球磨机设备设计缺陷及改进

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Design Defects and Improvement of Bali M illsDENG Da--guo(Concentration Plant of Baotou Steel(Group)Corp.，Baotou 014010，Nei Monggol，China)Abstract：In the article，the faults caused by the typical design defects of bal mils in Concentration Plant are analyzedas well as the defects are classifed，analyzed and summarized.Moreover，the methods of improving the defects are proposedand applied in the production practices as well as the effects are beter。

Key words：bal mils；faults；improve洋厂球磨机设备大多是 60、70年代设计生产，球磨机根据厂家不同，可分为苏式球磨机、富重球磨机、长筒球磨机，在球磨机的不同部位存在着不同的设计缺陷，经过分析，逐步改进了这些设计缺陷，减少了由此造成的设备故障，创造了很好的经济效益。以下对球磨机设备典型设计缺陷所造成的故障现象、故障分析及改进举例说明。

1 大齿圈接头设计缺陷及改进球棒磨机大齿圈为两半对开齿圈，组成整体后用螺栓固定在排矿端法兰上(图1)。在长筒磨机运转过程中，经常出现大齿圈在接头处的-个齿牙从齿根处沿全长断裂，被迫更换大齿圈，近年已报废 2个大齿圈，损失80万元以上，而且严重影响设备的稳定运行。

图1 长球磨机半齿圈接头组合示意图1.1 问题分析长筒型球磨机的大齿圈接头形式为斜止口对收稿 日期：2012-12-28作者简介：邓大国(1973-)，男，四川省乐至县人，机械工程师，现从事设备检修技术工作。

第 1期 球磨机设备设计缺陷及改进 37接，其-半齿圈接头端面结构示意见图2。

图2 长球磨机半齿圈接头端面图经过仔细分析断裂部位，发现在大齿圈接头处存在-个退刀凹槽，此退刀槽是为了加工斜止口方便，设计出的退刀凹槽。使接头处的齿牙根部强度明显减弱，以致造成大齿牙齐根断裂。

此处齿牙强度计算如下：齿根处横截面为矩形，厚度为 100 mm，抗弯截面模量 W b·h2/6：800×100 /61.33 m；扭矩即为弯矩M T9 550×P/n9 550×l 250/16.7 714.82 kN ·m：产生的弯曲拉应力 M/IV714.82/1.33537.45 kN ·m。

式中： 为抗弯截面模量，m。；b为横截面宽度，mm；为横截面厚度，mm；肘为作用于梁上的扭矩，kN·m；P为 电机功率，kW；n为磨机筒体转速，r/min；Or为弯曲应力，kN/m2。

1.2 改进设计长球磨机大齿圈接头就是因为在大齿圈设计时，为了制造方便，设计了退刀槽，使接头处的齿牙根部强度明显减弱，而且在退刀槽根部处也造成了应力集中，由于大齿圈齿牙受脉动循环应力作用，久而久之，造成大齿牙齐根断裂。这是在设计时没有考虑到运行实际情况而形成的设计缺陷，去掉退刀槽可避免此缺陷。为了增加大齿圈根部强度，需将大齿圈根部退刀槽去掉 J，经与其它球棒磨机大齿圈接头形式比较，仍然可以采用鱿削加工～大齿圈根部退刀槽去掉后，齿牙强度计算如下：齿 根处 横截 面仍 为矩 形，但 厚度 增 加到150 mm」弯截面模量 6·h2/6 800×150 /6 2 m扭矩即为弯矩M T9 550×P/n9 550×1 250/16.7 714.82 kN ·m：产生的弯曲拉应力 M/IV714.82/2357.41 kN/m 产生的弯曲拉应力减小了40%。

可见齿根抗弯强度增加，可有效避免大齿圈的齿牙齐根断裂报废。

1.3 效益评价经过改进后，避免了大齿圈的齿牙齐根断裂报废，避免了较大的经济损失。同时也减少了加工退刀槽的工序。根据修改的底图订货，直接安装使用，可使寿命延长2倍。经济效益十分可观。

2 进出料筒长度设计缺陷及改进球磨机大修周期-般为4-5年，但在设备检修实践中，我们发现实际球磨机在运行2～3年后就需要大修，主要是由于球磨机进出料大端盖内部局部磨损变薄需要更新 ，造成进出料大端盖提前报废。

2.1 问题分析球磨机的进出料筒是为了保护磨机进出料端盖不受矿浆磨损的，设计时往往设计的与镶铺衬板平齐，但实际上这并不能有效地保护端盖。经过仔细观察进出料端盖的磨损情况，我们发现，当端衬板与进出料筒棱边磨损后，矿浆在进出料端盖局部堆积流动，于是，在进料端盖进口处偏右下方有-个较大的磨损坑，而在出料端盖出口处偏左下方有-个较大的磨损坑，见图3。使进料大端盖和出料大端盖由于局部磨损，强度不足而提前报废。因此需要重新组装简体，更换进出、料大端盖，导致球磨机大修周期缩短，损失较大经济效益♂合矿浆在进出料端盖及简体内的流动情况，这是-个流体力学的体现。

端进出料端盏中心线图3 进出料筒改进前后示意图38 包钢科技 第39卷设计时都认为：矿浆有流速，有-定的前冲量，于是进出料筒与衬板平齐即可。但由于在给矿端，矿浆浓度大，运动粘度大，前冲量并不大，而且受简体内矿浆及钢球旋转的横向力作用，矿浆并不能平滑的被送到简体内◇浆受力的作用见图4。

挤压力推力重力图4 进出料筒处矿浆受力图原先只是习惯性地认为矿浆受矿浆的推动力和矿浆重力的影响，实际上矿浆在进人筒体内部时，还受到-种力的影响，即简体内矿浆及钢球旋转的横向挤压力，所以矿浆所受力为-个三维空间力，矿浆并不能平滑的被送到简体内。而是在筒体衬板与端衬板之间堆积后再推挤到简体内，在实际现象中也印证了这-点。在出料端盖的矿浆情况也与之相似。

2.2 改进设计根据分析，将进出料筒加长可以解决，见图 3。

加长的数值受磨机端衬板与简体衬板镶铺空间的限制，不能加的太长，加长了影响筒体衬板的镶铺，太短了，不能较好地将矿浆送到简体内。因此，加长的长度应稍大于端衬板的厚度即可，由于端衬板厚度为60 mm，所以加长长度为70～80 mm左右。

2.3 效益评价经过改进后，避免了磨机进出料筒在局部磨出大坑的现象，进出料大端盖磨损比较均匀，使大修周期延长，节约了备件费用和大修费用总计 30万台。

3 洋机械设备设计缺陷分类说明3.1 单-性思考设计缺陷长筒磨机大齿圈接头设计缺陷是没有考虑设备相关的使用、维护、检修过程而出现的问题，而导致的设计缺陷，可称之为单-性思考设计缺陷。这类设计缺陷导致的故障有较明显的现象，往往是使用过程中负荷过大，润滑或密封不良引起，需要从零部件强度、刚度耐磨性方面校核找出原因，才能较好的改进。在常见设备中单-性机械缺陷比如没有考虑齿轮齿根处由于运转的振动，引起应力集中，造成疲劳打齿、断齿事故，所以齿轮类零件齿根圆弧不能太小，需适当放大。轴类零件的轴颈处尤其轴肩处也为应力集中区，由于振动，易引起疲劳断裂，此处的表面粗糙度应尽量小，要采用圆弧过渡等。箱体瓦座类大零件要考虑地脚处的尺寸要适当加厚，以便底脚磨损后能刨平修复利用。螺纹类零件要考虑在制造时防止外径变序螺距变小，引起配合间隙变大，使三角螺纹不自锁。键槽类零件尺寸及材质尤其有圆锥面配合的轮与轴在制造时要适当加深或加宽键槽，以增加连接强度，防止滚键。正变位齿轮要防止无润滑油存储区，热变形卡死，负变位齿轮要防止根切 ，使齿根强度变弱，引起打齿断裂。

3.2 习惯性思考设计缺陷球磨机进出料筒长度设计缺陷是按经验或习惯设计思考而导致的设计缺陷，常常造成设备的薄弱环节∩称之为习惯性思考设计缺陷。这类设计缺陷导致的故障往往是人们容易忽略的地方，需要从生产工艺流程的工艺参数方面与正常情况相比较找出原因，才能彻底改进。在常见设备中习惯性思考机械缺陷比如按习惯选择矿浆泵的流量要大于流程计算量，但实际矿浆中的气泡是无法消除的，如分矿箱中的分流、合流，浮洋的泡沫，管道变径 、转弯等都会产生气泡，尤其流程长时会有更多的气泡，这样实际的矿浆量并不会比计算出的大，甚至会小于计算量。会出现给泵实际矿浆量小于泵稳定运行流量，泵就会打空，引起振动、过流件磨损快故障。我们重新选择了泵的型号，按照选型时不大于计算矿浆量的 10%。有效避免了泵打空，引起的振动、过流件磨损快的故障。又如按习惯会认为在表面积为3.14 X l 800 X 6 0006.1×10Ⅲmm 的球磨机筒体表面开面积为642 X6824.37 X 10 mm 的凶即人LI'3，只占0.007 5%，不足以使简体抗弯扭能力减弱，甚至出现裂纹。但根据材料力学知识，球磨机筒体可看作简支梁，受扭矩和重力弯曲作用，此载荷在 3 600 mm范围内是大小随时间变化的循环交变载荷，因此，筒体人Ll'-J处受力出现拉压交替变形，当简体人LI'3转到正下方时受拉变形，当筒体人LI'3转到正上方时受压变形，而人孔门处由于开了642 mm X682 mm的方形口，会在方形口处横向产生应力集中，由于所受扭矩较大，简体主要是扭转变形较重，于是在人孔门横向焊接矩形角处出现斜向45。裂纹。减少应力集中的办法， (下转第47页)第 1期 解决高线 PF线c形钩故障的方法 47曲剪应力都远大于其许用应力。实践也证明，在这种情况下，无论怎么增大支撑梁强度--如增加斜拉筋，都无法使最大弯曲应力小于其许用应力，无法解决平衡轨及支撑梁被撞坏的问题。

既然增加强度行不通，于是考虑设计-个更换方便 、成本低廉的薄弱环节，只要-有碰撞，首先从这个薄弱环节断裂，避免损坏其他部分，从而缩短检修时间，减少备件消耗。

3.2 平衡轨及支撑梁技术改进根据现场实际情况，选择在支撑梁和平衡轨之间增加-个连接角铁，在角铁上设计了-道凹槽，其形状及受力方向见图3。两立平面上各有两个孔，分别用来固定平衡轨和支撑梁。由图可知，凹槽壁厚为4 mm。

- - - ∈)-I l170 图3 连接角铁形状及受力方向示意图- B截面的剪应力： 3/2 X Q/a式中 为 -曰截面面积；Q153 860 NA 170 ×4 ×10～ m计算得：丁339.4 MPa连接角铁的材质选为最普通的 Q235A，其屈服极限为235 MPa。

经计算可知，当碰注生时，危险截面 - 处所承受的剪应力大于材料的屈服极限，即角铁薄弱处所· - -受剪应力大于角铁的屈服极限，最终会在薄弱处发生变形乃至断裂，从而对主体钢结构起到了保护作用。

其所受拉应力为： (Q。Q )/A式中：Q --C形钩及其附件重量，Q。21 560 N；Q2-- 盘卷最大重量，Q227 440 N；A 170 X 4 X 10- m 。

计算得 ，orm 72.06 MPa则安全系数 nor /tr[凡]1.4～1.8计算得：，l3.26>[几]，安全。

说明设计的角铁凹槽正常生产时不会断裂，碰撞时会首先断裂，凹槽壁厚设定正确。

4 结束语c形钩支撑梁和平衡轨之间安装连接角铁后，当碰注生的瞬间，支撑梁在弯曲应力作用下还没有产生破坏前，连接角铁就已经断裂，这对支撑梁和平衡轨起到了很好的保护作用。每根平衡轨与支撑梁间安装3件连接角铁，其拆除和更换都非常方便，- 般只需5～10 min，而这种短时间的处理不会造成停产。经统计，此项技术改进每年可减少事故时间6～8 h，每年可节约备件费用230余万元。