大型球磨机设计思路及注意事项
摘要
随着现代工业化的发展，机械生产越来越大型化，批量化，小规模生产已经不能满足现在生产的需要，大型球磨机应运而生，采矿工业中各种磨机都在向大型化方向发展，本文介绍了球磨机大型化后工作状态的变化及其对设计的影响，论述了大型化要求更加准确而可靠地分析磨机结构的原因，工作应力的影响因素和设计标准的掌握，介绍了驱动系统、齿轮结构及无齿轮(环型电机)传动装置、动静 承、滚筒筛等大型化后部件设计的变化和新的设计思想，以及在大型球磨机上采用的三维有限元负荷分析模型。
关键词：球磨机，大型化，设计，应力分析，设计思路
采矿工业中各种磨机都存在着大型化的趋势。开采大规模、低品位矿床时减少基本投资和生产成本的要求造成了这个趋势。这使得工厂流程配置系列更少，处理能力更高，许多情况下只有一个系列。这就要求更高的可靠性，从而要求更严格的设计、制造和质量保证措施。自磨机、半自磨机和球磨机规格增大时通常都会遇到一定的设计问题，这些问题对球磨机影响更大，因为：
（1)与自磨机和半自磨机相比，球磨机直径通常相对于其长度更小(也就是径长比较小)；
（2)与自磨机和半自磨机相比，球磨机的负荷密度较高；
（3)球磨机比自磨机和半自磨机更经常地使用橡胶衬板。球磨机规格的不断增大要求更准确更可靠地分析磨机结构(耳轴、端盖、磨机筒体断面和这些部分之间的联接)，其原因是：
①因为投入的基本投资高，要求的利润率高和工厂多余设施少，所以要求更高的可靠性；
②增大规格也增大了制造强度(例如 尺寸的铸件和机加工能力等)。因此，规格不能无限制地放大，必须限制断面尺寸和厚度，总应力大小只能向设计极限靠近；
③随着规格的增大，象人孔那样具有非轴对称特性的应力增大，因此需要更严格地分析这些应力特性；
④增大规格后，要求磨机由很多用螺栓联接的构部件构成。这时螺栓联接包括径向端盖联接和纵向法兰联接(也是非轴对称结构)，以及圆周方向的端盖和筒体联接；
⑤以齿轮驱动的特大规格球磨机使用大的凸形齿轮，这对磨机主体结构应力会有明显影响。因此，这些齿轮设计需要作为磨机主体分析的一部分来处理，要详细地了解齿轮及其负荷对磨机主体结构的影响。通常对齿轮单独进行分析。
随着球磨机规格的增大，合适应力极限的选择变得更为关键，要求更详细地予以考虑。需要考虑的因素有：
（1)分析应力的精度和分析应力与视在实际工作应力值的关系；
（2)特大型铸件实际可达到的制造质量和在坚固基础上的安装质量；
（3)由制造过程导致的各种剩余应力的影响；
（4)表面加工的影响；
（5)制造公差的影响。
在特大型球磨机中，这些影响一般都要求降低设计极限。例如，在铸件非常大的情况下，采用较高的应力极限，还必需达到较高的制造标准。这也许能做到，但也可能增大不用铸造的险，从而对制造过程产生影响。于是，实际处理方法是，在假设有关制造质量可以达到的前提下，选择计极限。因此，较大磨机规格的影响一般都会增加工作应力并降低设计应力极限。因此，制造完成的磨机在许多位置处的应力都比老式小磨机更接近标称应力极限。 ANI参考已实施的疲劳设计有关标条文(如BS7608)，并进行专门的疲劳力学评估，以确定制造技术规范与设计标准的关系，在疲劳和断力学试验基础上制订了应力极限。
1、驱动系统
球磨机驱动系统的设计在许多方面比自磨机和半自磨机困难。这是由于球磨机直径一般较小，因此在一定的输入功率下，磨机外壳上的切向力较大，虽然这个影响被球磨机的较高转速抵消了一点。从下表可以看出，在相同的安装功率和临界转速率下，球磨机的切向力比半自磨机大约高22%。虽然这个差值与外形尺寸和设计的负载性质密切相关，但估计力的误差在15～30%范围内是合理的。这表明球磨机齿轮设计有其特殊性，即与半自磨机功率相同的球磨机齿轮必须更大些。齿轮尺寸可以从两个方面改变，以优化设计—齿面宽度和齿轮断面的深度。
一般来说，希望将齿面宽度限制在大约970mm。齿轮啮合面宽度更大会难以校准而影响操作。必须增加齿轮断面深度以获得合理的齿面面积，结果有的球磨机齿轮深度/凸出程度变得非常大。然而，随着齿轮断面深度的增大，齿轮轴向结构变得更加复杂，可能产生更高的齿轮结构应力和更高的齿轮与磨机联接螺栓负荷。
简单地说，齿轮本身成为一个主要的结构部件，需要对它进行详细的应力分析和螺栓联接设计，以及常规的齿轮设计计算。例如对于大型齿轮，有必要将齿轮结构布局(辐板、辐孔等)与齿轮和磨机螺栓排列相结合，以保证螺栓联接有效地传递负荷。这大大增加了设计初期需要的调整。
磨机齿轮一般有两种基本结构形式。最普通而有效的是T型断面形式。然而，在断面刚度存在问题的情况下，通常采用Y型断面形式提供更大的扭转刚度，从而减少轮缘的轴向位移。在切向和径向齿负荷作用下，由于具有更好的局部轮缘支承，它也可提供较高的齿刚度。
上固定安装三个或更多个红外线测温仪，提供早期位置偏差问题和润滑问题报警。该系统还可以提供局部和/或远程温度变化情况和 接触温度指示，需要时带有报警器。如果需要，在线齿轮监测器还可以与控制室和工厂计算机连通。对功率超过了可由齿轮有效传递极限的特大型球磨机，现正考虑采用无齿轮驱动或环型电机驱动。这些特殊驱动方式在采矿工业大型半自磨机上已更普遍地获得应用，并且通常需要变速。尽管这些驱动方式的特殊设计考虑对所有类型的磨机都是类似的，但对无齿轮驱动来说，还有一些特点需要详细分析。
（1)分析整个系统的刚度———必须确保转子/磨机/轴承系统相对于定子/轴承座/基础系统有足够高的刚度，能有效地防止由于电机空气隙偏差和偏心造成的动态不稳定；
（2)磨机本身的结构必须能承受由装在磨机上的转子电极重量和空气隙偏差产生的径向负荷所引起的驱动系统高负荷；
（3)必须对维护予以特别的关注，尤其是驱动端衬板螺栓附近。
2、磨机轴承
随着球磨机规格的增大，必须研制可承受极高负荷的经济有效而可靠的轴承系统。此外，轴颈直径也随磨机规格的增大而增大。因此，轴承系统需要能经受由更高负荷和更大轴颈共同产生的大轴颈变形。这使得静 承或静动压混合轴承获得非常普遍的认可(在这些负荷极大的情况下，纯动 承通常是不合适的，因为这类轴承的油膜非常薄)。
随着应用条件的不同，静 承可以有不同的形式。例如，巴氏合金可以是白合金或青铜。承载组件可以是具有不同配置的分离靴或带有高压室的滑瓦组件的形式。这些轴承的液压系统必须是高可靠性的、易于维护的，必须具有向轴承提供足够润滑油的能力，以便在发生电源故障时使磨机安全停车。
因为球磨机比自磨机和半自磨机具有更低的径长比，球磨机轴承支承处的轴线偏转通常更大。因此，必须在磨机的整个寿命期内保持支承轴承的球型座正常工作。为此，ANI为其磨机的球型座自动压力润滑制订了标准。
轴承座和相关的底部垫板也是主要部件，它在支承磨机中起着关键作用。随着球磨机规格增大，这些部件也可能变得很关键，特别在可能发生超负荷的地点，如磨机被安装在地震活动区。在这些情况下，为适应与地震现象有关的非常高的横向和轴向负荷需要进行专门设计。由于安装了磨机装载量自动监测负荷传感器，这些特殊部件的设计进一步复杂化了。
3、相关的部件
大型球磨机经常带有滚筒筛，用以筛分磨机排料。随着球磨机规格的增大，滚筒筛也相应地从较小的结构件变成非常大的旋转部件，可以比10～15年前制造的许多磨机整体都大。
另外，大型磨机的操作要求也不同于先前应用的磨机。例如，除非定期更换或改进整个滚筒筛，操作者现在经常要求滚筒筛结构是不变的，并装有可拆卸的筛板，可由一个操作者容易地更换。这就使得两个人 内就可完成滚筒筛的修理，且不需要重型起重设备。
用于滚筒筛的结构框架传统由矩形钢骨架组成，一般使用正方形或矩形中空断面元件。筛板直接安置在钢结构上。然而，这种结构不能满意地 今天磨机所要求的大型滚筒筛问题，其原因是：
（1)矩形骨架的结构能力较差，因此大型滚筒筛要求的构件尺寸过大；
（2)骨架中的 应力位置处在焊接位置的连接处，它具有不良的疲劳特性；
（3)在使用中空断面构件的位置处，焊缝仅是单面的，这又是不良的疲劳特性；
（4)金属厚度一般只有6～9mm，因此构件，特别是连接处的抗腐蚀和抗磨损能力非常弱；
（5)腐蚀似乎大部分发生在连接处，导致滚筒筛架此处的结构脆弱；
（6)大尺寸构件减少了筛子有效面积，防碍了物料通过滚筒筛。对于这种形式的大型滚筒筛，整个结构的筛孔面积可能减少到50%以下，意味着为了获得同样有效的筛孔面积，滚筒筛总尺寸需要加 。
几年前ANI决定抛弃在先天不足的设计方法基础上改进或滚筒筛的想法，重新研制全新系列的大型滚筒筛，新设计全部由20mm板压成的三角形框架组成，框架覆盖有橡胶或聚氨酯。筛板与结构框架隔离，因此滚筒筛由悬挂在框架内的筛板形成圆筒形。还对滚筒筛进行全面分析，以校核框架和有关结构元件的疲劳设计。
4、分析能力
随着有限元分析技术和能力的发展，球磨机应力分析技术在过去10～15年里有了引入注目的变化。这一迅速发展已使得能对磨机结构进行准确而可靠的分析。然而，分析技术日益深奥复杂又要求在分析过程中更加认真和严密。
磨机结构分析的关键是要有一个明确的设计思想，这就需要将磨机设计负荷和设计标准与可能的磨机操作设计条件紧密结合起来。同时还要考虑实际上能够达到的分析精度和制造质量。
在过去十年间，ANI使用大型三维有限元模型进行磨机分析。这一模型有下列优点：
（1)可以很好的直观表示磨机结构，并指出模型的准确性和可靠性。
（2)可以直观显示磨机形变和比较分析形变图形与希望值的差别。在初期工作中，为 分析结果，使用小型物理模型可获得磨机在负荷下实际形变的全面了解。
（3)可以直观显示磨机圆周上的应力。因为关键是确定应力范围而不是 应力值，所以了解和评估磨机圆周上的应力变化就非常重要了。
（4)能够细致地将非轴对称结构(如人孔和径向连接)模型化，这比二维轴对称模型具有更高的准确性和可靠性。
（5)能够进行非线性分析，以研究螺栓联接、插口等处的特殊行为。
作用于磨机上的负荷不能被明确地模型化，这是由于矿石、矿浆和球荷都分别作用在磨机上。因此，必须以简化方法，对整个运动负荷的作用建立模型。类似地，也不能很容易地对磨机衬板的作用建立模型，因为衬板互相之间和衬板与磨机之间存在大量的不连续性。因此，磨机结构的模型化必须考虑磨机衬板对磨机性能的全部影响。
5、注意事项
要注意不同形式的衬板对磨机性能的影响有很大差别。球磨机现在通常采用橡胶衬板，甚至在特大规格的磨机中。然而，作为设计过程的一部分，必须考虑将来安装钢衬板的可能性。例如，用橡胶衬板代替钢衬板，虽然减小了总负荷，使磨机结构中某些区域的应力减小，但其他位置的应力增大。象这样改变衬板已导致了几次磨机故障发生。如果所有输入参数都准确，有限元分析可以非常精确。耳轴、端盖和筒体部分使用的材料性质可以以较高的精度确定，但整个磨机负荷的影响和各种衬板元件的影响却不能以同样的准确性确定。
6、结语
因此，必须进行详细的现场监测，以确保将现场测得的实际应力范围与分析模型预测值对比，从而证实负荷影响和衬板影响假设的合理性和准确性。ANI为此目的已进行了广泛的磨机现场监测，将应变仪数据与分析结果相比较，以修正模型技术。事实上，ANI已将运转磨机的现场监测，和与操作参数相应的磨机分析结果的特殊相互关系的处理程序，作为其研究与开发工作的一部分。在对安装功率 达9000kW磨机的现场监测中，这一程序的特定目的是确保分析模型、负荷假设和技术随着磨机规格的增大而始终保持正确。