中外回转窑基础设计计算方法

张媛媛，张 立，胡 颖

（合肥水泥研究设计院，合肥230051）

水泥厂主体结构之一的回转窑基础的设计，在整个水泥厂的土建设计中占有很重要的地位。整个结构是否合理、安全，关系到整个水泥厂的建设投资及今后是否能够正常运转。同时，由于回转窑的荷载较大，受力很复杂，不仅承受竖向力还有两轴的水平力和弯矩，在设计时，要求结构安全度很高。特别是在对外工程中，各个国家对于回转窑的工况组合的规定也不相同，所以在设计时需要根据具体的情况设计回转窑基础。

1 回转窑及其基础结构设计简介

回转窑是水泥厂锻烧物料的主要设备，其规格由筒体的内径及长度来表示。筒体的内径一般为1.8～6m，长度为30～180m，浮放在3～9对托轮上，两托轮中心线与窑体断面中心线之间的连线夹角为60°，托轮组数视窑的直径及长度而定。窑体荷载通过托轮底座传递给窑基础，回转窑及基础如图1所示。

回转窑的驱动是由电动机通过减速机和大小牙轮来完成。回转窑转数很低，一般小于3r／min。由于筒体转速小，物料在筒体内不能形成圆周运动，故不产生简谐离心力。运转时的动力影响很小，窑基础可以不做动力计算。

回转窑的窑体具有3%～5%的斜度，由窑尾坡向窑头，物料从窑尾进入，火焰由窑头喷入，形成物料与火焰的对流。由于窑内温度高，窑体将会发生变形，有时还会导致某一个托轮脱空，造成基础受力不均匀。

回转窑基础由传动基础、托轮基础等多个独立基础组成。为使刚性窑体安全运转，对于软弱地基或高压缩地基，应采取必要措施（如控制各基础间的地基使用强度或采用人工地基）减小同一设备基础间的沉降差。

2 我国回转窑基础分析计算方法

我国回转窑基础的计算采用静力计算法。动力机器基础设计手册指出在计算时，除对齿轮的传动力考虑2.0的动力系数外，其它荷载均不考虑动力系数。国内计算时，托轮荷载分布，如图2所示。

2.1 荷载

在验算回转窑基础地基承载力时应考虑下列荷载：托轮传递的窑体荷载（包括垂直荷载和水平荷载）、牙轮驱动时所传递的荷载、电机及减速机与托轮底座的重量、基础及台阶上的回填土重、工作走道传递的荷载等。

2.2 工况与荷载分析

回转窑基础计算时应分3种工况进行荷载分析，第3种工况荷载通常是基础的控制荷载。

2.2.1 第1种工况 窑体正常运转时

托轮荷载如图2（a）。如在地震区建造，应与地震荷载组合。

托轮传递的垂直荷载为F1，此时

托轮与轮带间产生的纵向水平力为H1

式中，f1为托轮与轮带的静摩擦系数，取0.2；θ为托轮中心与窑体中心连线和垂直线夹角，一般取用30°；H1近似地作用在拖轮中心线上。

2.2.2 第2种工况 窑体发生纵向变形时

考虑筒体在高温下引起轮带不圆或筒体稍有弯曲变形，托轮传递荷载不均匀，计算时托轮传递的垂直荷载乘以1.5不均匀系数。

托轮传递的垂直荷载为F2，此时

纵向水平力为H1a（作用点同H1）

式中，f2为托轮与轮带的动摩擦系数，取0.1。

2.2.3 第3种工况 1个托轮脱空时

当窑体或者轮带发生较大变形，致使一个托轮脱空，如图2（b）所示。此时在该托轮基础上，仅有一个托轮受力，垂直荷载要考虑不均匀系数1.3。

此时，垂直荷载

纵向水平力

横向水平力（与窑体垂直方向）

2.2.4 窑体纵向推力（挡轮荷载）

由于窑体纵向设有3%～5%斜率，运转时因自重下滑，或由于一对托轮不平行使运转时整个窑体上窜，为此在个别基础上设有防止下滑或上窜的一对水平挡轮，见图2（c）。挡轮纵向水平力H3作用在挡轮轴承中心线处，则

式中，β为窑筒体倾斜角；∑Fi为所有托轮上承受的垂直荷载总和；H3与H1、H1a、H1b不需同时考虑，取其最大者。

2.2.5 牙轮驱动时传递给基础的水平力

此时水平力，如图3所示。

式中，H4为大牙轮对小牙轮作用力的水平分力；Fb为大牙轮对小牙轮作用力的垂直分力；H5为窑体对传动基础托轮上的水平力；H6为窑体对牙轮相邻的基础托轮上的水平力；L为传动基础托轮中心线与相邻基础托轮中心线间的距离；N为齿轮传动力；α为齿轮传动力与水平线的夹角。

2.3 荷载组合

根据托轮传递荷载的3种情况分别进行组合，地震荷载仅与第1种工况窑体正常运转时的荷载相组合。3种荷载组合见表1。

表1 回转窑基础荷载效应标准组合分布

2.4 地基承载力计算

地基承载力计算力，见式（12）

水泥工厂设计规范（GB 50295—2008）第8.8.4规定，回转窑基础的地基反力，不宜出现拉力。同一设备的相邻两个基础直接不均匀差异沉降量不应大于10mm。

3 国外项目中回转窑基础分析计算方法

涉外项目一般会在合同中规定各专业设计需满足的规范标准。若合同规定土建设计需满足他国规定，设计人员应事先熟悉。在回转窑基础设计中，各国规定不尽相同，但大多和上述方法相似，只是系数取值略有不同。下面介绍一种欧洲某国适用的荷载计算方法。此时，托轮荷载分布，如图4所示。

3.1 荷载描述

图4中各符号含义为：P：托轮自重（包括轴承）。G：底座自重。此荷载假定均匀作用在基础上，此荷载未在图4中标出。N1，N2，N3，N4：窑体重。F：由窑弯曲引起的荷载。V1，V2：由托轮和窑摩擦引起的轴向荷载，平均作用在2个托轮上，作用点为托轮和窑的接触点记为X，需考虑两个方向。H1，H2，H3，H4：窑体作用在挡轮上的荷载，作用点记为Y。结构计算时，P，G，N1，N2，N3，N4，H1，H3和H4为恒载，而F，V1，V2和H2为活载。N1，N2，N3和F通过托轮传递，托轮与窑体连线与竖直线夹角约30°。水平力将引起底座与混凝土交接面的剪力，此部分应加强。

3.2 工况分析

基础设计时考虑4种工况，荷载P，G是4种工况都要考虑的荷载。

L1正常工况（正常运转）

窑体任何的不均匀都会产生随窑旋转的荷载F，在F和N1的共同作用下，基础将承受不同的竖向荷载和水平荷载。同时要考虑轴向荷载V1和挡轮荷载H1。

L2非正常工况（罕见运转，对称情况）

较大的温差会引起筒体弯曲变形，导致竖向荷载N2和轴向摩擦力V2增大。当在不加栓的情况下停窑，挡轮荷载H2将增大。

L3非正常工况（罕见运转，不对称情况）

当转动一个弯曲变形的窑，荷载N3将仅仅作用在一个托轮上。

L4正常工况（停窑检修）

检修时，窑体被千斤顶顶起，脱离托轮，基础需承受千斤顶传来的压力。

表2给出了某国5 000t／d水泥生产线各工况荷载值。

表2 某国5 000t／d水泥生产线各工况荷载值 kN

4 结 语

回转窑基础随着计算力学和计算手段的发展和进步，其设计也在不断改进和更新，各国计算方法各不相同。上述我国的计算方法中，第3种工况荷载通常是基础的控制荷载。但在其他国家的计算方法中，没有固定的控制荷载，设计时仍需对每个工况进行考虑。回转窑基础可采用大块式混凝土基础，也可采用墙式、箱式及框架式钢筋混凝土基础。该文中公式（9）与参考文献［2］不同，为作者个人观点，供大家参考讨论。

［1］ GB 50007—2002，建筑地基基础设计规范［S］.

［2］ 第一机械工业部设计研究总院.动力机器基础设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社.

［3］ 沈 杰.地基基础设计手册［M］.上海：上海科学技术出版社，1985.

［4］ GB 50295—2008，水泥工厂设计规范［S］.