石灰窑底部传动结构优化

李晓光，闫卫华，宋玉军

（唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305）

石灰窑在氨碱法纯碱生产中的主要作用是煅烧分解石灰石，生产二氧化碳（窑气）及生石灰，石灰窑在石灰工序中是主要生产设备，我厂石灰窑的结构形式为机械回转竖式石灰窑，在制碱领域得到广泛使用。而石灰窑机械传动部件的正常运转也直接关系到石灰窑的产能及工艺指标，因此降低石灰窑设备的事故发生率，确保设备的长周期稳定运行是我们的首要工作。

我车间的石灰窑窑底由出灰装置、进风装置、传动装置构成，对于整座石灰窑来说传动装置是与物料直接接触、磨损的部件，承受数百吨物料的压力和水平方向的驱动力，承载力较大，较易发生设备事故及隐患，是巡检和检修的重要位置之一。我车间的石灰窑底部传动装置在正常运转过程中承受较大偏心荷载，因其受力不平衡，严重时可导致传动滚轮“上道”、啃轨等现象发生，在恢复检修时不仅费时费力，而且对生产波动较大。因此，我车间对窑底传动结构进行优化改进，已彻底改善设备运行状况，降低事故发生率。

1 窑底出灰转盘驱动方位改造

1.1 窑底转盘工况概述

我车间石灰窑窑底滚轮的工况为：电机减速机驱动螺锥出灰转盘旋转，而后灰块物料被刮刀刮落至下灰漏斗，出灰转盘承受电机减速机的扭力和出灰刮刀阻料的摩擦力，并由转盘中心定位座在水平方向限定位，竖直方向由窑底滚轮承载压力，如图1所示。

图1 石灰窑窑底滚轮的工况

1.2 原有转盘驱动方位存在的问题

根据原有出灰转盘驱动的设计方位，给出俯视平面的受力示意图，如图所示F代表驱动小齿轮加载在转盘齿圈上的力，力F的方向与减速机中轴线方向垂直，驱使出灰转盘以中心定位座为中心做圆周运动；力f代表出灰刮刀推阻物料，使物料与出灰转盘之间产生的摩擦力。F与f之间的合力夹角为75°＋135°＝210°，此合力不相互平行，当物料灰块结瘤受出灰刮刀阻挡，使f骤然增大或电机减速机突然启动时使F骤然增大，都会使转盘另一端承受较大扭力，该力易使窑底滚轮受到过载而脱出轨，俗称“滚轮上道”，若不及时处理，驱动小齿轮与大齿圈将错位脱出，失去啮合。严重时会发生轮齿折断、齿顶变形等事故，给生产带来很大影响。

图2 改造前受力部件方位图

1.3 转盘驱动方位改造

结合改造前的转盘驱动方位图，车间对现场转盘驱动装置的方位进行改造，具体改造措施需将窑体外部转盘减速机基础和窑体内部小齿轮基础进行改造，窑底小屋平台、内外层人门以视镜观察孔中心线为基准全部顺时针移至改造后位置，各件之间相对位置不变。如图4所示，改造后F与f受力夹角为45°＋135°＝180°。此合力在水平方向达到平行，同样以中心定位座为中心实现圆周方向上力的平衡，当一端载荷骤然增大时，另一端的扭力可以迅速被同向的力所约束而抵消。可有效避免“滚轮上道”的事故发生。

图3 改造后受力部件方位图

2 滚轮固定盘改造

虽然通过对转盘驱动方位进行了改造，使“滚轮上道”的事故隐患大大降低了，但并不能完全根除滚轮啃轨的问题。

2.1 滚轮的运行原理及故障分析

窑底滚轮是由滚轮压盖固定在滚轮固定盘上，滚轮固定盘无任何约束，无任何驱动力，被动承载螺锥出灰转盘的压力及摩擦力，摩擦力驱使滚轮沿着上下轨道边缘在圆周方向上转动，基本结构类似于压力轴承。但是滚轮仅仅依靠滚轮边缘的凸台与上下轨道的外沿接触，起到摩擦限位的作用，因此滚轮与上下轨道之间的低速重载滑动摩擦使滚轮啃轨的问题越来越严重。受窑底环境限制，此问题无法通过润滑解决，当石灰窑未到大修周期，就要被迫停窑拆除更换。

经过技术分析、诊断，发现各窑的轨道磨损方位相同，根据现有部件结构，增加滚轮限位导向装置——转盘挡辊，挡辊安装在滚轮固定盘上，随滚轮一同转动时预先接触下轨道外沿，推阻固定盘移位的现象，并防止滚轮限位凸台与轨道相接触，并使其由滑动接触改为滚动接触，从而杜绝了滚轮磨损，也杜绝了滚轮“啃轨”的问题。

2.2 限位导向结构设计应用

考虑到现场的复杂环境，为了避免新增部件因尺寸偏差而延误检修，给生产造成不良影响的后果，因此笔者采用Solidworks3D模型建造软件设计，ANSYS有限单元分析载荷进行辅助优化。

Solidworks图形设计软件进行模型的构造仿真，该软件应用环境是 Windows界面，操作简单方便。灵活的草图绘制和检查功能很容易清楚自己的操作状态；绘图中的动态反馈和推理功能可以自动添加几何约束；强大的特征建立能力和零件与装配的控制功能可以仿真现有机加工的生产能力和零部件装配的可靠性；三维模型可自动产生灵活多样的工程图，包括视图、尺寸、标注等；eDrawings文件可以非常方便地交流设计思想，提供了自由、开放、功能完整的设计平台。

2.2.1 构建模型

首先构造滚轮固定盘及相关零部件的总成图，而后建造相邻零件轨道及轨道基础座，参照现场环境，固定盘压附在轨道上，使之产生接触干涉关系。如图所示：图中浅色结构件为滚轮固定盘部件总成，深色结构件为轨道挡辊部件总成。

由于预将挡辊安装在滚轮固定盘上，所以利用现有总成图中固定盘与轨道零部件之间的非干涉空间，测量挡辊与轨道之间的安装距离，得出实际尺寸后，方可建造挡辊部件图。

图4 滚轮固定盘及相关零部件

2.2.2 零件载荷、约束分析

为了使现有设计的挡辊强度能够满足现场要求，笔者将在下面对挡辊关键零件进行有限元分析处理。根据力的传导和相互性原理，判断零部件的受力集中和约束都应集中在结构较复杂的挡辊基础支架上。设定该件为易损件，进行零件载荷、约束分析。首先选取该零件的材质为铸造碳钢；其次确定应力集中范围应是图5中的四个固定螺栓孔周围，假设给挡辊施加40 000N的力，那么每片区域将添加20 000N的力。

同时给该零件添加约束，因为该件固定在滚轮转盘固定盘上，固定面为零件上面的四个螺栓孔附近，所以在螺栓孔附近施加约束，如图5所示。

图5 挡辊基础支架受力分析（1）

当零件添加了钢材杨氏模量、受力与约束的三个必要条件后，即可应用有限元程序进行载荷分析计算。为了更直观的表述应力集中，笔者将零件正面配图。由ANSYS分析出的云图显示计算结果，支架的受力值区间范围3.79×104～1.74×108Pa，最大极限应力为1.74×108Pa，零件本身屈服应力2.4×108Pa，根据材料的非线性定义，输出极限应力小于屈服应力即满足设计强度要求。如图6所示。

图6 挡辊基础支架受力分析（2）

同时零件受力必将会产生一定弹性变形，其位移值区间范围为0～0.7mm。由ANSYS分析，云图红色区域为变形量最大区域。变形量对部件本身及周围设备无干涉，因此位移值也满足设计要求。如图7所示。

图7 挡辊基础支架受力分析（3）

2.2.3 安装调试经验

按照三维设计图形生成工程图，交付厂家生产制作，返回的挡辊经过校验，确认尺寸无误后开始组装试运行。

1）安装方法

首先，因新安装的挡辊支架与滚轮压板的加强筋冲突，所以需将滚轮固定压板的加强筋通过机加工铣掉，也可直接使用不带加强筋的新压板。其次，固定盘上的四个约束螺栓孔不在一个平面上，所装挡辊支架的约束螺栓孔也并非在一个平面上，而相对的配合孔无法经过配钻，有可能会产生加工误差，导致装配零件不符，所以在支架螺栓孔径设计时应预留余量，且水平方向尽量开长孔。再次，新挡辊的安装可根据现场实际条件，可以接一跳一安装，也可以全部安装。

2）试车调试

当滚轮转盘偏离中心位置较多时，则加装的新挡辊在转盘转动第一圈时会承受较大向心推力，这个推力主要是由转盘转动时挡辊与轨道间的压力，即如上所述的“40 000N”为设计值。偏移量越多，阻力越大，那么压力也就越大，当超出设计载荷范围时，挡辊就会发生“过载”，产生屈服变形。为了避免“过载”，笔者建议新安装的挡辊在与轨道接触负载后，转盘开反转，再正传，如此递进反复运行，可有效控制新挡辊“过载”的现象发生。

试车时如何判断挡辊过载，根据上面设计的云图判断，显示密集阴影区域的地方及变形位移量最大的地方，可在该处增加百分表测量型变量。当表头有所显示，或显示数值超出0.7mm时，该件可能会发生屈服变形。

［1］ 中华人民共和国化学工业部.设备维护检修规程［S］.北京：化学工业出版社，1992

［2］ 北京有色冶金设计研究院.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，1993