氧化铝磨机大齿轮紧固螺栓的选型及安装方法

摘要：在氧化铝行业用磨机趋于大型化的背景下，由于其特殊的磨矿工艺，磨内温度过高，易造成分瓣齿轮结合面处张口，影响磨机开式齿轮的正常啮合，导致磨机出现规律性振动，严重影响设备使用寿命，甚至会将分瓣齿轮紧固螺栓胀断，造成安全事故。针对此问题，研究了一种分瓣齿轮紧固螺栓的选型及安装方法，配合氧化铝用磨机特殊的大齿轮结构，解决了运行过程中氧化铝磨机分瓣齿轮张口问题。

氧化铝是铝产业链条中的重要一环，其在生产过程中需要将大块铝土矿破碎、研磨成小颗粒，磨矿设备是氧化铝原料制备车间的关键设备。由于氧化铝原料制备高温、高碱的恶劣环境，应用于氧化铝行业的磨机与普通矿用磨机相比，需具有更高的适应性和安全可靠性。

中国氧化铝无论是市场容量、消费量，还是核心技术装备水平都已位居世界先列，中国氧化铝的产量从 2006 年的 13 696 000 t 到 2015 年的 58 978 000 t^[1]， 10 a 间产量翻了两番有余。氧化铝行业生产规模大型化和主体装备大型化的良性互动发展是其技术进步的重要因素^[1-2]。

目前氧化铝磨机在行业内的突出问题就是随着磨机的大型化发展，磨机分瓣齿轮的结合面张口现象日趋严重。磨内强碱、高温环境造成磨机大齿轮及其螺栓连接件的材料发生蠕变和应力松弛，造成连接中的预紧力和摩擦力逐渐减小，最终导致大齿轮结合面处的紧固螺栓连接失效，这将会严重影响磨机的安全稳定运行。因此，氧化铝磨机大齿轮紧固螺栓的选型不同于普通磨机。笔者根据山西某氧化铝厂磨机的应用情况以及氧化铝用磨机特殊的大齿轮结构，对氧化铝用磨机大齿轮紧固螺栓的受力状况以及安装方法进行了研究和实践探索。

1    氧化铝用磨机大齿轮结构

大型磨机，尤其是球磨机，其大齿轮的轮缘较大，筒体直径较小，对于分瓣齿轮的紧固，一般在径向方向均匀分布 3 ~ 4 排螺栓，如图 1 所示。

此处连接螺栓的作用是保证磨机在运转过程中分瓣齿轮连接的可靠性和紧密性，防止分瓣齿轮结合面处出现缝隙或相对滑移，以确保开式大小齿轮啮合的平稳传动。由于磨机大齿轮法兰与筒体和端盖三体紧固，  某种意义上来说，  可将它们视为一个整体，因此，矿用磨机分瓣齿轮紧固螺栓的计算方式是，求解出齿轮啮合周向力，根据承受翻转力矩螺栓组的受力求解出各螺栓载荷，从而进行螺栓选型^[3-4]。

氧化铝用磨机的磨内温度高达 95 ℃ 左右，而大齿轮表面运行温度约为 50 ℃。对于平面薄板材料来说，由温度梯度所产生的热应力公式^[5]为

式中：Q 为热应力，MPa；E 为弹性模量，MPa； α为热膨胀系数；ΔT 为材料的初始温度与表面温度之差，℃； µ 为泊松比。

磨机齿轮从法兰到齿面的热应力由大逐渐变小，由于分瓣齿轮的结构特性，法兰处因与筒体、端盖三体紧固刚度最大，而分瓣齿轮齿面的结合面处刚度最弱，是热应力的释放源，导致分瓣齿轮发生变形，产生位移，运行过程中出现结合面楔形张口现象，紧固螺栓也出现了塑性变形。

齿轮法兰处的热应力最大，针对此现象，将分瓣齿轮的结合面优化为非接触间隙设计，以便磨机运行中产生的热应力从此处释放。经过热力耦合分析，结构优化后的分瓣齿轮能有效降低 25.9% 的张口量。此理论是在极限受载情况下的模拟分析，实际运行要优于此值。但是此结构优化带来的问题就是分瓣齿轮径向的紧固螺栓组，只有靠近齿根处的螺栓能够有效紧固，而靠近法兰处的 2 排螺栓，因连接面为间隙配合，无法有效紧固。因此分瓣齿轮联接螺栓组的预紧力如果计算不当，一是联接螺栓的紧密性不能保证，二是后排螺栓施加的预紧力在安装过程中就会造成分瓣齿轮结合面张口。

2   分瓣齿轮紧固螺栓计算程序开发

根据氧化铝专用分瓣齿轮结构的特殊性，笔者分析了紧固螺栓组的受力，对分瓣齿轮的紧固螺栓进行了计算。分瓣齿轮紧固螺栓计算程序开发过程为：螺栓受力分析—计算螺栓所需最小预紧力—螺栓选型—螺栓强度校核。基于此，建立螺栓选型数学模型以及螺栓可施加最大预紧力数学模型。磨机为重载冲击设备，在进行螺栓受力分析时，仅考虑有效紧固的螺栓组，以及极限情况下受力最大的状态。

2.1   螺栓选型数学模型的建立

螺栓选型数学模型的建立是基于求解紧固螺栓处所需最小预紧力，既要保证分瓣齿轮间的紧密性，又要保证螺栓在磨机运行过程中不受剪切力^[6-7]。所建数学模型如下：

其中

式中：F₀为螺栓所需最小预紧力，kN；K₀为预紧系 数；F_t为圆周力，kN；z 为齿轮外缘一排螺栓数量，个；K_n为可靠性系数；α_n为齿轮法向压力角，(°)；β为齿轮螺旋角，(°)；µ 为预紧连接结合面的摩擦因数；P 为磨机主电动机功率，kW；d_r为小齿轮节圆直径，mm；n为主电动机转速，r/min。

2.2   螺栓可施加最大预紧力数学模型的建立

根据所求螺栓所需最小预紧力，对螺栓进行选型，选型后根据螺栓规格进行螺栓强度校核，以保证磨机在运行过程中螺栓不发生塑性变形。螺栓可施加最大预紧力数学模型为

式中：F_0max为紧固螺栓可施加最大预紧力，kN；σ_s为螺栓屈服应力，MPa；A_S为螺纹公称应力截面积，mm²；n_s为安全系数；K_C为螺栓与被连接件的相对刚度系数。

根据上述模型，完成氧化铝磨机大齿轮紧固螺栓的选型。

3   分瓣齿轮紧固螺栓的安装

由于运输、安装、限重等原因，大型设备的关键件无法整体制造，其分瓣后的螺栓连接就成了关键件的薄弱环节，是故障多发之处，也是维护保养必须关注之处。分瓣齿轮紧固螺栓的合理选型只是其可靠应用的第一步，安装也是重要的一环，好的安装方法对设备的使用和维修会带来极大的便利。

如前文所述，氧化铝用分瓣齿轮的特殊结构，导致径向靠近法兰的螺栓组无法按照正常预紧力扭紧。针对此问题，结合安装过程中大小齿轮端径跳及齿侧间隙的调整，规范分瓣齿轮紧固螺栓的安装方法，以避免设备出现因安装不当导致的磨机运行问题。

3.1   螺栓组的安装方法

图 2 所示为分瓣齿轮紧固及热态下复紧的关键螺栓组，两处结合面螺栓组相同。由于磨机齿轮和筒体、端盖的三体紧固螺栓的最终扭紧是在大小齿轮的端径跳及齿侧间隙调整之后，因此，1、2、3 号螺栓组的安装顺序尤为重要。

首先完成 1 号螺栓组的对称安装，此处为有效紧固螺栓组，决定了分瓣齿轮运行过程中是否可靠，为全扭矩扭紧，并检查分瓣齿轮对中情况和结合面间隙情况；  随后完成 2、3 号螺栓组的对称安装，  按照全扭矩的 30% ~ 55% 扭紧，以增强分瓣齿轮的紧密程度。

3.2    热态状态下的螺栓复紧

需要特别注意的是，磨机运行后的热态状态势必会影响紧固螺栓的松动与变形，因此二次紧固尤为重要。热态状态下，复紧 1、2、3 号螺栓组，首先要将齿轮和筒体、端盖的三体紧固螺栓 (4 号螺栓组) 松开，在分瓣齿轮对中及结合面间隙完好的情况下，按照安装步骤复紧 1、2、3 号螺栓组。全部复紧后需再次检查大小齿轮的端径跳及齿侧间隙情况，一切数值满足要求后才能交付使用。

4    结语

目前此种氧化铝磨机大齿轮紧固螺栓的选型计算及安装方法已应用于广西、重庆、河北、山西等氧化铝厂的磨机设计开发中。广西某氧化铝厂的磨机已稳定运行，球磨机衬板选用的是橡胶衬板，起到一定隔热作用，筒体及齿轮运行温度不高，因此其大齿轮未出现张口现象；山西某氧化铝厂磨机稳定运行至今， 齿轮最大张口量仅为 0.10 ~ 0.15 mm，与优化前相比已降低 50%，对磨机正常运行影响不大。今后仍将继续研究、跟踪和解决氧化铝用磨机在发展和使用过程中出现的问题，为氧化铝用磨机的大型化和技术进步提供有益的参考。

作者简介：和蕴锋，女，1988年生，硕士，工程师，主要从事矿山机械装备研发工作。

关键词：  氧化铝；磨机；分瓣齿轮；紧固螺栓

中图分类号：TD453，文献标志码：B，文章编号：1001-3954(2022)02-0035-04

参考文献

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[2]    曲展鸿．国外氧化铝产业研究 [J]．中国有色金属，2019(4)：40-43.

[3]    信    稳，张    磊，聂壮壮，等．磨机齿圈接合面联接螺栓的强度校核和优化设计 [J]．矿山机械，2018，46(10)：33-37.

[4]    王春红，潘劲军，周    航，等．大型矿用磨机联接螺栓的受力分析与设计 [J]．矿山机械，2009，37(9)：85-88.

[5]    刘    巍．梯度耐火材料的设计及其在渐变温度场下的热应力分析 [D]．洛阳：中钢集团洛阳耐火材料研究院，2018：2-4.

[6]    范厚军．紧固件手册  [M]．北京：电子工业出版社，2007：188-226.

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来源：矿山机械杂志第50卷2022年第2期

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