一种煤磨三角形支推架改进设计

李又佳

摘要：文章简述了国内中速煤磨加载系统中使用的支推架，在压力加载增加情况下变形的强度问题。支推架是煤磨运行中的主要组成部分，整个液压系统通过支推架传递研磨压力给主辊，主辊通过磨盘转动对料床上的煤质进行研磨。三辊的煤磨设计，压力的均衡性能由支推架传递和反馈，支推架的设计强度影响设备实际运行，一但出现出现故障，导致设备运行不稳定甚至停产。本文围绕支推架的主要组成部分，通过Inventor有限元分析，计算出支推架的实际载荷，用inventor对支推架进行建模进行安全系数和等效应力的分析，指导支推架的优化设计。

关键词：煤磨;支推架;Inventor;有限元分析

1 引言

近代辊式磨是在20世纪出发展起来的，起源于美国，随后不久传到德国。随着国内大型基建业的发展，立磨市场欣欣向荣，辊式磨作为核心产品，应用范围越来越广的同时，渐渐成为水泥生料粉磨的主要系統。从早期60年代开始引进德国Loesche、Pfeiffer、Krupp Polysius、O&K等公司，日本的宇部、KHI、IHI磨机等公司，丹麦的FLS（史密斯）公司，美国的富勒、雷蒙等公司，到70年代我国天津院、合肥院、沈阳重型机械厂等开始主导自制研发，立磨经历了一代又一代的变革，产量和电耗都在不断的突破。这些成果都源于国人不断尝试，不断进步的决心与意愿。作为磨机设备厂家中的一员，改进提升设备性能的同时也关心竞争伙伴的技术革新。磨机设备除液压系统以外大部分为机械结构设计，机械结构设计是通过一定的结构形式进行呈现，其最终结果应满足多方面的产品要求。通常具有使用性、可靠性、经济性、工艺性和外观造型等要求，还需改善零件的受力，以此来提高使用寿命。本文围绕分析北电设备型号为ZGM113G的磨煤机的支推架改造项目，综合了解实际运行中三角形支推架使用过程变形情况，利用Inventor有限元分析，提供更优化的设计方案。

2.三角形支推架主要结构改进设计

2.1煤磨支推架的作用

支推架的总体结构为等边三角形，两端分别与磨辊和液压拉杆连接。液压加载系统的作用是把拉杆加载装置提供的加载力作用在支推架上，支推架底部安装有铰轴座，可用来安装铰轴装置。铰轴装置由铰轴和铰轴座组成，铰轴穿过铰轴座孔，把磨辊与支推架连接起来，使磨辊绕铰轴线在一定范围内摆动。导向定位结构安置在支推架上，主要是方便工作时进行定位和切向力进行传递。导向块处间隙的调整，得以实现以三根拉杆轴线对正基础上拉杆台板中心为准。在整个物料研磨过程中，支推架主要起到加载力传递的作用。整个支推架简易连接结构如下图（1）所示。

2.2煤磨支推架的组成

原支推架主要由外弧板，内弧板，上板，底板，顶板，连接板1，连接板2，连接板3，加固块等组成。原设计材料主要选用Q235A。结构示意截图见图（2）所示。

2.3 支推架的受力分析

油缸工作时的压力由负载决定，油液作用在活塞上的液体压力，对于双作用单活塞杆液压缸来说，活塞的受力如下图（3）所示：

活塞伸出时候的理论推力为：

F1=A1p X106=

活塞杆缩回时候的理论拉力为：

F2=A2p X106=

原液压缸直径为200mm，活塞杆直径为125mm，行程为300mm，改进后的油缸直径为280mm，活塞杆直径为140mm，活塞杆行程为300mm，本次改进北电型号为ZGM113的厂煤磨支推架按液压缸负载最大压力按正压11Mpa计算，有杆腔缩回时拉力为支推杆所受的拉力。

F2=0.25×（2802-1402）×11× π ×106=507995N

每台磨机配3个液压缸，所以总拉力如下：

F总=507995x3=1523985N

2.4支推架的有限元分析

使用Inventor Professional 2018软件，首先建立原支推架三维模型，用inventor进行受力分析时候，受分析对象需为实体，不带有曲面结构，首先把已完成的inventor iam文件转化为单实体的ipt结构。另外需给零件赋予一种材料，每种材料对应的物理性能如变形量、变形系数、所承受的应力不一样。原设计采用Q235A材料，我们在ipt文件中勾选相应的材质即可。若材料库中没有你想要的材料，需要在网站上下载相应的材料库补充进去。对支推架进行受力分析之前，还须充分了解它的使用工况，确定好固定面和受力面，支推架底部连接铰轴装置，设定底部连接面为固定面，固定块位置连接液压连杆装置，固定块连接面设置为受力面。三维模型和受力约束示意图见图（5）所示。完成约束条件以后，给支架加载荷F总为为1523985N，利用软件分析得到的等效应力结果与支推架安全系数结果如图（6）所示。分析结果显示，应力主要集中在外弧板、内弧板、上板、下板、连接件和加固块位置（红色和黄色区域），局部外弧板的最小强度K为0.33，最大强度K为15，安全强度数值太低，最小承受压力为0Mpa，最大承受压力为538.6Mpa。支推架在使用过程过，由于安全系数太低，以及部分受力超过Q235A的屈服强度和抗拉强度，造成支推架使用过程中发生变形或断裂的情况。综合Inventor的受力分析结果，设计考虑在外弧板、内弧板，上板、下板、连接板和加固块进行加强优化。

2.5.支推架改进方案

增加支推架强度主要从结构，材质和板厚进行考虑，经过数十次受力方案对比，最终选择以下方案为最优方案。整个支推架材质从原来的Q235A改为Q345B，针对Inventor有限元分析结果，对外弧板，上板，下板、连接件和加固块结构进行优化，上板厚度由原来的30mm改为40mm，三边外弧板由原来的16mm改成30mm，底板由原来的30mm改成40mm。大框架整改完毕以后进行受力分析，发现连接板2和加固块的安全强度K=1.4左右，单纯加厚板厚也不能有效改善应力集中，于是针对连接件2和加固块进行单独优化。经过几次的尺寸尝试，发现连接件2倒角太锐利，将5mm的倒角改为R60的圆角，厚度从10mm改成15mm，受力分析及改善后的设计如图（7）所示，K值从1.4上升到2.0。加固块更改外形尺寸，厚度从45mm改成80mm，底端厚度从40mm改成60mm，内部圆角从5mm改成10mm。所有零件修改完毕以后，用Inventor软件重新分析受力结果如下图（8）所示。

安全系數显示最小K值上升为2.07，最大为15，最小受力为0Mpa，等效应力分析最大受力降为171.8Mpa，根据机械手册第一卷钢铁材料的分类与技术条件中如下图（9）所示，查得材料为 Q345B的屈服点为345Mpa。K=345/171.8>2，符合莱歇的技术强度要求。

所以对于仿真验证的结果显示设计更改解决了安全强度不满足要求的情况。将来类似磨型支推架的技改项目都可按此方式进行加固设计。

3.结论

本文以ZGM 113G 北电煤磨的支推架为例，主要研究在液压缸增大，负载加大的情况下，支推架的改进设计。利用Inventor 2018 Professional受力分析软件对原设计进行结构分析，针对上板、下板、外弧板、连接件，加强固块的强度系数不满足要求，最低处达到0.33，依据软件分析的薄弱点对其进行结构加强设计，在结构强度材料上进行改进，最后满足强度系数K>2的要求。机械结构改进过程中除了增加板厚和改变材质以外，圆角也起到很大的作用。如本文所示的连接板3和加固块，都为软件分析得到的最小应力处，通过把倒角改成圆角或者增大圆角，有效改善应力集中情况。机械连接件本身的圆角对于结构件影响较大，通过调整局部圆角设计，有效改善支推架的受力情况，将来机械结构设计过程，可以多多考虑通过改善圆角提升结构性能。

Inventor2018 Professional是一款具有实际应用价值的软件，在日常结构设计过程中，我们可以通过简单模拟加载分析受力情况，了解结构的薄弱环节，针对薄弱环节有针对性的加强，避免强度设计不足造成的缺陷，避免设计过充裕造成材料浪费。尤其在国内技改项目较多的情况下，我们需对充分了解原设计的使用工况和受力情况，通过技改前后的模拟受力分析对比，有的放矢的对结构进行加强，提高设计可靠性。Inventor2018 Professional软件的模拟工况分析，我们可以在结构件和材料上反复尝试，力求找到最可靠最经济的设计方案，为设计工作者提供有效的设计判断依据。

参考文献：

[1]成大先. 机械设计手册[M]. 第五版. 北京：化学工业出版社，2008.

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