大型回轉(zhuǎn)窯液壓擋輪的設(shè)計與研究

（中國有色（沈陽）冶金機械有限公司 遼寧沈陽 110027）

1 前言

回轉(zhuǎn)窯是因其轉(zhuǎn)動形式而得名，屬于建材設(shè)備類，廣泛應(yīng)用于水泥、冶金、化工等行業(yè)的大型長圓筒設(shè)備?；剞D(zhuǎn)窯可以用于處理不同的物料，如水泥制備、有色金屬預(yù)處理、石灰制備等等，針對其用途不同，設(shè)備也有水泥窯、鎳鐵窯、石灰窯等等不同的名字。國內(nèi)回對轉(zhuǎn)窯設(shè)備偏重于制造，輕視實驗研究，設(shè)計上重比照設(shè)計，輕理論計算設(shè)計，導(dǎo)致從回轉(zhuǎn)窯技術(shù)引入國內(nèi)后的發(fā)展緩慢。雖然已經(jīng)設(shè)計制造出一些規(guī)格型號，但還沒有形成標準化、系列化，非標設(shè)計仍處于主導(dǎo)地位，而且設(shè)計制造反映速度比較慢，技術(shù)遠落后于美、日、澳等國家。

大型回轉(zhuǎn)窯設(shè)備的設(shè)計過程復(fù)雜，加工制造難度大，并且大多是單件小批量生產(chǎn)，所以價格相對偏高?，F(xiàn)在國內(nèi)鎳鐵冶金窯的規(guī)格型號不斷增大，先進技術(shù)都是從美國、澳大利亞引進的，成本自然增加很多。為了促進國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，進一步推進國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯設(shè)備的科技和技術(shù)的創(chuàng)新，增強國際市場的競爭力，滿足市場的需要，中國有色（沈陽）冶金機械有限公司研制開發(fā)回轉(zhuǎn)重量為2350t的回轉(zhuǎn)窯。

回轉(zhuǎn)窯是傾斜安裝，沿筒體方向的軸向力是設(shè)計的一個重要參數(shù)，有效解決回轉(zhuǎn)窯的軸向竄動裝置有機械裝置和液壓裝置兩種形式，稱為機械擋輪和液壓擋輪。液壓擋輪是國內(nèi)、外近些年隨著設(shè)備大型化發(fā)展起來的技術(shù)，技術(shù)水平比較先進的擋輪裝置，具有以下優(yōu)點：液壓缸推動擋輪與滾圈側(cè)面接觸，使接觸面均勻、工作平穩(wěn)連續(xù)，引入儀器儀表進行在線監(jiān)測，自動化程度有很大提高等特點，是目前回轉(zhuǎn)窯擋輪裝置的主要形式。

液壓擋輪的一個液壓站聯(lián)通多個液壓缸，保證每個擋輪同時與輪帶接觸，實現(xiàn)了多擋輪聯(lián)動效果，促使多個小液壓擋輪同時推動窯體竄動，可以代替固定的大機械擋輪，減小了體積，增加平穩(wěn)性能。液壓擋輪中的擋輪軸、串動導(dǎo)向軸是液壓擋輪裝置中的主要部件，滑動底座在導(dǎo)向軸上運行，速度低、導(dǎo)向軸受到交變應(yīng)力影響、環(huán)境輻射溫度高、工作條件惡劣。

通過多年的應(yīng)用和跟蹤，國內(nèi)現(xiàn)有液壓擋輪在實際應(yīng)用中存在結(jié)構(gòu)體積大，占用空間大，不利于回轉(zhuǎn)窯支撐裝置空間布置，違背了液壓擋輪代替固定機械擋輪的理念，僅僅是在原機械擋輪的基礎(chǔ)上，簡單的增加液壓裝置，造成了大量浪費。其中擋輪、擋輪軸、導(dǎo)向軸存在的問題是結(jié)構(gòu)粗大笨重，軸承規(guī)格較大，功能浪費的同時，材料浪費成本的增加，嚴重影響了回轉(zhuǎn)窯的性能和運行效率。由此可見，液壓擋輪裝置的合理設(shè)計是提高設(shè)備運行平穩(wěn)性能和降低成本的關(guān)鍵。

2 回轉(zhuǎn)窯發(fā)展概況

2.1 國外回轉(zhuǎn)窯發(fā)展現(xiàn)狀

回轉(zhuǎn)窯最早應(yīng)用于水泥行業(yè)，用于制備水泥，1885年，蘭薩姆(ERansome)發(fā)明了在英國和美國獲得專利并投入生產(chǎn)的回轉(zhuǎn)窯，很快就取得了可觀的經(jīng)濟效益，成為水泥生產(chǎn)線的主機。建材行業(yè)采用回轉(zhuǎn)窯鍛造和焚燒原材料，使其尺寸穩(wěn)定、強度增大、易于再加工。

國外生產(chǎn)大型回轉(zhuǎn)窯的專業(yè)廠家很多，主要制造商包括美卓公司，澳大利亞赫氏公司等，他們從半工業(yè)實驗入手，進行生產(chǎn)工藝實驗，同時對設(shè)備進行實驗分析，技術(shù)覆蓋面廣。從工程工藝設(shè)計、對外做實驗分析、技術(shù)咨詢直到設(shè)備，都進行商業(yè)輸出，市場占有率較高，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格已經(jīng)達到Φ7.6×232m。從應(yīng)用方面看，印度是利用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)海綿鐵的典型國家，其礦石品位好，加之回轉(zhuǎn)窯規(guī)?；a(chǎn)，回轉(zhuǎn)窯法已經(jīng)成為其粗鐵生產(chǎn)的主要方式。國外回轉(zhuǎn)窯發(fā)展迅猛，也對我們今后回轉(zhuǎn)窯的發(fā)展提供了借鑒和幫助。

2.2 國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯發(fā)展現(xiàn)狀

新中國成立以后我國水泥工業(yè)得到快發(fā)展，改革開放以后更得到飛速發(fā)展。目前，我國水泥產(chǎn)量居世界第一位?；剞D(zhuǎn)窯作為水泥制備的核心設(shè)備也得到了完善和發(fā)展，目前在水泥制備方面趨于成熟。新中國成立以前，我們只能從國外買東西。新中國成立以后，我們開始走引進國外技術(shù)，國內(nèi)消化吸收后設(shè)計和制造我們自己的產(chǎn)品，到目前為止，我公司及國內(nèi)大型制造企業(yè)已經(jīng)能夠設(shè)計和制造滿足任何規(guī)模水泥廠需求的回轉(zhuǎn)窯，最大規(guī)格為Φ5.5×185m。我公司制造的Φ5×40m干燥窯和Φ5.5×115m焙燒窯，亞洲最大的鎳鐵回轉(zhuǎn)窯，該項目自2009年制造、安裝及使用至今，設(shè)備運行平穩(wěn)，充分體現(xiàn)出設(shè)計制造的高水平，該項目服務(wù)緬甸的中國有色集團鎳業(yè)公司。

盡管國內(nèi)對回轉(zhuǎn)窯的研究取得了一些成績，但由于國產(chǎn)回轉(zhuǎn)窯發(fā)展歷史較短，受設(shè)計制造經(jīng)驗和技術(shù)條件的制約，同國外產(chǎn)品相比，還存在一定的差距。另外，回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)數(shù)不能過高，填充率不能過大，設(shè)備大型化困難，反應(yīng)條件比較苛刻，所以在一些行業(yè)技術(shù)發(fā)展緩慢。尤其是冶金領(lǐng)域，一些技術(shù)還需要從美、澳引進，所以我國需要加大回轉(zhuǎn)窯的研發(fā)力度，使之適應(yīng)市場的需要。

2.3 回轉(zhuǎn)窯發(fā)展方向

回轉(zhuǎn)窯設(shè)備的工作效率反映了節(jié)能的重要因素。在不斷完善現(xiàn)代回轉(zhuǎn)窯設(shè)備技術(shù)的前提下，一批又一批大型選礦廠、大型選煤廠和大型水泥廠相繼發(fā)展起來，對設(shè)備提出了更高的要求。新型環(huán)保節(jié)能設(shè)備的研究，促使制造成本迅速降低。一次投資少、質(zhì)量可靠、安全可靠的環(huán)保節(jié)能設(shè)備成為工礦企業(yè)材料生產(chǎn)的首選設(shè)備?；剞D(zhuǎn)窯設(shè)備具有高效節(jié)能的特點，將有更廣闊的發(fā)展前景和增長空間。

3 課題來源及內(nèi)容

以中國有色（沈陽）冶金機械有限公司研制開發(fā)的回轉(zhuǎn)重量為2350t的回轉(zhuǎn)窯液壓擋輪裝置為研究對象，對其進行研究設(shè)計。

回轉(zhuǎn)窯機械擋輪裝置，在回轉(zhuǎn)窯工作時能夠限制筒體的軸向竄動，能夠承載回轉(zhuǎn)窯的下滑力和摩擦力，但是該結(jié)構(gòu)是靜止結(jié)構(gòu)，無法給予回轉(zhuǎn)窯施加外力，來調(diào)整回轉(zhuǎn)窯的運轉(zhuǎn)，只能依靠托輪軸線相對滾圈的不平行安裝來產(chǎn)生上竄動，這也需要安裝經(jīng)驗和精度來保證回轉(zhuǎn)窯的平穩(wěn)運行。

液壓擋輪是在機械擋輪的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是在機械擋輪軸向側(cè)增加液壓缸，使擋輪能夠隨著筒體的串動施加外力，也是大型化回轉(zhuǎn)窯出現(xiàn)的一種新型擋輪裝置。

由于國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯技術(shù)起步比較晚，技術(shù)還相對落后。大型回轉(zhuǎn)窯設(shè)計過程復(fù)雜，一般都是單件生產(chǎn)，國內(nèi)僅有幾家較有實力的廠家生產(chǎn)這種大型的回轉(zhuǎn)窯?，F(xiàn)在我國大型回轉(zhuǎn)窯技術(shù)大都是借鑒或從國外引進的，自主研發(fā)進展緩慢。為了促進國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯技術(shù)的發(fā)展，進一步推進回轉(zhuǎn)窯大型化、自動化的科技創(chuàng)新，增強國際市場的競爭力，滿足市場的需要，中國有色（沈陽）冶金機械有限公司研制開發(fā)了2350t回轉(zhuǎn)窯。

4 液壓擋輪裝置的設(shè)計方案

如圖4.1所示液壓擋輪的受力情況。

圖4.1 液壓擋輪受力情況

窯體回轉(zhuǎn)部分總質(zhì)量：

窯體回轉(zhuǎn)部分總重量：G=M=2350t

回轉(zhuǎn)窯的傾斜度：sinβ=3.5%

液壓擋輪推力：

單個液壓擋輪最大推力：Fay=FAY/2=62t

4.1 回轉(zhuǎn)窯滑動擋輪裝置的總體結(jié)構(gòu)

液壓擋輪的結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。擋輪通過擋輪軸及滾動軸承連接在滑動座上，滑動底座被兩根平行的導(dǎo)向軸支撐。導(dǎo)向軸前后則由前后底座固定在基礎(chǔ)底座上。滑動底座可以在液壓活塞桿的推動下，沿平行的兩根導(dǎo)向軸滑動。圖示的結(jié)構(gòu)中采用了調(diào)心滾子軸承的結(jié)構(gòu)特性，確保擋輪可以擺動一個微小的角度，這樣可以保證滾圈側(cè)面與擋輪側(cè)面完全接觸。同時止推軸承能起到調(diào)心作用。

圖4.2 液壓擋輪裝置結(jié)構(gòu)

4.2 滑動擋輪裝置的設(shè)計計算

擋輪是直接推動滾圈運動的，是擋輪裝置中的執(zhí)行元件，所以我們首先研究擋輪。為減少滑動摩擦損耗，擋輪和滾圈間是兩個錐體作純滾動，即這兩個錐體有公共頂點O，如圖4.3所示，則有

圖4.3 擋輪與滾圈

可以求得液壓擋輪大端直徑：dH=890mm

當取dH=890mm時為滿足擋輪和滾圈兩個錐體繞O點作純滾動的要求，得出擋輪的半錐頂角為γ=8.58°不在常規(guī)角度范圍內(nèi)，所以我們?nèi)踺喆蠖酥睆剑篸H=1090mm

得到擋輪的半錐頂角：γ=10.47°滿足要求。

4.3 擋輪軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)計算

擋輪軸在擋輪裝置中的布置形式如圖4.4所示，其上部徑向受擋輪推力Fay（水平方向）作用，中部調(diào)心滾子軸承反力RA，下方調(diào)心滾子軸承反力RB

圖4.4 擋輪結(jié)構(gòu)和受力簡圖

通過計算，最接近軸承內(nèi)徑就是Φ480mm，所以取值d1=480mm。

4.4 串動導(dǎo)向軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)計算

液壓擋輪受力圖4.5所示：

圖4.5 液壓擋輪受力圖

擋輪受力點寬度：k=1042mm

支撐軸軸套長度：1=660mm

擋輪受力點距支撐軸距離：h=408mm

擋輪等件的重力約為：G′=6t

導(dǎo)向軸直徑初定為：D=280mm

其抗彎截面模量[5]為：

如上面彎矩對比可知：其中極大值為M1=10.0397tm即Mmax=100397003Nm

選擇導(dǎo)向軸材質(zhì)為：40Cr，其許用應(yīng)力為：55MPa

則導(dǎo)向軸最大應(yīng)力為：

小于許用應(yīng)力滿足使用要求

同類方法通過受力分析，對其他主要件進行計算和選擇，本文不進行詳細說明。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

大型回轉(zhuǎn)窯設(shè)備的設(shè)計過程復(fù)雜，通過查閱文獻可以進行近似準的計算，在今后引入先進的有限元技術(shù)進行工況模擬，通過使用過程中出現(xiàn)的情況進行設(shè)計驗證，來解決設(shè)計過程出現(xiàn)的問題。現(xiàn)在國內(nèi)鎳鐵冶金窯的窯型不斷增大，先進技術(shù)仍是從美國、澳大利亞引進的，我們也從引進的技術(shù)中進行研究和學(xué)習(xí)，用于研制開發(fā)回轉(zhuǎn)重量為2350t的回轉(zhuǎn)窯，可以促進國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，進一步推進國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯設(shè)備的科技創(chuàng)新，增強國際市場競爭力。雖然液壓擋輪是一種比較先進的擋輪裝置，具有很多優(yōu)點，但是國內(nèi)現(xiàn)有液壓擋輪在實際應(yīng)用中存在結(jié)構(gòu)體積大，占用空間大，不利于回轉(zhuǎn)窯支撐裝置空間布置等問題，違背了液壓擋輪代替固定機械擋輪的理念，在功能浪費的同時，材料浪費造成成本的增加，嚴重影響了回轉(zhuǎn)窯的性能的發(fā)揮和運轉(zhuǎn)效率，因此需要我們技術(shù)人員深入研究和需要解決的問題仍然很多。

5.2 展望

本文對回轉(zhuǎn)窯液壓擋輪裝置的主要件進行了計算、對擋輪軸和滑動軸進行了截面分析，取得了驗證成果。但是，針對目前擋輪裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計中所存在的問題，還需要進一步做更多的研究工作，對工況的分析較少，特別是動載荷方面的分析還需要加強。隨著對設(shè)計方法的不斷驗證、總結(jié)和個人能力的提高，擋輪裝置乃至回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)設(shè)計水平都會有全面地提升。