超大型矿用磨机吊装运输方案研究

随着能源成本的增加和矿山品位的下降，降低建设投资和生产成本是世界各国矿业面临的重要课题。采用高效大型磨矿设备是近年来选矿厂建设的主要方向。特别是随着世界工业的迅速发展，加工制造能力的大幅提高，无齿轮传动电机的出现，轧机规格的限制因素越来越少。目前世界上最大的自磨机/半自磨机直径甚至达到12.8m(42ft)，球磨机直径达到8.53m(28ft)。

大型粉磨设备可以扩大生产规模，降低初期投资和运行成本，节约能源，提高零部件的可靠性和使用寿命，减少停机时间，提高开工率和回收率，最终实现效益最大化。但也存在很多问题，不仅增加了设计制造的难度，也给吊装、运输、安装带来很多困难。磨机关键大件的吊装和运输方案如下。

1超大型磨机大件吊装方案

超级磨的关键部件一般指空心轴、端盖、筒体和大齿轮。工程师在设计产品时，不仅要计算吊耳的强度和夹紧螺栓的起吊能力，还要设计合适的放置位置和起吊角度，甚至要考虑加工面的局部保护，如加吊耳护板等。

1.1空心轴提升

随着磨机直径的增大，筒体、端盖和大齿轮可根据加工、运输或现场吊装能力设计成分段、分段结构。而空心轴无法分段，就成了质量相对集中的部件，有时甚至是身管中最重的部件。空心轴的吊耳必须严格区别于运输和组装的吊耳。一般设计三个吊耳，120均匀分布在外圆上。吊耳的方向应与起重缆绳的方向一致，并在3点钟位置水平起吊。装配吊耳安装在法兰与端盖连接的非结合面上，与其中一个运输吊耳轴向平齐，可以组合吊装。根据澳大利亚标准AS2741—2002，电缆的夹角不应超过60。在安装过程中，垂直角度可以通过下面的运输吊耳进行调整，如图1所示。

图1空心轴吊耳

1.2端盖提升

由于加工和运输条件的限制，超大型磨机的端盖一般是与空心轴分开的，端盖本身也往往分成几块。无论端盖是否分体，都应设计有运输吊耳和组装吊耳，如图2所示。

图2端盖吊耳

图3中，三个运输吊耳沿端盖圆周方向呈120均匀分布，便于水平运输。图4组装吊耳之间的夹角不应超过60，吊环方向应设计成顺着电缆方向，有利于吊耳受力。底部留有运输吊耳，用于调整垂直角度。

图3运输吊耳的平端盖

图4组装吊耳和运输吊耳组合安装端盖。

对于分体式端盖，当几个端盖一起起吊时，应同时使用2~4个主吊耳，但两根钢丝绳之间的夹角不得大于30，如图5所示。

图5分体端盖的吊装方法

1.3气缸提升

当磨机规格比较小时，不受加工和运输条件的限制。枪管沿轴向分段，但圆周不需要分段，所以可以整段投送。当然，现场吊装能力也要达到整体吊装能力。在运输过程中，钢瓶是水平的，吊装时不需要翻转，只需要外部吊耳，如图6所示。注意，外部吊环的方向必须沿cir排列

方向分段，而且沿圆周方向还要分瓣，运输过程中分为立式或扣式，如图 7 所示。吊装时需要翻转，此时应严格区分运输吊耳和装配吊耳，并设计有筒体内外吊耳。内吊耳均布于筒体内壁，用于运输或翻转；外吊耳用于吊装和现场安装，沿轴线方向对称分布。注意吊环方向应与吊缆方向一致，如图 8 所示。

(a) 立式运输

(b) 扣式运输

图 7　分瓣筒体运输

图 8　筒体外吊耳

另外，筒体支撑对筒体起吊和运输也起到了重要作用。在起吊和运输整个过程中，筒体支撑不能拆除，它是减少筒体变形的关键部件，待磨机完全安装完毕后才可以拆除。以往小磨机的支撑一般是直接点焊在筒体内壁上，但是大型磨机的筒体支撑必须采用螺栓连接式结构，除了避免筒体焊接时变形外，还有一个关键的细节，就是大型磨机筒内粘有 6 mm 橡胶垫，而支撑板与筒体内壁之间的衬垫需要待拆除支撑后现场粘接。

1.4　吊环强度计算

对于超大型磨机来说，吊耳的强度计算至关重要。吊耳底板、吊环、三角板加强肋的尺寸、焊缝尺寸、吊环方向，以及起吊螺栓强度等都要经过详细的分析计算。

下面以筒体吊耳为例，对筒体运输起吊和典型安装起吊两种情况进行有限元分析，如图 9 ~ 12 所示。在建模过程中保留了吊耳的所有特征及筒体布置吊耳处的主要特征，对筒体其他螺纹孔等非关注特征进行了必要的简化。

图 9　运输起吊模型

图 10　典型安装起吊模型

图 11　吊耳的变形云图

图 12　吊耳的综合应力云图

从分析结果可知，筒体运输时，吊耳的最大变形为 0.075 mm，综合应力为 74.1 MPa，吊耳的材料为 Q235A，材料许用应力为 235 MPa，故能满足要求。筒体安装时，吊耳的最大变形为 0.3 mm，综合应力为 142.5 MPa，吊耳的材料为 Q235A，材料许用应力为 235 MPa，也能满足要求。

除了 FEA 有限元分析，笔者提供一种简单的计算方法，即主要从吊耳结构本身和连接螺栓两个方面来进行校核计算。

(1) 校核吊耳结构　主要考虑吊耳材料的强度和焊缝的强度两个方面。一般来讲，吊耳基板厚度与所吊物体的厚度相当。眼板的强度计算是根据其材料特性和剪切面积，计算出剪切强度和极限承载能力；然后根据焊接面积校核焊缝强度，根据焊缝的抗剪和抗拉强度计算出焊缝的极限承载能力，优化焊缝尺寸及坡口角度，如图 13 所示。

图 13　眼板强度计算

(2) 校核起吊螺栓规格、性能等级和数量　螺栓主要是由其屈服应力、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、规格和螺距等参数参与校核计算，可查相关手册 (见表 1)。必须考虑吊耳的几何形状和数量，以及螺栓跨距等，将吊耳的实际载荷分摊到各个螺栓上去，才能反映出螺栓的真实受力情况，如表 2 所列。

表 1　螺栓材料及性能等级

表 2　螺栓起吊能力验算

2　超大型磨机的运输方案

2.1　国内运输

随着我国经济的快速发展，交通也越来越发达，产品设计受运输条件的限制也越来越小。但由于我国地域差异，仍有一些边远地区的运输非常困难，比较特殊的是高纬度、高寒地区的运输和高海拔地区的运输。

2.1.1　高纬度、高寒地区的运输

中国黄金集团乌努格吐山铜钼矿 (简称乌山铜钼矿)，是我国高纬度、高寒地区第一个现代化大型有色矿山，是目前我国处理量最大的铜钼矿。由中信重工机械股份有限公司 (简称“中信重工”) 设计制造的二期项目 φ11.0 m×5.4 m 半自磨机和 φ7.9 m×13.6 m 球磨机是目前国内规格最大的磨机组。此磨机组最大运输件是球磨机的整体端盖，质量达 88.5 t (含吊耳)，直径达 8.6 m。

中信重工的运输团队横跨 6 省市，行程 3 700 余 km，冒着内蒙古零下 25 ℃ 的严寒，提前并圆满完成了该项目的运输任务，成为我国大型矿用设备运输领域的一个标杆，为高纬度、高寒地区的运输提供了宝贵经验。

2.1.2　高海拔地区的运输

随着西部大开发进程的加快，西藏高原越来越受到矿业投资者的青睐。 

中信重工为中国黄金集团西藏华泰龙项目生产的φ10.37 m×5.19 m 半自磨机和 φ7.32 m×12.5 m 球磨机，用于西藏甲玛铜多金属矿二期工程，该工程预计总投资 50 亿元，计划于“十二五”末投产运行。工程完工后，甲玛矿年处理矿石将达到 1 260 万 t，年销售收入可达 40 亿元，将成为西藏首座世界级大矿区，对西藏经济社会发展具有重大意义。该矿海拔 4 600 m，是世界上海拔最高的矿山，创造了高海拔地区工业发展史上的奇迹。此磨机组最大运输件是半自磨机的大齿圈，直径近 13 m，整个齿圈分为四瓣，每瓣质量达 22 t，运输最大尺寸近 10 m；最重运输件为球磨机的中空轴，质量超过 45 t (含吊耳)。

中信重工的运输队仅用了 15 天就圆满完成了此项艰巨任务，为高海拔地区大型设备的运输提供了解决方案。

2.2　国外运输

与国内运输相比，国外运输情况更加复杂多变。有的国家交通比较发达，对运输件尺寸的限制较宽，这样就可以选择在港口预组装的方式，尽可能多地将各个零部件组装在一起发货，大大降低了国外的运输和安装成本；有的国家交通比较落后，对运输件的尺寸要求非常苛刻，即便是直径不是很大的磨机也要分多瓣设计才能满足运输条件，这样无疑增加了设计、制造和运输成本。

2.2.1　港口预组装

对于交通较为发达的国家，在港口预组装时，尽可能多地将各个零部件组装在一起发货，到了国外可以减少运输车辆的数量，缩短现场安装时间，大大降低了工程造价和工期。但港口预组装也不是盲目地追求组装数量的最大化，要受到码头承载能力和国外现场运输及安装能力的限制。

最好的例子就是西澳 SINO 铁矿项目，该项目位于普雷斯顿角 (Cape Preston)，距西澳大利亚皮尔巴拉 (Pilbara) 地区卡拉萨 (Karratha) 西南部 100 m 远，是澳大利亚最大的在建磁铁矿开采与加工运营项目，共有 6 台 φ12.2 m×11.0 m 自磨机和6 台φ7.9 m×13.6 m 溢流型球磨机，由中信重工设计制造。国内运至港口后，在港口进行预组装，之后海运至西澳的普雷斯顿角铁矿。

综合考虑预组装场地位置、运输道路和出港道路能满足设备运输所需空间和强度的要求等因素，选择在江苏常熟兴华港区进行预组装。磨机预组装平台的强度、刚度和平整度均要满足施工要求。经过反复计算，以鞍座和支墩结构组成的平台满足该项目磨机的预组装要求，如图 14 所示。

图 14　港口预组装

港口组装后的磨机旋转部分体积和质量非常大，自磨机质量约 1 300 t，球磨机质量约 800 t，并且组装后的体积非常集中。为了使组装后的磨机顺利上船，采用了轴线车滚装技术，利用涨潮进行滚装作业。当涨潮开始后，驳船甲板与码头平齐，运输车组开始滚装上船。滚装过程中由于船体首尾受力不平衡，必须用船载水泵调整前后压水舱的水量来保持船体前后水平，确保此庞然大物顺利上船，如图 15 所示。

1. 轴线车　2. 分载梁位置　3. 磨机　4. 预组装鞍座

(a) 滚装上船示意

(b) 现场照片

图 15　滚装上船

2.2.2　海上运输

仍以 SINO 项目为例，磨机顺利上船后，并不意味着可以高枕无忧地运输至目标港口，还要考虑在复杂多变的海上运输过程中磨机的受力问题。中信重工的工程师们首次对这种情况下的磨机受力进行了有限元分析。根据实际情况建立模型后，进行总体网格划分，如图 16 所示。

图 16　磨机总体网格划分

根据上海海事大学提供的载荷数据，将重力载荷、船舶纵向摆动载荷、横向摆动载荷、垂向起伏载荷均换算成加速度加载，侧向风载荷按照风压加载，背风面负压也按照风压加载，如表 3、4 所列。

表 3　加速度值计算结果

表 4　风压数据

有限元分析表明，自磨机筒体与鞍座上缘接触处应力最大，鞍座支架部存在应力集中，自磨机最大变形出现在筒体，最大位移量为6.11 mm (三向等效位移量)。计算分析结果如图 17、18 所示。

图 17　自磨机变形云图

图 18　自磨机等效应力云图 

3　模块化运输带来的安装问题

掌握了模块化运输技术后，模块化安装问题又暴露出来。

仍以SINO 为例，磨机顺利到达目标港口后，经过陆路运输至采矿现场。SINO 项目的设备基础距地面高度 22 m，怎样将磨机提升至皮尔巴拉易受疾风影响的距地面高度 22 m 处，并在毫米精度内将磨机降至滑履轴承上，是一个难点，需要一个完全创新的方案。决定采用链式起重方式为磨机旋转部的整体安装提供一个更加安全和快速的解决方案，将安装周期从几周缩短为几个小时，如图 19 所示。

(a) 磨机进入链式起重架

(b) 利用链式起重架和液压多轴车将磨机移至地基处

(c) 起重架将磨机升起、移入地基并下降至轴承座上

(d) 撤去起重架，完成筒体整体安装

图 19　磨机筒体整体安装

4　结语

随着磨机规格的增大，与起吊、运输能力的矛盾日益突出，设计师在设计超大型磨机时所要考虑的问题越来越多，简单地说，就是要“造得出，运得走，装得上”，想要满足这三点，需要综合考虑方方面面的因素。笔者以近年来所遇到的较为特殊、极端的项目为例，对超大型磨机的起吊和模块化运输分别做了详细阐述，为今后同类工程的应用提供了技术支撑和宝贵经验。

文中所阐述的是磨机超大件的起吊和运输问题，对于交通不发达的国家，磨机规格不易过大，筒体分瓣过多对结构设计不仅是一种危害，而且对加工制造和现场安装也带来诸多不便。除此以外，一些较大的配套件尺寸也有可能不能满足运输要求。比如采用同步电动机，如果尺寸过大，需要将定子和转子分瓣，由于定子是整体浸漆，运输至现场需重新嵌线，还要对接头做绝缘处理等等，这就需要电动机厂家派不同工种的工人到现场去二次制造，增加了维护成本，损失的是电动机良好的整体性能。还有减速器，如果尺寸超限，拆开发货，到现场还要增加安装调试费用，非常麻烦。在这种情况下，如果现场处理量较大，可以考虑采取多条线、小规格磨机的工艺方案，在此就不再展开阐述了。

来源：矿机之家

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