筒篩，操作者現在經常要求滾筒篩結構是不變的，并裝有可拆卸的篩板，可由一個操作者容易地更換。這就使得兩個人 內就可完成滾筒篩的修理，且不需要重型起重設備。
用于滾筒篩的結構框架傳統由矩形鋼骨架組成，一般使用正方形或矩形中空斷面元件。篩板直接安置在鋼結構上。然而，這種結構不能滿意地 今天磨機所要求的大型滾筒篩問題，其原因是：
（1)矩形骨架的結構能力較差，因此大型滾筒篩要求的構件尺寸過大；
（2)骨架中的 應力位置處在焊接位置的連接處，它具有不良的疲勞特性；
（3)在使用中空斷面構件的位置處，焊縫僅是單面的，這又是不良的疲勞特性；
（4)金屬厚度一般只有6～9mm，因此構件，特別是連接處的抗腐蝕和抗磨損能力非常弱；
（5)腐蝕似乎大部分發生在連接處，導致滾筒篩架此處的結構脆弱；
（6)大尺寸構件減少了篩子有效面積，防礙了物料通過滾筒篩。對于這種形式的大型滾筒篩，整個結構的篩孔面積可能減少到50%以下，意味著為了獲得同樣有效的篩孔面積，滾筒篩總尺寸需要加 。
幾年前ANI決定拋棄在先天不足的設計方法基礎上改進或滾筒篩的想法，重新研制全新系列的大型滾筒篩，新設計全部由20mm板壓成的三角形框架組成，框架覆蓋有橡膠或聚氨酯。篩板與結構框架隔離，因此滾筒篩由懸掛在框架內的篩板形成圓筒形。還對滾筒篩進行全面分析，以校核框架和有關結構元件的疲勞設計。
4、分析能力
隨著有限元分析技術和能力的發展，球磨機應力分析技術在過去10～15年里有了引入注目的變化。這一迅速發展已使得能對磨機結構進行準確而可靠的分析。然而，分析技術日益深奧復雜又要求在分析過程中更加認真和嚴密。
磨機結構分析的關鍵是要有一個明確的設計思想，這就需要將磨機設計負荷和設計標準與可能的磨機操作設計條件緊密結合起來。同時還要考慮實際上能夠達到的分析精度和制造質量。
在過去十年間，ANI使用大型三維有限元模型進行磨機分析。這一模型有下列優點：
（1)可以很好的直觀表示磨機結構，并指出模型的準確性和可靠性。
（2)可以直觀顯示磨機形變和比較分析形變圖形與希望值的差別。在初期工作中，為 分析結果，使用小型物理模型可獲得磨機在負荷下實際形變的全面了解。
（3)可以直觀顯示磨機圓周上的應力。因為關鍵是確定應力范圍而不是 應力值，所以了解和評估磨機圓周上的應力變化就非常重要了。
（4)能夠細致地將非軸對稱結構(如人孔和徑向連接)模型化，這比二維軸對稱模型具有更高的準確性和可靠性。
（5)能夠進行非線性分析，以研究螺栓聯接、插口等處的特殊行為。
作用于磨機上的負荷不能被明確地模型化，這是由于礦石、礦漿和球荷都分別作用在磨機上。因此，必須以簡化方法，對整個運動負荷的作用建立模型。類似地，也不能很容易地對磨機襯板的作用建立模型，因為襯板互相之間和襯板與磨機之間存在大量的不連續性。因此，磨機結構的模型化必須考慮磨機襯板對磨機性能的全部影響。
5、注意事項
要注意不同形式的襯板對磨機性能的影響有很大差別。球磨機現在通常采用橡膠襯板，甚至在特大規格的磨機中。然而，作為設計過程的一部分，必須考慮將來安裝鋼襯板的可能性。例如，用橡膠襯板代替鋼襯板，雖然減小了總負荷，使磨機結構中某些區域的應力減小，但其他位置的應力增大。象這樣改變襯板已導致了幾次磨機故障發生。如果所有輸入參數都準確，有限元分析可以非常精確。耳軸、端蓋和筒體部分使用的材料性質可以以較高的精度確定，但整個磨機負荷的影響和各種襯板元件的影響卻不能以同樣的準確性確定。
6、結語
因此，必須進行詳細的現場監測，以確保將現場測得的實際應力范圍與分析模型預測值對比，從而證實負荷影響和襯板影響假設的合理性和準確性。ANI為此目的已進行了廣泛的磨機現場監測，將應變儀數據與分析結果相比較，以修正模型技術。事實上，ANI已將運轉磨機的現場監測，和與操作參數相應的磨機分析結果的特殊相互關系的處理程序，作為其研究與開發工作的一部分。在對安裝功率 達9000kW磨機的現場監測中，這一程序的特定目的是確保分析模型、負荷假設和技術隨著磨機規格的增大而始終保持正確。