回轉(zhuǎn)窯自適應(yīng)托輪支承裝置及嚙合傳動(dòng)裝置的研究

孫學(xué)成，吳蕾，陶瑛，任鞠萍

1　引言

回轉(zhuǎn)窯是一種對(duì)散狀或漿狀物料進(jìn)行加熱處理的熱工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于冶金、化工及水泥等行業(yè)。其中水泥回轉(zhuǎn)窯主要由筒體、支承裝置、輪帶、傳動(dòng)裝置及密封裝置等部分組成。目前，國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯支承普遍使用剛性支承結(jié)構(gòu)，嚙合傳動(dòng)裝置中的小齒輪也采用固定安裝方式。由于回轉(zhuǎn)窯冷態(tài)安裝和熱態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)筒體溫度的不同，使得筒體撓度也不同，進(jìn)而造成輪帶及大齒圈的偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致剛性支承的托輪與輪帶邊緣接觸，大齒輪和小齒輪嚙合不良。筆者改進(jìn)了回轉(zhuǎn)窯支承裝置及嚙合傳動(dòng)裝置，解決了筒體變形引起的支承及傳動(dòng)問題。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　自適應(yīng)托輪支承

為改進(jìn)托輪與輪帶的接觸不良，我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)方案，分別是液壓自動(dòng)調(diào)位托輪支承裝置、共軛梁自適應(yīng)托輪裝置以及橡膠塊式調(diào)位托輪支承裝置。由于液壓系統(tǒng)故障率較高，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率也隨之受到影響，橡膠塊存在易老化的問題，最終選擇了自適應(yīng)托輪支承裝置方案。

如圖1所示，自適應(yīng)托輪支承裝置包括：鉸鏈、擺動(dòng)梁、滑動(dòng)支承、搖擺軛、限位底座、固定底座、帶球面軸承托輪軸承組、鉸鏈、固定支座和滑動(dòng)裝置等。

固定支座固定于基礎(chǔ)上，在輪帶兩側(cè)對(duì)稱分布，分別通過鉸鏈與對(duì)應(yīng)搖擺軛連接。搖擺軛兩端裝有滑動(dòng)支承裝置，該裝置上放置了擺動(dòng)梁，擺動(dòng)梁可沿滑動(dòng)支承滑動(dòng)。擺動(dòng)梁通過鉸鏈與固定底座相連，擺動(dòng)梁上方固定有支承托輪。托輪與輪帶均勻接觸，對(duì)稱分布在輪帶兩側(cè)。在托輪兩側(cè)安裝有限位底座，固定于基礎(chǔ)上。

圖1　支承裝置結(jié)構(gòu)示意圖

工作中，當(dāng)輪帶與回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生軸向偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)使輪帶與托輪接觸部分變?yōu)檫吘壗佑|，這種接觸會(huì)在支承托輪寬度方向上產(chǎn)生不均勻的力。由于托輪與擺動(dòng)梁固定在一起，托輪上的受力差值傳遞到搖擺軛兩端，使搖擺軛繞鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)。搖擺軛的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)擺動(dòng)梁繞鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而托輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)。直到托輪寬度方向受力差值消除，輪帶與托輪寬度方向受力均勻，轉(zhuǎn)動(dòng)停止。輪帶在沿其回轉(zhuǎn)中心軸向竄動(dòng)時(shí)，托輪受的軸向力會(huì)被限位底座吸收。

2.2　嚙合傳動(dòng)裝置

如圖2所示，自適應(yīng)嚙合傳動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)包括：大齒輪、小齒輪、擺動(dòng)底座、滑動(dòng)支承及調(diào)整螺栓等。

擺動(dòng)支承裝置包括球面軸承、軸承支座和銷軸。球面軸承為自潤滑球軸承，軸承支座固定在地面基礎(chǔ)上，球面軸承及銷軸安裝在軸承支座上。擺動(dòng)底座可繞球面軸承的中心在一定的范圍內(nèi)擺動(dòng)。

滑動(dòng)支承裝置包括固定支座、調(diào)整螺栓、滑動(dòng)板、球面推力軸承。調(diào)整螺栓的下部為圓形，中間開有通孔。調(diào)整螺栓可繞自潤滑球面軸承的中心在一定的范圍內(nèi)擺動(dòng)。調(diào)整螺栓的上端通過螺母與連接支座固定，通過限制連接支座的位置實(shí)現(xiàn)限制擺動(dòng)底座在豎直方向上的位移。

調(diào)整螺栓上安裝有滑動(dòng)板?；瑒?dòng)板采用自潤滑耐磨聚四氟乙烯板，安裝在擺動(dòng)底座的下方，擺動(dòng)底座可沿滑動(dòng)板在一定范圍內(nèi)平移滑動(dòng)。

工作時(shí)，由撓性聯(lián)軸器輸入端給予驅(qū)動(dòng)扭矩，帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)回轉(zhuǎn)窯與大齒輪發(fā)生偏擺時(shí)，小齒輪與大齒輪間嚙合力沿齒寬方向分布不均，相當(dāng)于齒輪兩側(cè)的兩個(gè)軸承及軸承座受力不等，此時(shí)擺動(dòng)底座繞球面軸承中心旋轉(zhuǎn)，必要時(shí)，擺動(dòng)底座還可沿滑動(dòng)板在一定范圍內(nèi)平移滑動(dòng)，由此調(diào)整了小齒輪的位置，其受力差逐漸減小并消除，實(shí)現(xiàn)小齒輪自動(dòng)適應(yīng)大齒輪的偏擺而保持齒輪副嚙合良好。

圖 2 嚙合傳動(dòng)裝置

3　有限元分析

3.1　自適應(yīng)托輪支承裝置底座的有限元分析

自適應(yīng)托輪支承裝置由于受力較大，需要對(duì)其支承底座的安全性進(jìn)行校核，為此，筆者對(duì)托輪的支承底座及重要零部件進(jìn)行了有限元分析，以驗(yàn)證底座的剛度和強(qiáng)度。其中，圖3為支承裝置底座等效應(yīng)力云圖，圖4為搖擺軛等效應(yīng)力云圖，圖5為擺動(dòng)梁等效應(yīng)力云圖。

圖3　支承裝置底座等效應(yīng)力云圖

圖4　搖擺軛等效應(yīng)力云圖

圖5　擺動(dòng)梁等效應(yīng)力云圖

有限元模擬結(jié)果顯示，支承底座最大等效應(yīng)力為132MPa，安全系數(shù)為225/132=1.70；搖擺軛的最大等效應(yīng)力為132MPa，安全系數(shù)為225/132=1.70；擺動(dòng)梁的最大等效應(yīng)力為141MPa，安全系數(shù)為225/141=1.60。由模擬結(jié)果可知托輪支承裝置的底座滿足使用要求。

3.2　自適應(yīng)托輪支承裝置底座的有限元分析

底座小齒輪裝置自重及小齒輪受法向力326 500N，小齒輪受軸向力32 650N。

底座上的固定支座和軸承支座下部鋼板固定約束。小齒輪擺動(dòng)底座有限元模型見圖6。

圖6　小齒輪擺動(dòng)底座有限元模型

圖7和圖8為有限元分析結(jié)果，根據(jù)分析結(jié)果可知，底座最大綜合變形量約為4.8mm，底座最大等效應(yīng)力為72.5MPa，安全系數(shù)為225/72.5=3.10，滿足使用要求。

圖7　底座綜合變形云圖

圖8　底座等效應(yīng)力云圖

4　結(jié)語

自適應(yīng)托輪支承裝置改善了輪帶、托輪、托輪軸及軸承的受力狀況，提高了托輪軸及軸承的安全可靠性。自適應(yīng)嚙合傳動(dòng)裝置，改善了大小齒輪、小齒輪軸及軸承的受力狀況，提高了小齒輪軸及軸承的安全可靠性。目前自適應(yīng)托輪支承及嚙合傳動(dòng)的回轉(zhuǎn)窯已經(jīng)在我公司國外多個(gè)項(xiàng)目上應(yīng)用。圖9為自適應(yīng)托輪支承及嚙合傳動(dòng)的回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖9　自適應(yīng)托輪支承及嚙合傳動(dòng)的回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)場(chǎng)圖

文中所述的回轉(zhuǎn)窯不僅適用于新建項(xiàng)目，也可用于改造項(xiàng)目中，將回轉(zhuǎn)窯剛性支承更換為自適應(yīng)托輪支承裝置，將固定的小齒輪更換為新型嚙合傳動(dòng)裝置，不需要改動(dòng)土建基礎(chǔ)和原有結(jié)構(gòu)，更換簡單、方便?！?/p>