回轉(zhuǎn)窯雙驅(qū)齒輪軸的研究與設(shè)計(jì)

李 英， 楊占凱， 欒志華

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司 設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110141)

回轉(zhuǎn)窯雙驅(qū)齒輪軸的研究與設(shè)計(jì)

李 英， 楊占凱， 欒志華

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司 設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110141)

本文介紹了回轉(zhuǎn)窯齒輪裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，對雙驅(qū)動齒輪軸進(jìn)行了詳細(xì)的受力分析，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，以降低成本，為企業(yè)創(chuàng)效益。

回轉(zhuǎn)窯； 齒輪軸； 小齒輪； 雙驅(qū)動； 彎矩

0 前言

中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司承制的Φ5.5 m×115 m大型回轉(zhuǎn)焙燒窯，是用于緬甸紅土鎳礦還原焙燒熔煉粗鎳鐵，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是形大而體重，給設(shè)計(jì)帶來了難度，既要保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又要保證整體布局及低成本，因此采取雙驅(qū)動系統(tǒng)。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動小齒輪同時(shí)與一個(gè)大齒輪嚙合帶動筒體運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

本文主要是對雙驅(qū)動齒輪軸進(jìn)行受力分析和設(shè)計(jì)校核，在保證強(qiáng)度的前提下，采用合理結(jié)構(gòu)，盡可能降低成本，提高生產(chǎn)效率。

1 齒輪裝置結(jié)構(gòu)

小齒輪裝置主要是由小齒輪、齒輪軸、軸承、軸承座、悶蓋和通蓋等組成(見圖1)。電機(jī)、減速機(jī)通過聯(lián)軸器與小齒輪連接，驅(qū)動小齒輪帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，完成回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 齒輪軸的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

電機(jī)功率P=400 kW

電機(jī)轉(zhuǎn)速n1=750 r/min

電機(jī)效率η1=0.952

減速機(jī)效率η2=0.955

減速機(jī)速比i=63.323

聯(lián)軸器效率η3=0.99

小齒輪分度圓直徑d=720 mm

小齒輪寬度與大齒輪寬度一致B=570 mm

嚙合角度α=25°

齒輪軸總長L=2350 mm

齒輪軸懸臂長c=850 mm

小齒輪處軸徑d1=440 mm

軸承處軸徑d2=400 mm

聯(lián)軸器處軸徑d3=380 mm

小齒輪重量G齒=17150 N

齒輪軸重量G軸=25970 N

聯(lián)軸器重量F=38220 N

許用彎曲應(yīng)力 [σ]=70 MPa

許用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力 [τ]=40 MPa

1.齒輪軸 2.軸承 3.小齒輪圖1 齒輪裝置結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 受力分析

該回轉(zhuǎn)焙燒窯由于形大而體重，采用雙邊驅(qū)動，大齒輪受兩個(gè)小齒輪同時(shí)驅(qū)動，為便于分析，將齒輪軸所受到的齒輪嚙合力分解為水平方向和豎直方向的力，齒輪軸在齒輪嚙合處的受力分析見圖2。

圖2 齒輪軸受力分析圖

小齒輪為主動輪，帶動大齒輪逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)，大齒輪給小齒輪的反作用力與小齒輪旋轉(zhuǎn)方向相反，左邊小齒輪的法向載荷Fn斜向上方，抵消部分小齒輪和齒輪軸的重力，而右邊小齒輪所受到的法向載荷Fn斜向下方，在齒輪軸受到豎直向下的小齒輪重力和齒輪軸本身重力的作用下，將增大齒輪軸的載荷，因此對右邊小齒輪進(jìn)行受力分析及計(jì)算[2]。

將法向力載荷分解為水平方向力Fx和豎直方向力Fy。

則Fx=Fncos69.57°=310541 N，F(xiàn)y=Fnsin69.57°=833683.2 N。

由于采用的是分瓣大齒輪，要求沿齒寬方向接觸不少于75%，因此齒輪接觸長度e=0.75 B=375 mm。

豎直方向的支座反力為：Ry2=475699 N。

Ry1=0.55G聯(lián)+G齒+Fy+G軸-Ry2=420214.4 N。

齒輪軸有一個(gè)鍵槽，實(shí)際截面直徑為d0=(1-0.03)d1=426.8 mm。

2.2.1齒輪軸水平受力分析

齒輪軸水平方向受力為小齒輪受到的法向載荷Fn斜向下方的水平分力。水平彎矩圖見圖3。

齒輪軸水平力彎矩方程[3]：

可以求得其最大彎矩在齒輪中心處，即x=750 mm時(shí)有最大彎矩Mxmax=101870773 N·mm。

2.2.2齒輪豎直受力分析

齒輪軸豎直方向受力為小齒輪受到的法向載荷Fn斜向下方的豎直分力和小齒輪重力、齒輪軸本身重力的合力。豎直力彎矩圖見圖3。

齒輪軸豎直力彎矩方程：

可以求得最大彎矩在x=744 mm處，即Mymax=271794675.8 N·mm 。

2.2.3齒輪軸應(yīng)力分析

由圖3可以得到齒輪軸的合成彎矩，即此軸在x=744 mm時(shí)受到最大彎矩為：

公式中a為校正系數(shù)，扭應(yīng)力按照脈動循環(huán)變化取a=0.7，滿足強(qiáng)度要求。

齒輪軸最小直徑處有2個(gè)相隔180°鍵槽，實(shí)際參與計(jì)算直徑dfmin=(1-0.07)dmin=353.4 mm。

圖3 水平彎矩和豎直力彎矩圖

由此可以看出，此軸的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，且富裕度很小，即成本最低。

3 結(jié)論

通過實(shí)例計(jì)算給出了雙驅(qū)動齒輪軸的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)步驟，采用多次計(jì)算對比，以最低的成本換取最大的經(jīng)濟(jì)效益，為雙驅(qū)動齒輪軸的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)及借鑒。

[1] 回轉(zhuǎn)窯編寫組.回轉(zhuǎn)窯(設(shè)計(jì)、使用與維修)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1977.

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3] 《有色金屬冶煉設(shè)備》編委會.有色金屬冶煉設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1994.

ResearchandDesignoftheGearShaftDualDriveofRotaryKiln

LI Ying，YANG Zhan-kai，LUAN Zhi-hua
(Design and Research Institute, NFC (Shenyang) Metallurgy Machinery Co., Ltd. Shenyang 110141, China)

This paper introduces structure and working principle of gear unit in rotary kiln, takes detailed stress analysis of double driving gear shaft, makes design and calculation, reduces the cost, and increases efficiency.

rotary kiln； gear shaft； pinion； dual drive； moment

2014-03-26

李 英(1968-)，女，遼寧沈陽人，高級工程師，工程碩士，主要從事冶金、化工等設(shè)備設(shè)計(jì)研發(fā)，現(xiàn)任中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)研究院主任工程師。

欒志華(1971-)，女，遼寧鐵嶺人，高級工程師，工程碩士，主要從事冶礦產(chǎn)品市場研發(fā)及技術(shù)開發(fā)，重點(diǎn)研究鎳鐵冶煉工藝流程及設(shè)備，現(xiàn)任中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司經(jīng)營部部長。

TQ021

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1003-8884(2014)04-0019-03