叢曉靜,許龍旭,劉旭
水泥回轉(zhuǎn)窯設(shè)備鑄鍛件的種類(lèi)很多,其中關(guān)鍵大型鑄鍛件主要有大齒圈、輪帶、托輪、托輪軸、小齒輪、小齒輪軸、擋輪、擋輪軸。以5 000t/d產(chǎn)量? 4.8m×72m回轉(zhuǎn)窯為例,上述大型鑄鍛件的總重占整條回轉(zhuǎn)窯總重的~40%,成本約占50%。大型鑄造齒圈是傳動(dòng)裝置的重要部件,其傳遞扭矩帶動(dòng)筒體旋轉(zhuǎn)。有效優(yōu)化大齒圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),嚴(yán)格控制制造過(guò)程,對(duì)縮短供貨周期、提高成品質(zhì)量、延長(zhǎng)部件使用壽命具有重要意義。
大齒圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化,需在確保大齒圈使用效果的情況下,綜合考慮成本、制造加工難易程度、生產(chǎn)周期,將可靠度的設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用的整個(gè)過(guò)程。
齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)性能取決于齒輪的接觸狀態(tài),當(dāng)齒面出現(xiàn)偏載或不正常接觸時(shí),就容易造成齒輪提前破壞。對(duì)齒面接觸應(yīng)力的精確計(jì)算是優(yōu)化齒輪齒形、提高齒輪承載能力的重要依據(jù)。
以5 000t/d回轉(zhuǎn)窯大齒圈為例,大齒圈基本參數(shù)值見(jiàn)表1。
表1 大齒圈基本參數(shù)
已知傳動(dòng)電機(jī)輸入功率710kW,回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速4.5r/min,根據(jù)GB/T 3480-1997漸開(kāi)線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法和GB/T 10063-1988通用機(jī)械漸開(kāi)線圓柱齒輪承載能力簡(jiǎn)化計(jì)算方法,校核齒面接觸強(qiáng)度,計(jì)算安全系數(shù)[1]。
式中:
σHG——計(jì)算齒輪的接觸極限應(yīng)力,N/mm2
σHlim——試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限,N/mm2
ZNT——接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)
ZL——潤(rùn)滑劑系數(shù)
ZV——速度系數(shù)
ZR——粗糙度系數(shù)
ZW——工作硬化系數(shù)
ZX——接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)
以上為5 000t/d回轉(zhuǎn)窯大齒圈的基本參數(shù)選擇,經(jīng)過(guò)計(jì)算SH為1.00,為一般可靠度,達(dá)到了機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。
基本參數(shù)選定之后,需要對(duì)齒圈結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于回轉(zhuǎn)窯大齒圈模數(shù)大、直徑大,需要在保證可靠性、經(jīng)濟(jì)性的前提下,進(jìn)一步求證重量最輕、鑄造效果最佳、強(qiáng)度最大的設(shè)計(jì)方案。筆者通過(guò)建立優(yōu)化模型,在給定約束條件下,選擇設(shè)計(jì)變量,充分利用有限元分析軟件,求得了結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。分半齒圈結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。下面就幅板減重孔、彈簧板連接處鑄造圓角兩個(gè)特征進(jìn)行討論。
圖1 分半齒圈結(jié)構(gòu)示意圖
1.2.1幅板減重孔
目前,各公司設(shè)計(jì)的幅板減重孔,主要有圓形孔、長(zhǎng)腰形孔、方形孔以及無(wú)孔等形式。齒圈實(shí)物照片如圖2.1~2.4。通過(guò)以上現(xiàn)場(chǎng)照片的比較,筆者利用ANSYS有限元分析軟件做出簡(jiǎn)要分析,探究一種重量輕同時(shí)不影響結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度,且有利于砂型制作、減少鑄造困難的最佳形式。
給定約束:幅板厚度80mm,加載垂直于齒面的均布載荷,以長(zhǎng)腰形孔為例,在一個(gè)孔形范圍內(nèi),依次從序號(hào)1輪齒到序號(hào)8輪齒改變,如圖3.1~3.8,可見(jiàn)序號(hào)8輪齒受力時(shí),孔形的應(yīng)力值最大,如圖3.8。
圖2.1 幅板減重孔-圓形孔
圖2.2 幅板減重孔-長(zhǎng)腰形孔
圖2.3 幅板減重孔-方形孔
圖2.4 幅板減重孔-無(wú)孔
圖3.1 輪齒1
圖3.2 輪齒2
圖3.3 輪齒3
圖3.4 輪齒4
圖3.5 輪齒5
圖3.6 輪齒6
圖3.7 輪齒7
圖3.8 輪齒8
給定約束,選擇單一設(shè)計(jì)變量,比較長(zhǎng)腰形減重孔、圓形減重孔、無(wú)減重孔的形式,如圖3.8、圖4.1~4.2,可以發(fā)現(xiàn):長(zhǎng)腰形孔形式應(yīng)力值最大,圓形孔相對(duì)于無(wú)孔形式而言,未形成較大的應(yīng)力集中值。三者的應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力值,理論分析長(zhǎng)圓形孔、圓形孔的減重孔形式,均不會(huì)較大程度降低幅板的強(qiáng)度。由于齒圈受動(dòng)載荷且回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)場(chǎng)窯況復(fù)雜,無(wú)法簡(jiǎn)單地從理論分析層面判斷幅板強(qiáng)度所能承受的最大的壓應(yīng)力值的大小。但可明顯看到,圓形減重孔對(duì)幅板強(qiáng)度的影響范圍遠(yuǎn)小于長(zhǎng)腰形孔,綜合考慮鑄造過(guò)程的造型工藝,圓形減重孔的造型工藝最簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。
1.2.2彈簧板聯(lián)接處鑄造圓角優(yōu)化
鑄造圓角,減小應(yīng)力集中(圖5~8)。
同樣以5 000t/d的大齒圈為例,相切直線的鑄造圓角形式比R30圓角的形式重量增加291kg。
圖4.1 幅板減重孔-圓形,應(yīng)力分析
圖4.2 幅板減重孔-無(wú)孔,應(yīng)力分析
該齒圈彈簧板聯(lián)接處鑄造圓角優(yōu)化為圖7所示R200圓角,從衡陽(yáng)中鋼得到的反饋,優(yōu)化到圖8所示相切直線的形式,制造鑄造砂型更方便,雖然質(zhì)量會(huì)增加,但是可以減小造型的難度、縮短工期、減少成本。
圖5 R30圓角
圖6 R30圓角+加強(qiáng)肋
圖7 R200圓角
圖8 相切直線
齒圈在使用過(guò)程中,齒面承受較大的循環(huán)接觸應(yīng)力,需有較高綜合力學(xué)性能。中碳低合金鋼ZG42CrMo由于含有少量的Cr、Mo元素,淬透性較好,在調(diào)質(zhì)熱處理后,不僅抗拉、屈服強(qiáng)度高,而且沖擊韌性值也較高,符合大齒圈的使用要求。
2.2.1鑄造
大齒圈采用鑄造成型,其結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則,在鑄造造型上要注意如下幾點(diǎn):
(1)采用水玻璃砂造型,相比樹(shù)脂砂會(huì)獲得更好的內(nèi)部致密度。
(2)底注的方式能讓鋼液平穩(wěn)充型,并在內(nèi)澆道上設(shè)有暗冒口,便于內(nèi)部浮渣。
(3)采用環(huán)形橫澆道,將豎澆道和內(nèi)澆道銜接起來(lái),讓鋼液快速平穩(wěn)地充型。
(4)雙澆注系統(tǒng),工件采用底注系統(tǒng)充型,在冒口再采用一套澆注系統(tǒng)補(bǔ)澆充型,目的是為了保證冒口鋼液的溫度高于工件,形成冷卻梯度。
(5)齒圈開(kāi)齒部位上方采用全明分段式保溫冒口,冒口使用耐火材料制作,彈簧孔上方采用暗冒口。
(6)工件內(nèi)、外壁施加冷鐵,保證冷卻凝固順序,更有利于排氣、排渣。
(7)澆注完畢后,在冒口上方覆蓋助燃材料和保溫材料,使冒口最后凝固。
2.2.2熱處理
齒圈的使用壽命,一是在于鑄造質(zhì)量(即內(nèi)部致密度),二是在于齒面硬度。在一個(gè)合理的范圍內(nèi),齒面硬度越高,耐磨性越好,在同等工況下,使用壽命越長(zhǎng)。而齒面硬度和熱處理有直接關(guān)系,傳統(tǒng)大齒圈的熱處理工藝基本為正火+回火,采用該冷卻工藝(空冷)比較平穩(wěn),冷卻過(guò)程中變形量較小,冷裂傾向性低,防變形的預(yù)留機(jī)加量較小。但缺點(diǎn)很明顯,成品齒面硬度偏低,大約210HB左右,而且熱處理完后再開(kāi)齒,硬度從齒頂?shù)烬X根逐步下降,不均勻。
目前,推薦采用淬火(夏季水冷,冬季油冷)+回火的熱處理方式,且熱處理之前進(jìn)行粗開(kāi)齒,齒面硬度在260~310HB之間,不僅大幅提高齒面硬度,而且硬度較為均勻,提高齒圈使用壽命。
2.2.3機(jī)加工
齒圈的熱處理工藝由正火調(diào)整為淬火,同時(shí)為了保證淬透性和均勻性,制作順序?yàn)橄却珠_(kāi)齒,后熱處理,增加了齒圈精加工開(kāi)齒的難度,因此,機(jī)加工廠要有較好的銑齒的刀具。
綜合以上分析得出,提高大齒圈的質(zhì)量重點(diǎn)在于:
(1)齒圈的計(jì)算實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化,SH在1.00左右,完成可靠性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。
(2)對(duì)齒圈的結(jié)構(gòu)特征做有效分析,幅板減重孔選用圓形孔,彈簧板聯(lián)接處鑄造圓角選用相切直線形式,使齒圈結(jié)構(gòu)特征的安全性、鑄造的可靠性融合。
(3)嚴(yán)格控制齒圈的制造過(guò)程,提高齒面硬度在260~310HB之間,提高齒圈的整體質(zhì)量,延長(zhǎng)使用壽命。
參考文獻(xiàn):
[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五版)[K].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.
[2]嚴(yán)生,常捷,等.新型干法水泥廠工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2007,(1).
[3]熊會(huì)思,熊然.新型干法水泥廠設(shè)備選型使用手冊(cè)[K].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2007,(1).■