高压辊磨机机架上梁断裂仿真分析及修复处理.pdf

【68】第45卷 第08期 2023-08收稿日期：2021-10-30基金项目：天津市科技计划：技术创新引导专项优秀企业科技特派员项目（19JCTPJC41900）作者简介：张胜泉（1981-），男，天津蓟州人，副教授，硕士，主要从事重型装备设计研发及系统集成研究工作。高压辊磨机机架上梁断裂仿真分析及修复处理Simulation analysis and repair treatment for upper frame beam of high pressure grinding roll张胜泉1*，边汉民2ZHANG Sheng-quan1*，BIAN Han-min2（1.天津中德应用技术大学 机械工程学院，天津 300350；2.天津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400）摘 要：高压辊磨机自研制开发以来，设计制造方案不断优化，其机架的设计制造主要有装配式框架结构及铰接式结构有两种方向。在某水泥厂框架式结构机架上梁的断裂原因分析过程中，通过了解现场工况，使用有限元分析软件，分析了螺柱预紧力在357kN、257kN、157kN、57kN、47kN等不同约束下的模型应力及变形量的变化规律，得出螺柱松动是导致机架上梁损坏的根本原因，同时验证了机架结构设计方案的合理性。根据分析结论及机架制造工艺，提出了上梁的修复方案，经过实际运行验证，使用效果良好，为同类设备的维保提供了参考。关键词：高压辊磨机；机架；剪力销；仿真分析；修复中图分类号：TH131 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)08-0068-040 引言高压辊磨机自研制开发以来，历经研究开发、优化提高、大型化快速发展等三个阶段。国产高压辊磨机装机功率由290kW发展到了23150kW以上，产品设计制造质量稳步提升，能够与进口设备相媲美13。高压辊磨机主要由辊系、机架、喂料装置、传动系统、辊罩、液压系统、润滑系统、PLC系统等组成4,5。机架是高压辊磨机设备的基础，承受了设备的全部辊压力，并经过地脚螺栓传至土建基础。机架主要由上梁、下梁、中间板、端部件、承载销、定位销、联接螺栓、垫板等组成6。机架主体通常为装配结构，机架零件大部分为焊接件，先退火消除应力处理，后进行机加工7。以洪堡公司为代表的装配框架结构机架主要由2个相同上梁和下梁、类似的横梁、端部件等部件组成8,9。以魁伯恩公司为代表的铰接式机架，上梁及端部件可以向两侧打开后成为导轨8。高压辊磨机机架结构的加工、装配及安装质量直接影响着高压辊磨机设备的整机性能和运转效果。其剪力销结构，承受着巨大剪切力，加工工艺和质量控制方案要求非常严格10，有文献表明，剪力销孔加工后，其直径误差应控制在0.02mm以下，直线度误差应控制在0.03mm以下11。包家汉12等，使用APDL语言,对高压辊磨机机架的优化设计模型进行了有限元分析工作，合理设置了机架各部件间（如螺栓、销轴等）的接触方式，并对螺栓施加预紧力。分析结果显示，设计的机架结构满足工程的需要。鲍诺13等以RP160-140高压辊磨机的机架为研究对象，使用Solidworks自带的COSMOS Works软件，对机架整体进行模态分析，并得到机架的前6阶固有频率和振型，并进行危险位置的动应力分析，来完成对高压辊磨机机架的优化设计工作。张擎宇8等，分析了高压辊磨机架的原有结构，并优化设计新结构架体，以RP140-60高压辊磨机为模型，完成了新机架结构架体在不同载荷工况下的应力分析。主要采用CREO软件建模，ANSYS Workbench软件有限元分析，得出的等效应力云图和变形量云图，成为新结构设计的理论依据。张雪娟14等为满足特殊工况要求，在对辊磨机结构原理的分析基础上，确定了高压辊磨机组件设计所需的运动参数，并以Pro/E软件为建模仿真工具，针对高压辊磨机主要组件机架及磨辊进行建模和有限元分析，对满足要求的分析结果进行运动学仿真。以上分析针对机架整体结构较多，对剪力销及预紧螺柱的局部分析并不多。本文主要针对某水泥厂高压辊磨机机架断裂的情况，进行了较为详尽的理论分析并给出了机架修复的解决方案，实施效果良好。1 高压辊磨机框架式机架上梁断裂情况三河某水泥厂反馈，其使用的RP160-140高压辊磨机，在运转6年以后，出现了机架上梁剪力销位置的断裂情况，如图1所示。高压辊磨机设备有严格的质量管理措施，机架钢板在采购前有质量合格证明，焊接退火之后，有经过严格的焊缝探伤检验程序。一般来讲，机架使用寿命在10年以上，很少会出现损坏情况。机架损坏后，首先与岗位工人了解情况，发现螺柱有松动情况发生。根据现场了解到的情况，及机架设计的理论分析，设计部门认为机架断裂的根源就是螺柱松动。机架螺纹连接虽然普遍采用了双螺母防松结构，但高压辊磨机设备运转期间，振动异常强烈，极容易造成螺纹连接松第45卷 第08期 2023-08【69】动。如果岗位工人忽视此细节，螺纹松动会导致剪力销的承力效果大打折扣。图1 断裂的上梁 图2 补焊修复的上梁2 高压辊磨机框架式结构机架受力分析假设螺柱为单独的承力载体，针对RP160-140型号高压辊磨机，由料压产生的作用力F：F=PT*B*D。其中，PT为料压或投影压力，一般为50006000kN/m2；B为辊轴作用面宽度；D为辊轴作用面直径。针 对 R P 1 6 0-1 4 0 型 号 高 压 辊 磨 机，PT取 值5500kN/m2，B取值1.4m，D取值1.6m，带入数值得：F=5500*1.6*1.4kN=12320kN机架为左右对称结构，单侧机架承载的作用力为F单=F/2=6160kN，单侧螺柱能够承受的最大横向载荷15Ft=fizF0。其中，f为贴合面间的摩擦系数，取0.15；单侧机架的作用力在固定辊端由固定辊轴承座承载，螺柱数量z1为6颗，在活动辊端由端部件承载，螺柱数量z2为6颗，接合面数i=2，螺柱直径d=48mm；根据螺栓预紧力表，查询M48螺柱的拧紧力矩一般为3430Nm，对应预紧力F0为357kN。带入数据，得：Ft=0.15*2*6*357kN=642.6kN如果考虑摩擦系数不稳定引入可靠性系数kf=1.2，则Ft进一步缩小为535.5kN，远远达不到F单6160kN的受力要求。因此，高压辊磨机框式结构机架中，螺柱无法承受横向载荷，主要由剪力销承载。RP160-140高压辊磨机机架单侧承力位置，一般采用双剪力销配钻加工方式承受载荷，核算过程中按单销核算即可，剪力销参数为：D=0.12m,l1=0.62m单销承受的剪应力为：=F单/(2Dl1)=6.16/(0.12*0.62)MPa=82.8MPa。销材质按45钢考虑，受到剪切作用时，一般许用剪切应力1590MPa。不计螺柱承载的情况下，单个剪力销的承载能力足够。机 架 剪 力 销 孔 处 承 受 的 拉 应 力 为：=F单/(2hl2)=6.16/(0.125*0.62)MPa=79.5MPa，式中，销孔处剩余钢板高度h取值0.125m，钢板宽度l2取值0.62m。机架材质按Q235A考虑，受到拉伸作用时，一般许用切应力15120MPa，机架的承载能力足够。以上分析表明，高压辊磨机在正常运转期间，剪力销及机架销孔位置受到的应力均小于许用应力，设备能够稳定可靠运行。然而，在配置剪力销的框架式机架结构中，剪力销承受物料挤压传递过来横向载荷的前提条件是螺纹有效紧固，保证上下梁或端部件与剪力销有效接触。剪力销为圆形柱销，若机架在竖直方向未紧固，受到竖直方向分力则极容易造成剪力销的承载作用失效，剪力销不损坏，但螺柱折断，机架断裂。3 框架式机架结构仿真分析为了详细展示螺纹松动对机架连接效果的影响，使用有限元分析软件，对不同螺柱预紧力状态下的，机架模型、螺柱、剪力销、机架上梁对应销孔位置的应力和变形量的情况进行了分析。3.1 机架模型参数机架为左右对称结构，为减小仿真分析过程计算量，机架建模过程中，只对单边的上梁、下梁、端部件、轴承座、螺柱、螺母、剪力销进行了建模。上梁、下梁、端部件忽略焊缝影响，建模成为单个零件；轴承座为大型铸钢件；为了减少螺纹分析对整个模型的影响，螺柱采用圆柱体建模，螺母采用圆环建模。整体模型结构如图3所示。(a)简化机架模型及网格划分(b)机架模型约束图3 简化机架三维模型及约束3.2 约束参数及网格划分对机架下梁的底部进行固定约束，在端部件及轴承座的平面上加载料压作用力。机架上梁、下梁、端部件与轴承之间采用的接触方式设置为frictional，摩擦系数设置为0.2；螺柱与端部件、轴承座的接触方式设置为bond，螺柱与螺母的接触方式设置为bond，螺柱顶部与机架上梁、下梁的接触设置为frictional，摩擦系数设置为0.2；螺柱的预紧力分别设置为357kN、257kN、157kN等数值，通过螺【70】第45卷 第08期 2023-08柱预紧力变化查看机架整体应力变化，机架变形量，Y方向变形量，及螺柱、剪力销、机架销孔的应力变化。根据计算机的配置，考虑模型对比数据主要为相对变化数值，故在模型网格划分的控制上采用自动四面体划分方式，进行分析数据的采集记录。在螺柱预紧力为357kN的情况下，模型的整体应力分布情况如下图。图4 模型应力分析图5 模型变形量分析图6 螺柱应力分析图7 剪力销应力分析图8 上梁应力分析图9 上梁变形量分析图10 上梁剪力销孔应力分析图11 上梁剪力销孔变形量分析图12 剪力销X向应力分析图13 机架上梁销孔X向应力分析对模型分别加载不同螺柱预紧力数值，衡量机架上梁与端部件接触的销轴位置的应力及变形量数据，并用数值分析软件进行曲线绘制，最终的数值变化规律如图。同时，也分析了同一模型下，各颗螺柱加载不同预紧力数值后，模型的应力、变形量规律。第45卷 第08期 2023-08【71】图14 不同部件应力对比分析图图15 不同部件变形量对比分析图3.3 分析结果以上结果可以看出，按螺柱的拧紧力矩要求（即357KN预紧力）锁紧螺柱时，料压的承载主要由剪力销完成。此时剪力销的最大应力值为280.97MPa；机架上梁在剪力销孔位置处的最大应力值为185.1MPa，最大变形量为1.6455mm，上梁销孔X向最大应力值为133.64MPa；螺柱预紧力减小到47KN时，剪力销的最大应力值为196.49MPa，机架上梁在剪力销孔位置处的最大应力为154.95MPa，最大变形量为5.554mm，上梁销孔X向最大应力值增加为171.86MPa；随着螺柱预紧力的逐渐减小，剪力销承受的最大应力逐渐降低，剪力销孔位置的最大应力也有降低趋势，但剪力销孔X向的最大应力是增加的，机架上梁的变形量也逐渐增大，并超过极限变形量，直至应分分析结果失效，极端变形产生的应力会导致机架断裂。因此，推论机架上梁被拉断的最终原因应该是螺柱的预紧力降低，导致机架销孔位置的横向拉力增大，同时机架上梁向上弯曲，靠近辊面的第一个销孔位置在拉力、扭矩反复作用下，薄弱位置逐渐被拉断。有限元仿真分析结论与机架梁实际损坏位置相吻合。4 高压辊磨机机架梁修复处理机架上梁断裂原因虽然深入进行了分析，但上梁如何修复继续进行生产是另一重要问题。如图2所示，业主采用的辅助加固方案均无法承受设备在挤压物料过程中产生的横向载荷，剪力销无法再发挥作用。如前所述，剪力销和销孔的加工精度要求及配铰等加工工艺，导致更换上梁亦无法有效加工剪力销孔，从而装配不到位。若保证修复后设备长期稳定运转，需要将高压辊磨机上梁（连同端部件）拆回检修，并同时与端部件配钻销孔，以保证剪力销正常配合，并最终确定的方案为：1）供货方重新制作下图的区域，同时准备两个剪力销半成品，此件留加工余量，本件焊接退火后，加工坡口：图16 新制作的替换部件2）将业主方损坏的机架拉回供货方后，按下图尺寸（实线区域）进行加工，将损坏处加工掉，预留坡口；图17 损坏上梁加工区域示意图3）将以上两件拼焊，焊接过程敲击释放应力，全熔透焊缝，焊后探伤，考虑变形后，按下图加工到位：图18 上梁的拼焊方案4）剪力销孔正常尺寸为120，加工时只加工到118。5）将重新加工的上梁拉回业主方现场组装，优先保证轴承座与上梁剪力销处的配合，查看端部件与上梁的错位情况，点焊固定端部件与上梁。6）将上梁与端部件点焊状态下一起返厂进行配钻。7）配钻后，使用内径千分尺或游标卡尺测量孔的尺寸，配做销轴（销轴已提前备料）。通过周密的部署和实施，30个工作日后，修复处理得以顺利完成，截至目前设备运转良好。5 结语通过对高压辊磨机框架式机架的受力分析及校核，论证了某水泥厂上梁在生产运行过程中损坏的原因，并使用有限元分析方式，模拟了螺柱预紧力降低过程中，机架模型各部件的应力及变形量的变化规律。当螺柱预紧力低于一定数值时，机架上梁靠近辊面的剪力销孔位置X向应力增大，在拉力及扭矩力的综合作用下，剪力销孔位置极容易被拉断。针对机架上梁损坏情况，及剪力销配钻的工艺特性，提出了机架上梁的修复方案，保证业主方能够在31个工作日内修复完毕。已经完成修复的高压辊磨机，设备运【下转第76页】【76】第45卷 第08期 2023-08扰能力与稳态稳定性，具有一定的工程应用价值。参考文献：1 唐任远.现代永磁电机理论与设计M.北京:机械工业出版社,1999.2 韩京清.自抗扰控制技术估计补偿不确定因素的控制技术M.北京:国防工业出版社,2008.3 Formentini A，Trentin A，Marchesoni M，et alSpeed Finite Control Set Model Predictive Control of a PMSM fed by Matrix ConverterJ.IEEE Transactions on Indus-trial Electronics,2015,62(11):6786-6796.4 邓二凡,田联房.基于自抗扰控制技术的永磁交流伺服系统谐振抑制研究D.华南理工大学,2019:1-77.5 滕鹏.基于滑膜自抗扰控制的PMSM伺服系统研究与设计D.山东科技大学,2020:1-94.6 LIU Yihua，WEN Jiayi，XU Dacheng，et，alThe decoupled vector-control of PMSM based on nonlinear multi-input multi-output decoupling 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