回轉窯自適應托輪支承裝置及嚙合傳動裝置的研究

孫學成，吳蕾，陶瑛，任鞠萍

1　引言

回轉窯是一種對散狀或漿狀物料進行加熱處理的熱工設備，廣泛應用于冶金、化工及水泥等行業(yè)。其中水泥回轉窯主要由筒體、支承裝置、輪帶、傳動裝置及密封裝置等部分組成。目前，國內回轉窯支承普遍使用剛性支承結構，嚙合傳動裝置中的小齒輪也采用固定安裝方式。由于回轉窯冷態(tài)安裝和熱態(tài)運轉時筒體溫度的不同，使得筒體撓度也不同，進而造成輪帶及大齒圈的偏轉，導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。筆者改進了回轉窯支承裝置及嚙合傳動裝置，解決了筒體變形引起的支承及傳動問題。

2　結構設計

2.1　自適應托輪支承

為改進托輪與輪帶的接觸不良，我們設計了三個方案，分別是液壓自動調位托輪支承裝置、共軛梁自適應托輪裝置以及橡膠塊式調位托輪支承裝置。由于液壓系統(tǒng)故障率較高，設備運轉率也隨之受到影響，橡膠塊存在易老化的問題，最終選擇了自適應托輪支承裝置方案。

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

固定支座固定于基礎上，在輪帶兩側對稱分布，分別通過鉸鏈與對應搖擺軛連接。搖擺軛兩端裝有滑動支承裝置，該裝置上放置了擺動梁，擺動梁可沿滑動支承滑動。擺動梁通過鉸鏈與固定底座相連，擺動梁上方固定有支承托輪。托輪與輪帶均勻接觸，對稱分布在輪帶兩側。在托輪兩側安裝有限位底座，固定于基礎上。

圖1　支承裝置結構示意圖

工作中，當輪帶與回轉窯產(chǎn)生軸向偏轉時，會使輪帶與托輪接觸部分變?yōu)檫吘壗佑|，這種接觸會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，使搖擺軛繞鉸鏈轉動。搖擺軛的轉動會帶動擺動梁繞鉸鏈轉動，進而托輪一起轉動。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，轉動停止。輪帶在沿其回轉中心軸向竄動時，托輪受的軸向力會被限位底座吸收。

2.2　嚙合傳動裝置

如圖2所示，自適應嚙合傳動裝置整體結構包括：大齒輪、小齒輪、擺動底座、滑動支承及調整螺栓等。

擺動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上，球面軸承及銷軸安裝在軸承支座上。擺動底座可繞球面軸承的中心在一定的范圍內擺動。

滑動支承裝置包括固定支座、調整螺栓、滑動板、球面推力軸承。調整螺栓的下部為圓形，中間開有通孔。調整螺栓可繞自潤滑球面軸承的中心在一定的范圍內擺動。調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現(xiàn)限制擺動底座在豎直方向上的位移。

調整螺栓上安裝有滑動板?；瑒影宀捎米詽櫥湍ゾ鬯姆蚁┌?，安裝在擺動底座的下方，擺動底座可沿滑動板在一定范圍內平移滑動。

工作時，由撓性聯(lián)軸器輸入端給予驅動扭矩，帶動小齒輪轉動，驅動大齒輪旋轉。當回轉窯與大齒輪發(fā)生偏擺時，小齒輪與大齒輪間嚙合力沿齒寬方向分布不均，相當于齒輪兩側的兩個軸承及軸承座受力不等，此時擺動底座繞球面軸承中心旋轉，必要時，擺動底座還可沿滑動板在一定范圍內平移滑動，由此調整了小齒輪的位置，其受力差逐漸減小并消除，實現(xiàn)小齒輪自動適應大齒輪的偏擺而保持齒輪副嚙合良好。

圖 2 嚙合傳動裝置

3　有限元分析

3.1　自適應托輪支承裝置底座的有限元分析

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

圖3　支承裝置底座等效應力云圖

圖4　搖擺軛等效應力云圖

圖5　擺動梁等效應力云圖

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

3.2　自適應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。小齒輪擺動底座有限元模型見圖6。

圖6　小齒輪擺動底座有限元模型

圖7和圖8為有限元分析結果，根據(jù)分析結果可知，底座最大綜合變形量約為4.8mm，底座最大等效應力為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　底座等效應力云圖

4　結語

自適應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。自適應嚙合傳動裝置，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。目前自適應托輪支承及嚙合傳動的回轉窯已經(jīng)在我公司國外多個項目上應用。圖9為自適應托輪支承及嚙合傳動的回轉窯現(xiàn)場圖。

圖9　自適應托輪支承及嚙合傳動的回轉窯現(xiàn)場圖

文中所述的回轉窯不僅適用于新建項目，也可用于改造項目中，將回轉窯剛性支承更換為自適應托輪支承裝置，將固定的小齒輪更換為新型嚙合傳動裝置，不需要改動土建基礎和原有結構，更換簡單、方便?！?/p>