MQY4585中心传动球磨机的设计

钱 翀

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司， 辽宁 沈阳 110141)

0 引言

球磨机广泛用在砂石、矿山选矿、化学工业、煤矿电力、建筑材料等领域，球磨机在使用中有用功占比低，粉磨作业时所产生的噪音大，整体功耗高[1]，磨机整体占场地较大等缺点，但磨机在国内外各个选矿厂的选矿工艺设计中，它仍是优先选用的设备，其在整个产业链中起到不可替代的关键作用。传统球磨机一般由回转部、大小齿轮组(传动部)、主轴承部、出料筛部、主减速机、主电机、联轴器等组成，工作时由高压大型异步或同步电机驱动，通过联轴器联接齿轮组带动回转部进行圆周旋转运动，进而使筒体内的填充研磨物进行有效的提升和抛落，砸落在需要粉磨的物料上，完成磨破的流程。

20世纪90年代中南工业大学与衡阳冶金矿山机械厂研制了国内第一台中心传动节能球磨机。由于该种类磨机在节能与场地方面与常规磨机相比具有绝对的优势，所以近年国内各个设计院均在推广使用，在此过程中，中心传动磨机已经突破了很多技术性壁垒，实现了该磨机各个部件(端盖、筛体等)的大型化生产。该种类磨机在设计中采用了很多革命性的技术，比如取消了大小齿轮，将传统的开放式周边传动方式改为中心传动等，用户在使用中直接或间接的省下了大笔的成本。

1 磨机设计

传统形式的MQY4585溢流型球磨机在多年来的制造中已经可以进行模块化设计，在此过程中储备大量的设计基础，这些均在磨机运行时取得了有效的实际验证，所以在此次MQY4585中心传动磨机的设计中，其回转部中的进料端盖、筒体、主轴承都可以直接借用，只需要对基础部、出料部、出料筛部、总图进行重新设计即可。

1.1 磨机功率计算：

(1)磨机转速的计算

(1)

式中nkp—磨机筒体临界转速[2]，r/min；

D—筒体有效直径，m。

设计筒体的衬板平均厚度为75 mm，故D=4.5-2×0.075=4.35 m。

n筒体=Ψ×nkp

(2)

式中Ψ—球磨机转速率；

n筒体—球磨机实际转速，r/min。

球磨机工作转速率一般在76%～88%左右，根据磨机直径大小以及选矿经验，取其转速率Ψ=74%代入(2)式中n筒体=0.74×20.33=15.04 r/min，取n筒体为15.1 r/min。

(2)有用功率计算

磨机功率计算采用在邦德经验计算法基础上改造的陈炳辰推荐的公式：

N有=3.465×Δ×V×D0.5×Ψ3×(1-K4)×
[2.25-Ψ4×(1+K2)]

(3)

式中Δ—矿石堆比重，取Δ=4.8 t/m3[3]；

V—磨机的有效容积，m3。

(4)

式中L—磨机筒体有效长度，取L=8.4 m，

代入公式(4)如下：

式中D—磨机有效直径，取D=4.35 m；

Ψ—磨机转速率，取Ψ=74%；

K—介质层比(球磨机)，或内外料层比(自磨机)，其值为：

(5)

α1和α2为最里侧物料(或钢球)与最外侧物料(或钢球)的脱离角。根据磨矿传统理论计算可求出cosα2=Ψ2，而α1又与磨机的转速率Ψ及介质填充率(或物料料位)Φ有关，其中介质填充率根据球磨机使用经验取Φ=37.65%。故K是和Φ的复杂函数关系。根据理论推导和近似计数可的下述关系式：

(6)

将上述各个参数代入式(3)中：

N有=3.465×Δ×V×D0.5×Ψ3×(1-K4)×
[2.25-Ψ4×(1+K2)]=3.465×4.8×124.8×
4.350.5×0.743×(1-0.522 84)×
[2.25-0.744×(1+0.522 82)]=2 911 kW

(3)反馈功率计算

上述(3)式计算得出的中心传动磨机的有效功率按实际情况是偏高的，因为在充填的钢球载物砸在需要粉磨的物料上时产生的能量只有一小部分做了有用功消耗在需粉磨的物料上，余下的能量则变化为无用功直接传给了中心传动磨机的筒体上。

产生这种现象是由于钢球的撞击使需粉磨的物料粉碎，只是靠钢球的径向力，此方向的分速度设为Vn，切线力此时产生的是无用功，此方向的分速度设为Vt，此方向的作用力的功率不参与粉磨作用，切线力仅仅能使钢球在中心传动磨机筒体内做圆周方向的移动，Vt的能量变化作为帮助整个回转部旋转的力矩。因此，以上公式在计算有用功率时应该减去由Vt生成的这部分功率。

此部分功率Nt由(7)式计算[4]：

(7)

式中G—磨机内最大充填介质重量，取G=225 t。

将以上参数代入式(7)

对于静压轴承，其摩擦系数非常小，摩擦消耗的功率可以忽略不计，所以不做计算。

(4)磨机总功率的计算

N总=N有-Nt=2 911-401.6=2 509 kW

据此，根据中心传动形式需要，MQY4585球磨机选择YRKK800- 10绕组式异步电机并配套水电阻柜，功率2 500 kW，额定电压10 kV，转速600 r/min；配合筒体转速达到最优转速，主减速机选用MFY250A型号，减速比为39.73，输入转速600 r/min，输出转速15.1 r/min，安全系数3.0，自带的慢速传动装置电机功率37 kW，转速1 480 r/min，减速比169，经主减速传递后输出转速为0.220 4 r/min，满足日常维护使用要求。

1.2 出料筛部设计

经详细计算后，出料筛体选用100 mm探伤后的钢板卷制而成，保证其强度满足使用要求，内壁衬胶防腐，两端焊接法兰分别与出料端盖与膜片联轴器相连接，所有焊缝均100%超声波探伤，出料筛体圆周方向设置滚筒筛网，出料筛上罩设置拔气孔，下罩分别设计排渣孔与排浆孔，内壁进行衬胶防止腐蚀。整体设计后，如图1所示。

1.支架 2.下罩 3.筛体 4.连接轴 5.上罩(一) 6.喷水管 7.上罩(二) 8.六角头螺栓 9.1型六角螺母 10.弹簧垫圈 11.六角头螺栓 12.圆柱头螺钉 13.弹簧垫圈 14.防护板 15.防护板垫 16.密封垫 17.连接法兰(一) 18.垫(一) 19.六角头螺栓 20.1型六角螺母 21.弹簧垫圈 22.垫(二) 23.视盖 24.垫(三) 25.半法兰 26.六角头螺栓 27.1型六角螺母 28.弹簧垫圈 29.六角头螺栓 30.连接法兰(二) 31.垫(四) 32.连接法兰(三) 33.垫(五)图1 MQY4585溢流型中心传动球磨机出料筛部

1.3 出料部设计

与边缘齿轮传动磨机相比，主电机的扭矩直接由主减速传递到整个回转部，所以需要由出料端盖直接接收扭矩，对出料端盖进行设计变更，使其可以直接与出料筛的联接体连接，连接螺栓符合满足强度要求即可，如图2所示。

图2 MQY4585溢流型中心传动球磨机出料端盖

1.4 总图设计

中心传动形式对比传统传动形式磨机，仅弃用了大小齿轮副系统，如图3所示。所以在总图的设计上，回转部的设计基本可以直接借用，只需要对传动部分以及出料筛进行重新设计即可，如图4所示[5]。

图3 边缘传动形式对比中心传动形式示意图

2 关键件有限元分析

出料筛体既有联轴器的传动作用，又有排料的作用，在设计的过程中满足强度的同时，又需要考虑料浆流动的顺畅，防止堵料，在整个磨机设计中是难点的难点，下面对其进行有限元分析校核强度，如图5～图8所示。

1.给料部 2.进料部 3.主轴承部 4.筒体部 5.出料部 6.环形密封 7.基础部 8.出料筛 9.主传动系统 10.联轴器护罩(一) 11.联轴器护罩(二) 12.全静压油站 13.液压管路 14.顶起装置图4 MQY4585溢流型中心传动球磨机总图

图5 出料筛体边界条件

图6 出料筛体结果及分析

图7 出料筛体的剪切应力

图8 出料筛体的转角

出料筛体的主要参数：球磨机出料筛体材质：Q345A；弹性模量：2.06×1011Pa；密度：785 0 kg/m3；电机功率：2 500 kW；安全系数：3；出料筛体转速：15.1 r/min；

有限元分析结论：连接体的等效应力为30.097 MPa，剪切应力为16.843，转角0.2°，考虑到安全系数取3，小于材料的许用强度，故出料筛体的力学校核合格。

3 磨机技术评审

图纸设计完成后，对该项目重新设计的一些关键部件进行了技术评审，在工艺方面对出料筛体的焊接上进行了优化设计，重新设计了坡口形式；在机械加工方面对出料筛的各挡板及密封的先后焊接顺序进行了整改，使其在整个生产流程中更加简化，并容易控制质量；在出料筛与主减速机的现场安装问题上，先后对其中部分件进行了整改，使其在总装车间与现场安装试车时更加简便，避免由于设计因素造成的安装困难。

4 总结

如今，公司开发研制的MQY4585中心传动球磨机已经在年产80万t氧化铝配套原料项目中投产并持续运行，目前使用效果良好，该中心传动磨机较同类型的磨机结构紧凑，占地面积小，整机质量较小，机械效率高，一般为0.92～0.94，比边缘传动高约5%。不需大小齿轮，减轻了设备质量，配套电机功率低，比同规格的边缘球磨机电机功率减少10.7%～40.5%，节能效果显著，维保期间磨机运转平稳。

通过此次开发研制中心传动磨机，公司增加了同类球磨机产品竞争优势，拓宽了市场，也为整个选矿厂平稳、节能、连续的运转提供了更有利的保障。