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走進(jìn)中實(shí)中實(shí)洛陽機(jī)械工程科技有限公司（原中實(shí)洛陽工程塑料有限公司）于2017年11月01日更名成立,，注冊資金5000萬元。專門從事摩擦襯墊的研制、開發(fā)和生產(chǎn),，以及礦山設(shè)備,、配件的生產(chǎn)。
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產(chǎn)品中心提升機(jī)配件：摩擦襯墊,、天輪導(dǎo)向輪襯墊,、猴車襯墊、天輪襯墊,、滾筒襯板,、過渡塊、無石棉閘瓦,、壓塊,、固定塊、超高分聚乙烯板,、電纜掛鉤,、導(dǎo)繩板、滾筒襯塊等,。
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技術(shù)實(shí)力是中國礦業(yè)大學(xué)礦山機(jī)械摩擦材料科研基地,、教學(xué)實(shí)習(xí)基地，是河南科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研基地,，是中國重型機(jī)械工業(yè)協(xié)會會員單位,，是摩擦襯墊、塑料襯板等五項(xiàng)產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定者,。
大型半自磨機(jī)筒體襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與選材
發(fā)布時(shí)間：
2023-07-05
來源：
采礦業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)的基石，大到飛機(jī),、航母,、摩天大廈，小到汽車,、手機(jī),、電子元件，無一不依賴其提供最基礎(chǔ)的原材料,。半自磨機(jī)作為采礦業(yè)重要的破碎和研磨設(shè)備,，裝機(jī)量逐年攀升。耐磨襯板是半自磨機(jī)的重要部件,，主要作用是提升礦物和研磨介質(zhì),，使其相互摩擦碰撞，從而破碎,、磨細(xì)礦物,，同時(shí)保護(hù)磨機(jī)本身免受礦物和研磨介質(zhì)的損害。近30 年來,，由于磨機(jī)設(shè)計(jì)理論和磨機(jī)制造技術(shù)不斷進(jìn)步,，大型半自磨機(jī)得到廣泛應(yīng)用，目前全球最大半自磨機(jī)規(guī)格已達(dá)到 φ13.41 m×7.92 m,。隨著磨機(jī)規(guī)格的不斷增大,，為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率、降低礦石處理成本,，研磨介質(zhì) (主要是各種材質(zhì)的磨球，以鋼球居多) 的尺寸也不斷增大,，直徑由 φ70 mm 最大增至φ150 mm,，質(zhì)量由 1.41 kg 猛增至 13.87 kg。磨機(jī)半徑增大導(dǎo)致線速度增大,，φ12.2 m 半自磨機(jī)中 φ150 mm鋼球的沖擊力約為 φ5 m 半自磨機(jī)中 φ70 mm 鋼球沖擊力的 24 倍,。
由于半自磨機(jī)內(nèi)部鋼球的拋落受到磨機(jī)轉(zhuǎn)速、襯板高度,、提升面角等影響,，鋼球運(yùn)行軌跡復(fù)雜，有部分鋼球會直接沖擊筒體襯板,。高頻次,、高能量沖擊會導(dǎo)致表面材料疲勞，造成襯板超預(yù)期磨損和斷裂,，這對襯板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,、材料強(qiáng)韌性和耐磨性提出了更高的要求,。近年來，半自磨機(jī)襯板的材料和制造工藝進(jìn)步明顯,，但仍然難以滿足半自磨機(jī)大型化給耐磨襯板帶來的巨大挑戰(zhàn),。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，必須持續(xù)提高襯板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并合理選擇襯板材料,，以抵抗鋼球巨大沖擊力造成的破壞和襯板的超預(yù)期磨損,。筆者結(jié)合多年來的襯板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，對半自磨機(jī)襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和選材進(jìn)行系統(tǒng)研究和總結(jié),。
1 襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
依據(jù)提升條在襯板上的位置分布,，可以將半自磨機(jī)筒體襯板的結(jié)構(gòu)形式分為“丄”形 (“山”形)、“L”形和分體式,，如圖 1 所示,；也有學(xué)者依據(jù)襯板的整體形狀對襯板結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了細(xì)分，如楔形,、波形,、平凸形等。無論筒體襯板采用何種結(jié)構(gòu)形式,，其目的都是提升物料和保護(hù)筒體,。半自磨機(jī)的主要作用是破碎，改進(jìn)襯板結(jié)構(gòu)的主要目標(biāo)是增加提升能力,、強(qiáng)化破磨效果,。襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則是，既要解決磨機(jī)襯板頻繁更換帶來的低運(yùn)轉(zhuǎn)率問題,，又要在滿足產(chǎn)能要求條件下使襯板有足夠長的壽命,，且容易安裝和拆卸。
1.1 筒體襯板提升條數(shù)量
為了更加合理地確定筒體襯板提升條數(shù)量,，國內(nèi)外眾多學(xué)者使用離散元法模擬了提升條數(shù)量對物料提升以及物料運(yùn)行軌跡的影響,。有學(xué)者認(rèn)為，磨機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí),，鋼球是否被拋落取決于提升條的數(shù)量,，數(shù)量越多，鋼球被拋落次數(shù)越多,。有學(xué)者認(rèn)為,，提升條越多，提升的介質(zhì)越多,，破碎和粉磨的效率越高,。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論認(rèn)為，半自磨機(jī)筒體襯板提升條數(shù)量等于磨機(jī)直徑數(shù)值 (以英尺為單位) 的 2 倍。有學(xué)者統(tǒng)計(jì)了自 φ8 m 至 φ12 m 的半自磨機(jī)筒體襯板提升條數(shù)量,，結(jié)果顯示當(dāng)筒體襯板采用等高方案時(shí),，半自磨機(jī)直徑數(shù)值 (以英尺為單位) 與提升條數(shù)量之比等于或接近 1∶1。筆者結(jié)合半自磨機(jī)襯板設(shè)計(jì)實(shí)踐認(rèn)為,，當(dāng)筒體襯板采用高低襯板交替排布時(shí),，半自磨機(jī)直徑數(shù)值 (以英尺為單位) 等于或接近提升條數(shù)量的1.5 倍較為合理。當(dāng)襯板提升條數(shù)量達(dá)到某一臨界值時(shí),，相鄰提升條根部距離小于 2 倍最大鋼球直徑,，相鄰襯板間的容積減小，鋼球?yàn)a落數(shù)量明顯增加,，大部分物料相互滑動,，此時(shí)鋼球的破碎能力下降，不利于礦石的破碎,?；谝陨戏治觯r板提升條數(shù)量應(yīng)保證相鄰提升條根部距離大于等于 2 倍最大鋼球直徑,。
1.2 襯板的提升面角
提升面角的作用是盡可能多地使礦物和鋼球之間發(fā)生碰撞,，減小物料之間的相對滑動。在半自磨機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下,，提升面角在一定范圍時(shí),，磨機(jī)的臺效達(dá)到頂峰，此時(shí)磨機(jī)內(nèi)瀉落區(qū)范圍比例最小,，磨機(jī)的處理能力達(dá)到最大,。
確定最佳初始提升面角，是為了保證研磨介質(zhì)最大化拋落在料堆趾部,，避免直接沖擊襯板或料堆較厚部位,。鋼球直接沖擊襯板會增加襯板斷裂的概率，而沖擊料堆較厚部位對礦石的破碎效果較弱,。通過計(jì)算不同提升面角時(shí)鋼球在磨機(jī)內(nèi)的運(yùn)行軌跡和拋落點(diǎn)可以確定最佳提升面角,。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的離散元分析軟件和專業(yè)的襯板設(shè)計(jì)軟件被開發(fā)出來,。Mill Traj Liner Design Software 是一款專業(yè)襯板設(shè)計(jì)軟件，通過輸入磨機(jī)規(guī)格,、轉(zhuǎn)速,、提升條高度、提升面角度,、提升條數(shù)量等,，研究鋼球的拋落位置，模擬鋼球在筒體內(nèi)的運(yùn)行軌跡，輔助和驗(yàn)證襯板提升面角設(shè)計(jì),，如圖 2 所示,。
通常情況下，根據(jù)不同的磨機(jī)規(guī)格和轉(zhuǎn)速,，提升面角的范圍為 25°～ 35°,。由于物料的運(yùn)動軌跡和格子板的排料作用，出料端鋼球和礦料比例高于進(jìn)料端和中間段筒體,，加重了鋼球?qū)σr板的沖擊和沖刷,，對不同部位的筒體襯板可以采用不同的提升面角。例如,，進(jìn)料端,、中間段和出料端的襯板可分別采用 31°、32°和 35°的提升面角,；非提料側(cè)承擔(dān)的沖擊和磨損較輕,，可以采用小角度面角，通常為 5°～ 15°,。
半自磨機(jī)襯板的整個(gè)壽命周期大致要經(jīng)歷 3 個(gè)階段：產(chǎn)能提升期,、產(chǎn)能穩(wěn)定期和產(chǎn)能衰減期。一般情況下,，產(chǎn)能穩(wěn)定期提升條面角大于提升條初始面角,，此時(shí)磨機(jī)內(nèi)物料的相對運(yùn)動達(dá)到最大值，磨機(jī)的處理效率最高,；隨著襯板的進(jìn)一步磨損,，提升面角越來越大，磨機(jī)內(nèi)物料相對運(yùn)動越來越弱,，產(chǎn)能逐漸衰減,，磨機(jī)功耗上升。為了解決襯板安裝初期產(chǎn)能不足難題,，可以采用“上大下小”的變面角方案 (見圖 3),。上部提升面角與磨機(jī)實(shí)際運(yùn)行的最佳提升角度范圍接近，能夠使襯板在運(yùn)行初期即可快速達(dá)到磨機(jī)的額定臺效,；隨著襯板的磨損,，提升條下半部面角在壽命中后期達(dá)到最佳提升角度范圍，可以延長襯板提升條處于最佳提升角度的時(shí)間,。
1.3 提升條高度
肖賢煌采用離散元法,，基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)原理，通過分析半自磨機(jī)內(nèi)部各層級載荷顆粒的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動狀態(tài),，發(fā)現(xiàn)相近層級下的載荷顆粒具有相似的運(yùn)動規(guī)律,，將半自磨機(jī)內(nèi)部載荷劃分為提升區(qū),、死區(qū)、瀉落區(qū)和拋落區(qū),。提升區(qū)和拋落區(qū)的范圍越大,，半自磨機(jī)的處理能力越強(qiáng)，因此,，需要通過調(diào)整提升條高度和提升面角的大小,，盡可能減小死區(qū)和瀉落區(qū)的范圍。
當(dāng)襯板提升條數(shù)量和磨機(jī)轉(zhuǎn)速確定時(shí),，提升條的高度越高,、提升面角越小，鋼球和礦料被拋落的距離越遠(yuǎn),。一般情況下,，提升條高度應(yīng)等于鋼球的最大直徑，波谷半徑等于或稍大于最大鋼球半徑,。但隨著半自磨機(jī)的大型化,，由于磨機(jī)內(nèi)部高頻次、高能量介質(zhì)對襯板的強(qiáng)烈沖擊和沖刷作用,，提升條高度等于或略大于最大鋼球直徑已經(jīng)很難滿足礦業(yè)企業(yè)對襯板高耐磨性,、長壽命、壽命期內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行的苛刻要求,。據(jù)筆者多年設(shè)計(jì)和制造 φ10 m 以上半自磨機(jī)襯板的經(jīng)驗(yàn),，在特大型半自磨機(jī)上，提升條的有效高度 (襯板總高與底板厚度之差) 至少為最大鋼球直徑的 2 倍以上,。同時(shí),，增加提升條高度可以減弱鋼球和物料對底板的沖刷，減輕襯板底板的早期磨損,。以國內(nèi)某銅礦φ11.0 m×6.4 m 半自磨機(jī)和某銅鉬礦 φ10.97 m×7.16 m 半自磨機(jī)為例,，最新設(shè)計(jì)的筒體襯板提升條的有效高度分別為最大鋼球直徑的 2.2 倍和 2.3 倍。
1.4 提升條高度的軸向分布
由于不同半自磨機(jī)中物料進(jìn)入磨機(jī)的落點(diǎn),、鋼球充填量和綜合充填量等各不相同,，筒體襯板的高磨損區(qū)域也各不相同。為了避免局部高磨損襯板提前失效,，需要對襯板提升條高度在軸向的分布進(jìn)行調(diào)整,，增加高磨損區(qū)域提升條高度，適當(dāng)減小低磨損區(qū)域提升條高度,，在保證襯板整體壽命的情況下,，實(shí)現(xiàn)不同部位襯板的壽命匹配。
研究人員通過三維激光空間掃描技術(shù),，建立磨機(jī)襯板磨損曲線與時(shí)間的關(guān)系，對不同部位的襯板使用壽命進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)襯板磨損形狀,，對襯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,，同時(shí)結(jié)合不同部位的選材及硬度、沖擊韌性設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)壽命匹配,。三維激光掃描技術(shù)將襯板的磨損狀態(tài)轉(zhuǎn)化為可編輯點(diǎn)云，以磨機(jī)筒體內(nèi)壁建立三維標(biāo)準(zhǔn)模型,，二者進(jìn)行比對可以獲取厚度色譜圖和不同部位的準(zhǔn)確厚度,，如圖 4、5 所示,。也可以襯板三維初始結(jié)構(gòu)裝配圖為標(biāo)準(zhǔn)模型與點(diǎn)云對比,，能夠直觀地顯示襯板的磨損程度，如圖 6 所示,。
1.5 筒體襯板的金屬量及數(shù)據(jù)庫建設(shè)
半自磨機(jī)筒體襯板金屬量和結(jié)構(gòu)是襯板設(shè)計(jì)的重要參數(shù),，襯板的正常失效最終都反映為襯板金屬量的損失。在選擇合適提升條高度,、提升面角的前提下,，適當(dāng)增大提升條頂寬，使襯板的有效金屬量 (一般為襯板總質(zhì)量的 70% 左右) 增多,，可以進(jìn)一步提高襯板的使用壽命,。
為了便于在襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)提供參考依據(jù)，建立以單位面積筒體上襯板質(zhì)量為參數(shù)的數(shù)據(jù)庫,。數(shù)據(jù)庫的其他參數(shù)包括襯板高度,、底板厚度、提升面角,、提升條頂寬,、礦石參數(shù)、實(shí)際使用壽命或處理礦量等,。設(shè)計(jì)襯板結(jié)構(gòu)時(shí),，依據(jù)磨機(jī)規(guī)格、礦石參數(shù)和額定處理量等,，選取相同或相近規(guī)格半自磨機(jī)的襯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行參考,。
2 半自磨機(jī)襯板的選材
半自磨機(jī)襯板失效的主要形式有磨損失效、變形失效和斷裂失效,，半自磨機(jī)襯板磨損的主要形式有三體磨損,、疲勞磨損和腐蝕磨損。大型半自磨機(jī)中,，高頻次,、高能量鋼球的沖擊使襯板表面形成疲勞層,，導(dǎo)致三體磨損和腐蝕磨損加劇。半自磨機(jī)襯板的選材,，要同時(shí)兼顧高耐磨性和高沖擊韌性,，還要避免材料在沖擊下發(fā)生嚴(yán)重變形。
2.1 鋼鐵基耐磨材料
用于半自磨機(jī)襯板的鋼鐵基耐磨材料主要有 4 大類：奧氏體錳鋼,、馬氏體鋼,、抗磨白口鐵和珠光體鋼。奧氏體錳鋼是半自磨機(jī)襯板使用最為廣泛的材料,，受到?jīng)_擊或者接觸應(yīng)力時(shí),，奧氏體組織會迅速發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，形成一定厚的硬化層抵抗磨損,，當(dāng)應(yīng)力消失,，組織又會迅速恢復(fù)為奧氏體；但隨著半自磨機(jī)大型化,，高能量沖擊使襯板組織內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)超奧氏體錳鋼形變應(yīng)力極限,，組織隨之發(fā)生流變、疲勞,，磨損加速,，甚至發(fā)生斷裂，難以滿足大型和超大型半自磨機(jī)襯板耐磨性強(qiáng),、耐沖擊性強(qiáng),、抵抗變形能力強(qiáng)的性能需求。馬氏體鋼大多通過淬火處理獲得,，快速冷卻使組織迅速發(fā)生轉(zhuǎn)變,，組織內(nèi)殘余應(yīng)力很難完全消除，沖擊韌性較差,?？鼓グ卓阼F組織中塊狀碳化物含量高，材料硬度高,，脆性大,，碳化物嚴(yán)重割裂基體組織，高頻,、高能沖擊極易導(dǎo)致襯板產(chǎn)生裂紋,，甚至斷裂、脫落,。以上材料都很難滿足大型半自磨機(jī)襯板的高耐磨性,、長壽命、壽命期內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的苛刻要求,。
珠光體鋼是一系列以錳,、鉻,、鉬、鎳為主要合金元素的耐磨鋼的總稱,，碳含量通常在 0.3%～1.0% 之間,，合金元素總含量低于 5%，熱處理后組織以珠光體和碳化物為主,。可以通過調(diào)整碳和合金元素含量,，使用不同的熱處理工藝滿足不同規(guī)格磨機(jī)對襯板的性能要求,，硬度和沖擊韌性在很大范圍內(nèi)可調(diào)整，硬度范圍 300～500 HB,，無缺口沖擊功10～50 J,。
低合金珠光體鋼已廣泛應(yīng)用于 φ8 m 以上半自磨機(jī)襯板，國內(nèi)外主要耐磨襯板制造商均采用珠光體鋼作為大型半自磨機(jī)襯板的主材質(zhì),，并取得了良好的使用效果,。
2.2 橡膠襯板和鋼-橡復(fù)合襯板
橡膠作為耐磨材料，自 20 世紀(jì) 50 年代末就用于礦山耐磨件,。1967 年,，銅陵有色鳳凰山銅礦采用橡膠作為耐磨材料，屬國內(nèi)首次,。耐磨橡膠主要采用聚氨酯橡膠,，其特點(diǎn)是耐磨性能好，抗腐蝕性強(qiáng),，密度低,，質(zhì)量輕，噪聲小,，且安裝容易,。耐磨橡膠可以單獨(dú)作為襯板材質(zhì)使用，以碳鋼或鑄鐵作為骨架在模具中灌注耐磨橡膠,，主要用于規(guī)格較小的半自磨機(jī)和球磨機(jī)襯板,；也可與抗磨白口鑄鐵、馬氏體鋼等耐磨材料制成鋼-橡復(fù)合襯板,，在云南某銅礦 φ9.75 m×4.72 m 半自磨機(jī)中試用,，與耐磨鑄鋼襯板壽命相當(dāng)，但有耐磨塊脫落的現(xiàn)象,。
橡膠襯板和鋼-橡復(fù)合襯板整體質(zhì)量僅為鋼襯板的 1/3～1/2,，具有質(zhì)量輕、耐沖擊,、能耗低,、工作環(huán)境噪聲小的特點(diǎn),。但橡膠襯板易變形，而鋼-橡復(fù)合襯板存在結(jié)合不牢固,、耐磨塊易脫落等缺點(diǎn),，嚴(yán)重制約了這 2 種材料在大型半自磨機(jī)襯板上的應(yīng)用。
3 結(jié)論
半自磨機(jī)不同部位襯板的磨損程度不同,，襯板的使用壽命嚴(yán)重不均,。為應(yīng)對大型半自磨機(jī)內(nèi)高頻次、高能量鋼球的沖擊,，延長襯板的使用壽命,，使襯板在服役期內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，對大型半自磨機(jī)筒體襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和選材進(jìn)行系統(tǒng)研究,，得出以下結(jié)論,。
(1) 根據(jù)襯板等高或高低交替排布方案，半自磨機(jī)直徑數(shù)值 (以英尺為單位) 與提升條數(shù)量之比應(yīng)為1∶1 或 1.5∶1.0,；相鄰提升條根部距離應(yīng)大于等于 2倍最大鋼球直徑,。
(2) 提升條有效高度應(yīng)大于等于 2 倍最大鋼球直徑。
(3) 最佳提升面角范圍為 25°～ 35°,，不同部位的襯板可以采用不同的提升面角,，同一襯板可以采用變面角設(shè)計(jì)。
(4) 可以采用專業(yè)襯板設(shè)計(jì)軟件和三維激光掃描分析技術(shù),，輔助和驗(yàn)證襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),。
(5) 建立以單位筒體面積上襯板金屬量、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),、礦石性質(zhì)和襯板使用壽命或處理礦量為參數(shù)的數(shù)據(jù)庫,，能夠快速、合理地確定襯板設(shè)計(jì)方案,。
(6) 目前大型半自磨機(jī)襯板的最佳材質(zhì)為珠光體鋼,，橡膠襯板和鋼-橡復(fù)合襯板也可以在部分半自磨機(jī)襯板上應(yīng)用。
引文格式：
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[1]岳建國,，刁曉剛,，岳衛(wèi)國，等.大型半自磨機(jī)筒體襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與選材.[J].礦山機(jī)械,2023,51(6):36-40. |
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