Φ4000mm×6000mm溢流型球磨機(jī)設(shè)計(jì)

李 劍

(中國(guó)有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司 新廠建設(shè)指揮部， 遼寧 沈陽 110141)

Φ4000mm×6000mm溢流型球磨機(jī)設(shè)計(jì)

李 劍

(中國(guó)有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司 新廠建設(shè)指揮部， 遼寧 沈陽 110141)

本文是針對(duì)MQY4060系列球磨機(jī)(Φ4000 mm×6000 mm)的設(shè)計(jì)計(jì)算。通過各項(xiàng)計(jì)算，確定了筒體轉(zhuǎn)速、磨機(jī)裝球量，作用于主軸承基礎(chǔ)的垂直力和水平力。同時(shí)對(duì)端蓋與筒體聯(lián)接螺栓進(jìn)行了計(jì)算，以確保各主要零部件的設(shè)計(jì)造型滿足用戶需求。

球磨機(jī)；筒體轉(zhuǎn)速；裝球量；強(qiáng)度計(jì)算

1 磨機(jī)筒體轉(zhuǎn)速的確定

磨機(jī)筒體轉(zhuǎn)速?zèng)Q定磨機(jī)球介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直接影響磨機(jī)的磨礦效率，因此在磨機(jī)設(shè)計(jì)過程中，首先確定磨機(jī)的工作轉(zhuǎn)速。當(dāng)磨機(jī)球介質(zhì)隨其筒體運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，最外層球介質(zhì)在筒體內(nèi)開始和筒體一起回轉(zhuǎn)，不離開筒壁，這時(shí)的筒體轉(zhuǎn)速就是磨機(jī)臨界轉(zhuǎn)速。為使球磨機(jī)正常進(jìn)行磨礦工作，其轉(zhuǎn)速必須小于磨機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速，也就是球磨機(jī)的球介質(zhì)處于拋落狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，對(duì)筒體內(nèi)的礦物進(jìn)行粉碎研磨。實(shí)現(xiàn)這種工作狀態(tài)的工作轉(zhuǎn)速有很多，但根據(jù)球磨機(jī)結(jié)構(gòu)布置及球介質(zhì)磨礦效率最大化要求來確定球磨機(jī)最有利的工作轉(zhuǎn)速。

1.1 臨界轉(zhuǎn)速

(1)

公式(1)中，D為球磨機(jī)筒體有效直徑，取襯板厚度為0.11 m，故D=4-2×0.11=3.78 m，代入公式(1)中，可求得nkp=21.8 r/min。

1.2 筒體轉(zhuǎn)速

以《碎礦與磨礦》[1]書中得出的結(jié)論：

(1)根據(jù)理論計(jì)算每一充填率都對(duì)應(yīng)有一決定極大需用功率的轉(zhuǎn)速，充填率愈大，需用功率達(dá)到極大值時(shí)所需的轉(zhuǎn)速愈高。

(2)實(shí)際上由于球荷沿磨機(jī)筒體內(nèi)表面滑動(dòng)，故需用功率達(dá)到極大值時(shí)的轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)大于理論所計(jì)算的。

(3)為了便于磨機(jī)有最高的效率，從生產(chǎn)的觀點(diǎn)來看，在任何情況下磨機(jī)均不應(yīng)以低于根據(jù)所采用的率填率而算出的理論轉(zhuǎn)數(shù)來工作。

現(xiàn)取磨機(jī)工作時(shí)充填率φ=40%，則其相應(yīng)的最大功率轉(zhuǎn)速φ=80%nkp，故：

n筒體=0.8×21.8=17.4 r/min，取17 r/min。

2 磨機(jī)工作裝球量和計(jì)算球荷量

(1)磨機(jī)工作容積

VM=π/4·D2·L

(2)

公式(2)中，L為筒體的有效長(zhǎng)度，L=6 m，代入公式(2)中求得VM：

VM=π/4×3.782×6=67.33 m3，取VM=67.5 m3。

(2)工作裝球量

取充填率φ=40%，球的比重為4750 kg/m3。

則G1=4750×0.4×67.5=128250 kg，取128000 kg。

(3)計(jì)算負(fù)荷量

為了確保磨機(jī)工作時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)性，計(jì)算球介質(zhì)負(fù)荷時(shí)設(shè)計(jì)要有足夠的安全系數(shù)，在計(jì)算磨機(jī)強(qiáng)度時(shí)取磨機(jī)的球介質(zhì)充填率為最大值，即φ=50%進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。故：

G1=4750×0.5×67.5=160312.5 kg，取160000 kg。

3 磨機(jī)主要部件受力計(jì)算

這里球磨機(jī)主要部件受力計(jì)算是指磨機(jī)筒體的受力計(jì)算、主軸承承載計(jì)算和齒輪受力計(jì)算，以方便對(duì)軸承、齒輪以及筒體法蘭與端蓋連接螺栓的校核計(jì)算。

3.1 磨機(jī)筒體受力計(jì)算

作用在磨機(jī)筒體的力有：筒體(包括齒輪、襯板)的重量G0，它是通過筒體中心垂直向下作用；與筒體一起做圓周運(yùn)動(dòng)的破碎介質(zhì)和物料的重量及離心力；做拋物線運(yùn)動(dòng)的破碎介質(zhì)和物料落下后對(duì)筒體的沖擊力(對(duì)于濕式磨機(jī)，由于筒體內(nèi)有礦漿，球載拋落時(shí)的沖擊被礦漿和球載所吸收，傳到筒體的已經(jīng)很小，因此可以不予考慮)；此外，還有齒輪傳動(dòng)的圓周力，一般計(jì)算時(shí)可以不予考慮。

因此，對(duì)于濕式磨機(jī)筒體上受力，只考慮筒體自重G0，作圓周運(yùn)動(dòng)的破碎介質(zhì)G1和物料的重量G2，及離心力P。

前面已計(jì)算的球介質(zhì)負(fù)荷G1=160000 kg。礦漿和物料的重量G2取球介質(zhì)負(fù)荷的0.14倍，因此物料(含礦漿)重量G2=160000×0.14=22400 kg。

物料和球荷產(chǎn)生的離心力P由公式(3)求得：

(3)

公式(3)中，R為筒體有效半徑，R=1/2·D=1.89 m；代入后，得：

重力和離心力之合力R可由式(4)求得：

(4)

這樣，作用在筒體上所有力的合力Q，見圖1。

圖1 筒體所受合力示意圖

(5)

公式(5)中G0為筒體重量，設(shè)計(jì)中G0取140000 kg；代入后計(jì)算，得：Q=312720 kg。

合力Q和離心力P的水平與垂直分力：

Qx=Q·sinα=312720·sinα=53655 kg
Qy=Q·cosα=312720·cosα=308085 kg

3.2 兩端主軸承支承載荷計(jì)算

兩端主軸承除了承受筒體載荷外，還有來自由大小齒輪傳遞到筒體上的力以及大齒輪的重量，見圖2。

(6)

圖2 齒輪傳動(dòng)傳遞筒體上的受力圖

設(shè)計(jì)中，主電機(jī)功率為1600 kW，可得小齒輪的額定轉(zhuǎn)矩T1：

根據(jù)大小齒輪分度圓半徑可算出圓周力Ft：

Py=Ft·cosφ=225200 N=22520 kg

Px=Ft·sinφ=49900 N=4990 kg

兩主軸承在垂直平面內(nèi)受力情況見圖3。

圖3 軸承在垂直平面內(nèi)受力示意圖

其中，A、B兩處為主軸承的支承點(diǎn)，由力矩平衡可得：

(7)

公式(7)中N1為進(jìn)料部重量，34500 kg；N2為大齒輪重量，26000 kg；N3為出料部重量，35000 kg；各值代入后，可得：

NAy=187345 kg

NBy=34500+308085+26000-22520+ 35000-187345=193720 kg

兩主軸承在水平平面內(nèi)的受力情況見圖4：

圖4 軸承在水平平面內(nèi)受力示意圖

以B點(diǎn)為軸，由力矩平衡，可知：

(8)

求得NAx=27195 kg；根據(jù)力的平衡原理，有

NBx=Qx+Px-NAx=21450 kg；

這樣，兩主軸承承載合力：

A處軸承：

(9)

B處軸承：

(10)

4 主軸承驗(yàn)算[2]

設(shè)計(jì)中，主軸承的直徑為1600 mm、寬度820 mm，對(duì)作用于軸瓦上的單位壓力進(jìn)行校核驗(yàn)算，驗(yàn)算公式見公式(11)：

(11)

式中p—軸承單位面積上的壓力；Rmax—軸承上的最大載荷，即前面計(jì)算的軸承承載合力；F—軸承在水平面的投影面積； [p]—許用壓力，[p]=1500000～2000000 kg/m2。

軸承在水平面投影面積F按公式(12)計(jì)算：

F=l·d·sinθ

(12)

式中l(wèi)—軸承寬度，m；d—軸承直徑，m；θ—軸頸與軸瓦接觸包角之半，根據(jù)要求規(guī)定2θ取75～90°，這里取θ=37.5°，這樣可算得F=0.7987 m2。

由于B處軸承載荷大于A處軸承載荷，故只校核B處軸承即可。

B處軸承單位壓力p計(jì)算如下：

可知，此設(shè)計(jì)作用在軸瓦上的單位壓力滿足使用要求，是安全可靠的。

同時(shí)對(duì)pv特性進(jìn)行校核，pv值不得大于2000000～2500000 kg/m2· m/s。其中v為軸瓦的線速度，根據(jù)磨機(jī)轉(zhuǎn)速和軸瓦直徑可計(jì)算出v=1.42 m/s。

pv=245725×1.42=348930 kg/m2·m/s

pv特性值也滿足使用要求，設(shè)計(jì)可行。

5 筒體法蘭與端蓋連接螺栓的計(jì)算

球磨機(jī)的筒體是通過筒體法蘭和端蓋用連接螺栓聯(lián)接起來，并通過中空軸頸支承在主軸承上，連接螺栓不僅要根據(jù)強(qiáng)度選擇，而且還要注意筒體法蘭與端蓋接觸的緊密性，為此螺栓之間的距離不應(yīng)超過螺栓直徑的10倍。

連接螺栓要受到作用在筒體上的合力Q的作用，另外還受到螺栓處在圓周切線方向上的圓周力的作用，此外接合處還受到彎曲力矩的作用。因此，處在端蓋下部的螺栓同時(shí)受到彎曲和剪切作用。為了簡(jiǎn)化螺栓的計(jì)算，只把剪切力作為作用力來考慮，把彎曲力矩的作用考慮在減低許用應(yīng)力以內(nèi)。

合力Q沿筒體長(zhǎng)度均勻分布，則每邊端蓋的連接螺栓受力P1為：

在螺栓配置圓周半徑R0切線方向的圓周力P0與前述計(jì)算大小齒輪圓周力Ft大小相等，即P0=230650 N=23065 kg。

一邊端蓋的連接螺栓受到的剪切合力則為：

這樣，每個(gè)螺栓的剪切應(yīng)力：

(13)

式中k—螺栓鎖緊不均勻系數(shù)，k=0.5；m—每邊端蓋的連接螺栓的個(gè)數(shù)；d—螺栓直徑， mm； [τ]—螺栓的許用應(yīng)力，[τ] =(0.2-0.3)σT，σT為材料屈服極限，對(duì)鍛鋼45來說，σT=37 kg/mm2，取[τ] =0.2σT=7.4 kg/mm2。

初步設(shè)計(jì)一邊端蓋的連接螺栓數(shù)目為64個(gè)，由此可得螺栓最小直徑：

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，最后設(shè)計(jì)中選用GB5782—2010螺栓，螺栓直徑M42，圓周數(shù)量為62個(gè)，完全滿足計(jì)算要求。

6 結(jié)論

通過計(jì)算，認(rèn)為該球磨機(jī)主要零部件均符合設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。目前該球磨機(jī)連續(xù)多年出口到俄羅斯，已有近20臺(tái)投入使用?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定、工作正常、狀態(tài)良好，滿足了用戶的使用要求。

[1] 段希祥.碎礦與磨礦[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

[2] 周恩浦.礦山機(jī)械(選礦部分)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1979.

DesignofΦ4000mm×6000mmGrateBallMill

LI Jian
(New plant construction headquarters, NFC (Shenyang) Metallurgy Machinery Co., Ltd. Shenyang 110141, China)

This article introduces design and calculation for MQY4060 series Grate ball mill, confirms the cylinder revolving speed, quantity of steel balls, the vertical force value and the horizontal force value on the base of main bearing. At the same time, the bolts connected the end cover and the cylinder are calculated, in order to ensure that the design of main parts to meet customer need.

ball mill；barrel revolving speed；quantity of steel balls；strength calculation

2014-01-10

李 劍(1981-)，男，山西河曲人，助理工程師，大學(xué)本科，主要從事技術(shù)質(zhì)量工作。

TD453

B

1003-8884(2014)02-0019-04