大型磨機(jī)齒輪參數(shù)的研究與確定

楊占凱

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

0 引言

磨機(jī)是將固體物料細(xì)化制粉的重要設(shè)備, 是冶金、礦山、水泥、化工、陶瓷、建筑、電力、醫(yī)藥以及國防工業(yè)等部門廣泛使用的一種粉磨設(shè)備，目前國內(nèi)市場磨機(jī)的需求量很大。主要體現(xiàn)在兩個方面，首先，伴隨著科技的發(fā)展，新技術(shù)的應(yīng)用，磨機(jī)服務(wù)的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，新行業(yè)、新領(lǐng)域?qū)δC(jī)有著很大的需求；其次，我國是礦產(chǎn)資源豐富的國家，各類礦石的采選都需要物料細(xì)化制粉過程，磨機(jī)在各種規(guī)模的廠礦廣泛應(yīng)用。按照國家節(jié)能減排的要求，各廠礦企業(yè)對現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行升級改造，進(jìn)一步加大了磨機(jī)的需求。在擁有廣泛市場的同時，市場對磨機(jī)的需求也有了新的變化。首先是節(jié)能環(huán)保的要求，冶金礦山企業(yè)不僅消耗大量電能，同時消耗大量鋼材，并且廢鋼、廢鐵、廢棄物等持續(xù)增加，需要一種新的工藝和設(shè)備，解決廢棄物的處理問題，達(dá)到節(jié)能環(huán)保，持續(xù)發(fā)展的作用。其次為設(shè)備大型化的要求，隨著國家對環(huán)境與能源問題的重視，對中、小冶金礦山企業(yè)進(jìn)行限制，各企業(yè)紛紛擴(kuò)建、新建項目對設(shè)備的要求也趨向大型化。

中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司是國內(nèi)較大的冶金、礦山設(shè)備制造企業(yè)之一，所生產(chǎn)的磨機(jī)服務(wù)于礦山、化工、冶金、水泥等行業(yè)，目前已具備與知名企業(yè)競爭的能力。公司磨機(jī)的設(shè)計與研發(fā)工作也向著節(jié)能、環(huán)保、大型化方向進(jìn)行。電機(jī)、減速、小齒輪及大齒輪等組成的驅(qū)動部分是磨機(jī)的重要裝置，對磨機(jī)設(shè)備的高效、平穩(wěn)、安全的運行起到重要作用，因此對驅(qū)動部分系統(tǒng)的設(shè)計和研究是磨機(jī)設(shè)計工作的重點，也是難點，并且對齒輪的研究更是重中之重。

1 項目概況

1.1 項目背景

近年來在頻頻出現(xiàn)煤慌、電慌和全國煤炭交易會上的“煤電頂?！爆F(xiàn)象后，我國政府從優(yōu)化能源格局的高度和煤電運協(xié)調(diào)的角度，對煤電一體化給予了高度重視。我國還是一個煤炭大國，蘊藏十分豐富，儲量種類齊全，應(yīng)用的前景也很廣闊。但是，目前來看煤炭運輸?shù)桨l(fā)電廠，進(jìn)行發(fā)電容易造成環(huán)境和運輸?shù)膲毫?，也影響利用效率。國?nèi)有些企業(yè)采用煤、電、鋁聯(lián)營的結(jié)構(gòu)，直接坑口發(fā)電，發(fā)電后直接進(jìn)入鋁廠進(jìn)行鋁電解，氧化鋁粉經(jīng)過電解得到鋁錠，銷售成品鋁錠或進(jìn)行鋁業(yè)的深加工，該方法取得了一定的效果，在國內(nèi)有實力的大企業(yè)開始研究煤、電、鋁及深加工的一體化戰(zhàn)略，這也將是企業(yè)長足發(fā)展的趨勢。

1.2 項目來源

中國鋁業(yè)股份有限公司作為國內(nèi)大型電解鋁類生產(chǎn)企業(yè)之一，在煤電鋁一體化戰(zhàn)略的實施中也不斷探索與前進(jìn)。中國鋁業(yè)股份有限公司作為耗電大戶的制造商，因需要電廠提供大量的電能，在一體化戰(zhàn)略中自然采用后向一體化模式。后向一體化指獲得供貨方的所有權(quán)或加強對它們的控制，對于電解鋁行業(yè)后向一體化模式就是指鋁業(yè)公司辦自備電廠或者參股或控股電廠。

中國鋁業(yè)股份有限公司在貴州建設(shè)的清鎮(zhèn)煤電鋁一體化項目，我公司負(fù)責(zé)氧化鋁項目中MQY5295溢流型球磨機(jī)的設(shè)計制造工作。該項目如能按期投產(chǎn)，該規(guī)格磨機(jī)將成為氧化鋁行業(yè)中應(yīng)用的最大規(guī)格磨機(jī)，同時也是我公司設(shè)計制造的最大規(guī)格磨機(jī)。按照設(shè)備使用的環(huán)境條件和工礦條件，磨機(jī)選用TDMK(TM)系列礦山磨機(jī)用大型交流三相同步電動機(jī)。型號：TM4300- 30(節(jié)能型),額定功率：P0=43 00 kW，同步轉(zhuǎn)速：n0=200 r/min ，磨機(jī)工作轉(zhuǎn)速：n=14.2 r/min ，磨機(jī)傳動系統(tǒng)傳動比i=14.08。

2 齒輪的設(shè)計計算

2.1 材料的選擇

2.2 按齒面接觸強度確定中心距

2.3 驗算齒面接觸疲勞強度

2.4 驗算齒根彎曲疲勞強度

結(jié)論：通過計算和驗算齒根彎曲應(yīng)力，結(jié)果顯示設(shè)計值小于許用值，設(shè)計正確滿足使用要求。

3 傳動系統(tǒng)有限元分析

3.1 有限元分析與ANSYS簡介

在本次設(shè)計中，通過有限元對理論計算結(jié)果進(jìn)行驗證，對大齒輪進(jìn)行了有限元分析，檢查齒輪齒根受載較大的地方，校核承載能力。

3.2 大齒輪的ANSYS分析

3.2.1 ANSYS建模

由于在ANSYS中直接建立齒輪輪齒漸開線方程比較困難，所以筆者選擇使用三維造型軟件Pro/E建立出齒輪的三維模型，將模型導(dǎo)入ANSYS?？紤]結(jié)構(gòu)復(fù)雜、約束過多對ANSYS分析的網(wǎng)格劃分以及運算情況會有很大影響，建立模型時取消了不必要的倒角、圓角，使模型更加簡化合理。通過接口，可以把在Pro/E建立好的大齒輪三維模型直接導(dǎo)入ANSYS中，對其選擇劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后的結(jié)果如圖1所示。

圖1 大齒輪有限元分析網(wǎng)格劃分

3.2.2 邊界條件

正常運行工況下，外加載荷是通過電機(jī)軸進(jìn)行輸出扭矩，負(fù)載是筒體、物料、端蓋及把和的大齒輪，大齒輪和小齒輪之間通過齒輪嚙合產(chǎn)生作用和反作用力矩或稱為轉(zhuǎn)矩，小齒輪在兩個軸承座支撐的齒輪軸之間，并在軸承與軸承座之間施加徑向和軸向的約束。

3.2.3 分析結(jié)果

在工況條件下，按理論公式計算的扭矩值提取大齒輪的彎曲應(yīng)力，如圖2所示。

圖2 大齒輪彎曲應(yīng)力有限元分析云圖

由分析結(jié)果可知，大齒輪的齒根彎曲應(yīng)力最大值為48.192 N/mm2，與理論計算值接近，說明大齒輪有足夠的承載能力，大齒輪設(shè)計安全可靠，通過有限元也驗證了理論計算的正確性。

4 結(jié)論與展望

通過計算對磨機(jī)的大齒輪進(jìn)行受力分析和強度校核，并利用限元對大齒輪進(jìn)行系統(tǒng)分析，得出以下結(jié)論：MQY5295溢流型球磨機(jī)傳動系統(tǒng)大齒輪參數(shù)見表1，大齒輪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 大齒輪參數(shù)表

圖3 大齒輪結(jié)構(gòu)圖

通過有限元系統(tǒng)分析，得出該磨機(jī)大齒輪應(yīng)力和變形等分布規(guī)律，與理論計算的危險剖面相吻合，進(jìn)一步驗證設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)的合理性。這種應(yīng)力和變形的分布規(guī)律，對相同結(jié)構(gòu)磨機(jī)的設(shè)計有同樣的指導(dǎo)意義。

大齒輪是磨機(jī)傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其強度和壽命直接影響到磨機(jī)運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性、可靠性。本文在對MQY5295溢流型球磨機(jī)大齒輪進(jìn)行了理論計算，又利用有限元進(jìn)行全面分析，理論上保證了產(chǎn)品的性能，從而保證磨機(jī)運轉(zhuǎn)的可靠性。雖然設(shè)備運行的情況要待用戶投產(chǎn)后進(jìn)行驗證，但這種理論計算與有限元分析相結(jié)合的方法在大磨機(jī)的設(shè)計研發(fā)工作中應(yīng)用，對公司的新產(chǎn)品研發(fā)有指導(dǎo)性意義。