一种磨机用新型可拆卸筒体支撑

唐必亮，冀文强，王佳佳，吴英豪，史久仰

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

3太钢集团岚县矿业有限公司 山西吕梁 033504

筒 体是磨机的关键零部件，由 L 形法兰和钢板卷制的圆筒焊接而成，筒体与端盖通过法兰止口定位，经高强度螺栓紧固后，构成磨矿空间。磨机筒体为回转体[1]，中空、薄壁、直径大，刚性较差，在制造、运输、起吊组装过程中极易变形。变形的磨机筒体不仅会影响筒体部同轴度的调整，也会给磨机的平稳运行带来潜在风险。因此在控制筒体变形方面，除了必要的工艺过程控制外，必须借助于筒体支撑来防止筒体的变形。

1 焊接式筒体支撑

一直以来磨机筒体都采用焊接式筒体支撑，焊接式筒体支撑通常由支撑钢管和支撑钢板焊接而成，通过粗制螺栓与磨机筒体紧固在一起，如图 1 所示。该支撑可以有效防止筒体在加工、运输及安装过程中的变形，已在磨机行业中使用多年。拆卸筒体支撑时，需使用火焰将支撑钢管分段切割才能取出，而此时磨机端盖与筒体已形成有限的空间，且磨机端盖和筒体内壁有 6 mm 耐酸碱橡胶垫，在筒体内动火切割、拆卸存在安全隐患。

图1 焊接式筒体支撑Fig. 1 Welded shell support

2 新型可拆卸筒体支撑

中信重工在出口某大型球磨机时，客户要求使用无需火焰切割、方便拆卸的筒体支撑，规避拆卸筒体支撑时可能存在的安全隐患。针对客户的需求，笔者设计了一种新型可拆卸支撑，如图 2 所示。该新型可拆卸筒体支撑由支撑钢板、支撑钢管、支撑横板、支撑方板及连接板焊接加工而成，如图 3、4 所示。连接板与支撑方板通过螺栓紧固联结，单组筒体支撑使用 4 组螺栓副紧固联结，每组螺栓副由 2 个粗制螺栓和 1 个精制螺栓组成。

图2 新型可拆卸筒体支撑Fig. 2 New-type detachable shell support

图3 新型可拆卸支撑组件Fig. 3 Assembly of new-type detachable support

粗制螺栓通过高强度预紧力使连接板和支撑方板产生摩擦力来防止筒体变形，精制螺栓通过抗剪切能力来防止筒体变形。如何保证连接板和支撑方板间的紧固螺栓不在筒体制造、运输及起吊安装过程中失效，是设计该新型可拆卸支撑的难点。通过有限单元法可模拟出该新型可拆卸支撑的应力及应变情况，确保该新型可拆卸支撑设计合理、可靠，强度和刚度满足要求。

3 新型可拆卸支撑强度计算和校核

新型可拆卸支撑全部采用 Q235B 钢板或钢管制成，支撑方板上的粗制螺栓和精制螺栓均为 10.9 级。按照单个筒体及其 2 组支撑的重量全部由 2 组支撑中最下侧的 2 个支撑来承担，进行强度和刚度的计算和校核，此种状态下该新型可拆卸筒体支撑承受的载荷最大。单个筒体及其 2 组支撑的重量由 2 组支撑方板上的粗制螺栓和精制螺栓承担。

3.1 新型可拆卸支撑所承受的最大载荷

式中：G为支撑承受的最大载荷；m1为支撑质量；m2为筒体质量；g为重力加速度。

经计算，新型可拆卸支撑所承受的最大载荷G=489 804 N。

3.2 粗制螺栓的传递能力校核

粗制螺栓参数如表 1 所列。

表1 粗制螺栓参数Tab.1 Parameters of black bolt mm

式中：F0为粗制螺栓预紧力；S为预紧力与屈服极限的比值，取S=0.7；σs为粗制螺栓的屈服极限，取σs=900 MPa；As为螺纹公称应力截面积。

经计算，单个粗制螺栓预紧力F0=706 172.64 N。

选用合理的螺栓预紧力对螺纹连接的可靠性以及螺栓连接件的疲劳强度都是有利的，可确保结合面不发生滑移[2]。

式中：F为单个粗制螺栓的传递能力；f为螺栓连结面摩擦因数，取f=0.1[3]。

计算可得单个粗制螺栓的传递能力F=70 617 N。

式中：Ga为 2 个支撑中的 4 个粗制螺栓的传递能力；Nd为设计系数，根据相关国的规定，取Nd=4。

计算得粗制螺栓的传递能力Ga=71 617 N。

3.3 连接板及精制螺栓的传递能力校核

式中：Gb为单个精制螺栓的计算载荷，Gb=209 593.5 N。

连接板的强度计算和校核参照美国标准 ASME BTH-1—2014 中的吊耳强度校核[4]，连接板的尺寸及材料参数如图 4、表 2 所列。

图4 连接板示意Fig. 4 Sketch for connecting plate

表2 连接板尺寸及材料参数Tab.2 Dimension and material parameters of connecting plate

除保证连接板上的粗制螺栓和精制螺栓满足强度要求外，连接板的抗拉强度必须大于其承受的载荷，支撑钢管、支撑横板、连接板间焊缝强度也必须满足要求。

3.3.1 连接板抗拉强度校核

式中：St为抗拉应力；A为抗拉区域面积；beff为有效宽度。

式中：Ft为许用应力，Ft=53 750 000 Pa。

经计算，抗拉应力St=14 139 205 Pa，满足St≤Ft，因此连接板抗拉强度校核满足要求。

3.3.2 连接板精制孔区域抗拉强度校核

式中：Pt为精制孔区域允许的抗拉强度；Cr为强度降低系数。

经计算，精制孔区域的允许抗拉强度Pt=1 158 091 N，满足Pt＞Gb，因此连接精制孔区域强度校核满足要求。

3.3.3 连接板精制孔区域抗剪强度校核

经计算，连接板精制孔区域的允许剪切强度Pb=476 843 N，满足Pb＞Gb，因此连接板精制孔区域的抗剪强度满足要求。

3.3.4 焊缝强度校核

式中：Fw为焊缝允许载荷；Fv为允许的焊缝剪切应力；Aw为焊缝面积；Exx为焊缝的抗拉强度，取Exx=Fu。

经计算，焊缝允许载荷Fw=546 820 N，满足Fw＞Gb，因此支撑钢管、支撑横板、连接板间的焊缝强度满足要求。

4 新型可拆卸支撑刚度及强度分析

使用 Autodesk Inventor 软件通过有限单元法对该新型可拆卸支撑的刚度及强度进行仿真分析，确保其设计合理、可靠，刚度和强度满足要求。分析筒体的应力及应变时将筒体放置在顶起托架上，假设顶起托架为刚体。

图5 所示为无支撑状态下筒体刚度分析结果，此时筒体最大变形为 4.063 mm。按照图 6 所示的x-y坐标放置筒体，筒体的变形量仅为 0.458 mm，相对于无支撑状态下的筒体变形量减小了 88.7%；按照图 7所示的象限角平分线状态放置筒体，筒体的变形量为2.904 mm，相较于无支撑状态下的筒体变形量减小了28.5%。因此，使用该新型可拆卸支撑能有效减小筒体变形。

图5 无支撑状态下筒体变形分布云图Fig. 5 Deformation contours of shell without support

图6 x- y 坐标状态下筒体和支撑变形分布云图Fig. 6 Deformation contours of shell and support in x-y coordinate state

图7 象限角平分线状态下筒体和支撑变形分布云图Fig. 7 Deformation contours of shell and support in quadrant bisection state

图8、9 分别显示了 2 种放置状态下筒体和支撑的等效应力分析结果，可知 2 种状态下该新型可拆卸支撑的强度均可满足设计要求。

图8 x- y 坐标状态下筒体和支撑应力分布云图Fig. 8 Stress contours of shell and support in x-y coordinate state

图9 象限角平分线状态下筒体和支撑应力分布云图Fig. 9 Stress contours of shell and support in quadrant bisection state

同时上述刚度和强度分析结果还可以指导筒体放置，按照x-y坐标放置时，筒体和支撑的变形和应力较象限角平分线放置时分别减小了 84.2% 和 64.7%。

5 实际应用

该新型可拆卸支撑已应用于多个磨机项目中，现场筒体安装定位尺寸无误，筒体紧固同轴度满足安装公差要求，拆卸时只需将精致螺栓敲掉，其余粗制螺栓松掉，就可以完成该磨机新型筒体支撑的拆卸。与焊接式筒体支撑相比，拆卸省时、省力，杜绝了动火切割支撑而带来的施工安全隐患。

6 结论

(1) 该新型可拆卸支撑能有效减小磨机筒体变形，根据磨机筒体和支撑相对位置的不同，使用该新型可拆卸支撑可有效减小筒体变形 28.5%～ 88.7%。

(2) 新型可拆卸支撑的刚度和强度分析结果还可以指导磨机筒体放置，按照x-y坐标放置支撑的应变和应力，较象限角平分线放置支撑时分别减小了84.2% 和 64.7%。

(3) 多个项目的应用实践证明，该新型可拆卸支撑方便拆卸，安全可靠，可推广应用。