2018年11月8日中午12：00，我公司2#水泥磨磨頭中空軸法蘭與端板接合處漏料，立即停機檢查，從中空軸法蘭外側到端板不同位置的距離（最小距離為100mm，最大距離為110mm）以及漏灰情況初步斷定磨機端板斷裂，即安排拆除端襯板進行檢查確認。通過倒球、完全拆除磨機端襯板、剔掉水泥砂漿進一步確認，發現磨機筒體端板已裂開整圓的70%，斷裂處最大錯縫達12mm，圖1為斷裂位置及錯縫情況示意圖。

正常修理辦法就是拆下磨機筒體去磨機生產廠家更換端板，此過程包括拆除、修理單位制作加工、運輸、最終安裝，修理時間預估最少為3個月，可當時正值水泥銷售旺季，為節約修理時間，把損失減少至最小，最后決定在線修理。

2.1 磨機整體受力分析

磨機直徑為3800mm，端板厚度110mm，磨機筒體及襯板隔倉板等自重約達150t，鋼球重量約為190t，內部物料按20t計算，根據磨機幾何關系，可 以計算出磨頭中空軸所受的支座反力為1845109N（此處未考慮其所受的扭矩），受力分析見圖2。

2.2 磨機端板應力及變形計算

端板與中空軸接觸處從水平位置到最高處或最低處受力逐漸增大，從最高處或最低處受力到水平位置受力逐漸減少至零，如果按傳統的方法計算比較困難，所以選擇有限元軟件ANSYS進行計算，步驟簡介如下。

（1）選擇單元類型及填寫材料屬性。選擇20node186單元，材料彈性模量為2E11Pa，材料泊松比為0.3。

（2）建立模型。端板厚度110mm，與中空軸結合處厚度為100mm，據實際尺寸建立模型如圖3所示，圖中的不同的灰度分別表示中空軸、磨機端板、部分筒體，三部分通過粘接命令鏈接在一起。

（3）劃分網格并加載。中空軸與軸瓦接觸角度按30°計算，得到軸瓦和中空軸接觸的弧面的弦長為0.4403m，軸瓦寬度為0.8m，接觸面的壓力為：

1845109/(0.4403×0.8)=5238215.42Pa

把此壓力加載在中空軸下面為30°的弧面上（其豎直向上的力仍為1845109N），另外對部分筒體的端面約束所有自由度，加載結果如圖4所示。

（4）分析及查看結果。點擊分析后得到的當量應力云圖見圖5，形變云圖如圖6所示。

從圖5可以看出，端板的的止口處產生應力集中，最大當量應力值為213MPa，此值接近材料的屈服強度，且該應力值產生在端板的下部，受中空軸對其施加的拉力，產生的是拉應力，當該點轉到上部時承受的是中空軸對其施加的壓力，產生的是壓應力，端板承受的是交變應力且應力幅較大。

從圖6中可以看岀，端板的某一點在下部時，往X軸負方向（看圖中坐標系）變形，變形的最大絕對值位-0.63mm，當其轉到上部時，往X軸正方形變形，變形量最大值為0.43mm，總的變形約為1mm，總變形量較大。

球磨機端板材質為Q235B，根據1995年版《機械工程材料性能數據手冊》中Q235B鋼，圓柱形缺口（應力集中系數等于2）試樣存活率為99.9%的疲勞極限為142MPa。斷裂地方恰好在端板止口處，所以材料的疲勞極限可參照上述的142MPa選取，但計算得到端板止口處最大的應力值達213MPa，遠大于疲勞極限，且承受的是交變應力、形變大，所以疲勞斷裂就是該次斷裂的主要原因。

根據斷裂原因分析，我們選擇對端板斷裂處進行補強來降低該處的應力，直至達到疲勞極限以下。按加強方法進行了分析計算。

建立模型如圖7所示，新添補強板，補強板厚度為90mm。按照上面的步驟計算變形結果見圖8，當量應力結果見圖9。可以看到最大變形量的絕對值已明顯減少，向X軸負方向的變形量為0.347mm，X軸正方向的變形量為0.191mm，可以看到最大當量應力值為110MPa（低于端板材料的疲勞極限），比較安全。

經三年來的正常運行證明該在線修理方案是成功的，另外相對于拆除磨機筒體外修費用節約拆安費用45萬元左右，相對于拆除磨機外加修減少了維修時間不少于兩個月，減少了對生產的影響。

作者：欒江濤1，欒晨晨2，甘愛均1

所屬：1南陽中聯水泥有限公司；2四川大學

來源：《水泥工程》

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