回轉窯雙驅齒輪軸的研究與設計

李 英， 楊占凱， 欒志華

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司 設計研究院，遼寧 沈陽 110141)

回轉窯雙驅齒輪軸的研究與設計

李 英， 楊占凱， 欒志華

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司 設計研究院，遼寧 沈陽 110141)

本文介紹了回轉窯齒輪裝置的結構及工作原理，對雙驅動齒輪軸進行了詳細的受力分析，并進行了設計計算，以降低成本，為企業創效益。

回轉窯； 齒輪軸； 小齒輪； 雙驅動； 彎矩

0 前言

中國有色(沈陽)冶金機械有限公司承制的Φ5.5 m×115 m大型回轉焙燒窯，是用于緬甸紅土鎳礦還原焙燒熔煉粗鎳鐵，是整個系統的關鍵設備。其結構特點是形大而體重，給設計帶來了難度，既要保證設備的正常運轉，又要保證整體布局及低成本，因此采取雙驅動系統。正常運轉時兩個電機分別驅動小齒輪同時與一個大齒輪嚙合帶動筒體運轉[1]。

本文主要是對雙驅動齒輪軸進行受力分析和設計校核，在保證強度的前提下，采用合理結構，盡可能降低成本，提高生產效率。

1 齒輪裝置結構

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、減速機通過聯軸器與小齒輪連接，驅動小齒輪帶動大齒輪轉動，完成回轉窯的運轉。

2 齒輪軸的設計

2.1 結構參數

電機功率P=400 kW

電機轉速n1=750 r/min

電機效率η1=0.952

減速機效率η2=0.955

減速機速比i=63.323

聯軸器效率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

聯軸器重量F=38220 N

許用彎曲應力 [σ]=70 MPa

許用扭轉剪切應力 [τ]=40 MPa

1.齒輪軸 2.軸承 3.小齒輪圖1 齒輪裝置結構簡圖

2.2 受力分析

該回轉焙燒窯由于形大而體重，采用雙邊驅動，大齒輪受兩個小齒輪同時驅動，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，帶動大齒輪逆時針運轉，大齒輪給小齒輪的反作用力與小齒輪旋轉方向相反，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行受力分析及計算[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，Fy=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+G齒+Fy+G軸-Ry2=420214.4 N。

齒輪軸有一個鍵槽，實際截面直徑為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時受到最大彎矩為：

公式中a為校正系數，扭應力按照脈動循環變化取a=0.7，滿足強度要求。

齒輪軸最小直徑處有2個相隔180°鍵槽，實際參與計算直徑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，此軸的設計滿足強度要求，且富裕度很小，即成本最低。

3 結論

通過實例計算給出了雙驅動齒輪軸的設計方法及設計步驟，采用多次計算對比，以最低的成本換取最大的經濟效益，為雙驅動齒輪軸的設計提供理論依據及借鑒。

[1] 回轉窯編寫組.回轉窯(設計、使用與維修)[M].北京：冶金工業出版社，1977.

[2] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[3] 《有色金屬冶煉設備》編委會.有色金屬冶煉設備[M].北京：冶金工業出版社，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、化工等設備設計研發，現任中國有色(沈陽)冶金機械有限公司設計研究院主任工程師。

欒志華(1971-)，女，遼寧鐵嶺人，高級工程師，工程碩士，主要從事冶礦產品市場研發及技術開發，重點研究鎳鐵冶煉工藝流程及設備，現任中國有色(沈陽)冶金機械有限公司經營部部長。

TQ021

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1003-8884(2014)04-0019-03