提高回轉窯大型鑄造齒圈質量的研究

叢曉靜，許龍旭，劉旭

水泥回轉窯設備鑄鍛件的種類很多，其中關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產量? 4.8m×72m回轉窯為例，上述大型鑄鍛件的總重占整條回轉窯總重的～40%，成本約占50%。大型鑄造齒圈是傳動裝置的重要部件，其傳遞扭矩帶動筒體旋轉。有效優化大齒圈結構設計，嚴格控制制造過程，對縮短供貨周期、提高成品質量、延長部件使用壽命具有重要意義。

1　大齒圈結構設計優化

1.1　優化結構設計的前提——可靠性與經濟性相統一

大齒圈結構設計的優化，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、生產周期，將可靠度的設計貫穿整個產品的設計、制造、安裝、使用的整個過程。

齒輪的運轉性能取決于齒輪的接觸狀態，當齒面出現偏載或不正常接觸時，就容易造成齒輪提前破壞。對齒面接觸應力的精確計算是優化齒輪齒形、提高齒輪承載能力的重要依據。

以5 000t/d回轉窯大齒圈為例，大齒圈基本參數值見表1。

表1　大齒圈基本參數

已知傳動電機輸入功率710kW，回轉窯轉速4.5r/min，根據GB/T 3480-1997漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法和GB/T 10063-1988通用機械漸開線圓柱齒輪承載能力簡化計算方法，校核齒面接觸強度，計算安全系數[1]。

式中：

σHG——計算齒輪的接觸極限應力，N/mm2

σHlim——試驗齒輪的接觸疲勞極限，N/mm2

ZNT——接觸強度計算的壽命系數

ZL——潤滑劑系數

ZV——速度系數

ZR——粗糙度系數

ZW——工作硬化系數

ZX——接觸強度計算的尺寸系數

以上為5 000t/d回轉窯大齒圈的基本參數選擇，經過計算SH為1.00，為一般可靠度，達到了機械設計的可靠性和經濟性的統一。

1.2　結構優化設計——特征舉例

基本參數選定之后，需要對齒圈結構的細節特征進行優化設計。由于回轉窯大齒圈模數大、直徑大，需要在保證可靠性、經濟性的前提下，進一步求證重量最輕、鑄造效果最佳、強度最大的設計方案。筆者通過建立優化模型，在給定約束條件下，選擇設計變量，充分利用有限元分析軟件，求得了結構最優設計方案。分半齒圈結構示意圖如圖1所示。下面就幅板減重孔、彈簧板連接處鑄造圓角兩個特征進行討論。

圖1　分半齒圈結構示意圖

1.2.1幅板減重孔

目前，各公司設計的幅板減重孔，主要有圓形孔、長腰形孔、方形孔以及無孔等形式。齒圈實物照片如圖2.1～2.4。通過以上現場照片的比較，筆者利用ANSYS有限元分析軟件做出簡要分析，探究一種重量輕同時不影響結構整體強度，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，以長腰形孔為例，在一個孔形范圍內，依次從序號1輪齒到序號8輪齒改變，如圖3.1～3.8，可見序號8輪齒受力時，孔形的應力值最大，如圖3.8。

圖2.1　幅板減重孔-圓形孔　

圖2.2　幅板減重孔-長腰形孔

圖2.3　幅板減重孔-方形孔

圖2.4　幅板減重孔-無孔

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，選擇單一設計變量，比較長腰形減重孔、圓形減重孔、無減重孔的形式，如圖3.8、圖4.1～4.2，可以發現：長腰形孔形式應力值最大，圓形孔相對于無孔形式而言，未形成較大的應力集中值。三者的應力值均遠小于屈服應力值，理論分析長圓形孔、圓形孔的減重孔形式，均不會較大程度降低幅板的強度。由于齒圈受動載荷且回轉窯現場窯況復雜，無法簡單地從理論分析層面判斷幅板強度所能承受的最大的壓應力值的大小。但可明顯看到，圓形減重孔對幅板強度的影響范圍遠小于長腰形孔，綜合考慮鑄造過程的造型工藝，圓形減重孔的造型工藝最簡單，結構設計更合理。

1.2.2彈簧板聯接處鑄造圓角優化

鑄造圓角，減小應力集中（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，應力分析

圖4.2　幅板減重孔-無孔，應力分析

該齒圈彈簧板聯接處鑄造圓角優化為圖7所示R200圓角，從衡陽中鋼得到的反饋，優化到圖8所示相切直線的形式，制造鑄造砂型更方便，雖然質量會增加，但是可以減小造型的難度、縮短工期、減少成本。

2　制造過程控制

2.1　齒圈材質選擇

圖5　R30圓角　

圖6　R30圓角+加強肋　

圖7　R200圓角

圖8　相切直線

齒圈在使用過程中，齒面承受較大的循環接觸應力，需有較高綜合力學性能。中碳低合金鋼ZG42CrMo由于含有少量的Cr、Mo元素，淬透性較好，在調質熱處理后，不僅抗拉、屈服強度高，而且沖擊韌性值也較高，符合大齒圈的使用要求。

2.2　制造過程控制要點

2.2.1鑄造

大齒圈采用鑄造成型，其結構形狀不規則，在鑄造造型上要注意如下幾點：

（1）采用水玻璃砂造型，相比樹脂砂會獲得更好的內部致密度。

（2）底注的方式能讓鋼液平穩充型，并在內澆道上設有暗冒口，便于內部浮渣。

（3）采用環形橫澆道，將豎澆道和內澆道銜接起來，讓鋼液快速平穩地充型。

（4）雙澆注系統，工件采用底注系統充型，在冒口再采用一套澆注系統補澆充型，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、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，一是在于鑄造質量（即內部致密度），二是在于齒面硬度。在一個合理的范圍內，齒面硬度越高，耐磨性越好，在同等工況下，使用壽命越長。而齒面硬度和熱處理有直接關系，傳統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，冷卻過程中變形量較小，冷裂傾向性低，防變形的預留機加量較小。但缺點很明顯，成品齒面硬度偏低，大約210HB左右，而且熱處理完后再開齒，硬度從齒頂到齒根逐步下降，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，且熱處理之前進行粗開齒，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機加工

齒圈的熱處理工藝由正火調整為淬火，同時為了保證淬透性和均勻性，制作順序為先粗開齒，后熱處理，增加了齒圈精加工開齒的難度，因此，機加工廠要有較好的銑齒的刀具。

3　結語

綜合以上分析得出，提高大齒圈的質量重點在于：

（1）齒圈的計算實現最優化，SH在1.00左右，完成可靠性和經濟性的統一。

（2）對齒圈的結構特征做有效分析，幅板減重孔選用圓形孔，彈簧板聯接處鑄造圓角選用相切直線形式，使齒圈結構特征的安全性、鑄造的可靠性融合。

（3）嚴格控制齒圈的制造過程，提高齒面硬度在260～310HB之間，提高齒圈的整體質量，延長使用壽命。

參考文獻：

[1]成大先.機械設計手冊（第五版）[K].北京：化學工業出版社，2008.

[2]嚴生，常捷，等.新型干法水泥廠工藝設計手冊[K].北京：中國建材工業出版社，2007，（1）.

[3]熊會思，熊然.新型干法水泥廠設備選型使用手冊[K].北京：中國建材工業出版社，2007，（1）.■