磨机传动系统齿轮参数的校核

伊英红

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司, 辽宁沈阳 110141)

磨机传动系统齿轮参数的校核

伊英红

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司, 辽宁沈阳 110141)

传动系统作为磨机的重要部分，对磨机高效平稳的运转起着决定性作用，所以对大型磨机传动系统的设计研究是磨机设计的工作重点，对齿轮参数的研究与确定更是重中之重。本文应用传统计算方法与有限元分析法对磨机传动系统齿轮的弯曲强度和接触强度进行校核，验证了所选齿轮参数的合理性。

齿轮；接触应力；弯曲应力

0 引言

磨机是将固体物料细化制粉的重要设备,广泛应用于冶金、矿山、水泥、化工等行业；尤其在冶金、矿山的选矿部门, 磨矿作业占有十分重要的地位。近年来随着冶金、矿山企业规模的扩大，常规型号的设备已不能满足用户大规模的生产需求，大型化已经成为磨机设计制造的主要发展方向。传动系统作为磨机的重要部分，对磨机高效平稳的运转起着决定性作用，所以对大型磨机传动系统的设计是磨机设计的工作重点，对齿轮参数的设定与校核更是必不可少。

1 项目简介

中国有色(沈阳)冶金机械有限公司为清镇煤电铝一体化项目设计的MQY5295溢流型球磨机，按照设备使用的环境和工矿条件，磨机选用TDMK(TM)系列矿山磨机用大型交流三相同步电动机，型号为 TM4300- 30,额定功率4 300 kW，同步转速：200 r/min；磨机工作转速：14.2 r/min，磨机传动系统传动比14.08。

2 齿轮的设计

2.1 初选大小齿轮基本参数

依据公司的传统设计经验和实际应用情况，小齿轮材料选用20CrNi2Mo，整体调质处理，齿面渗碳淬火处理，齿面硬度HRC 57～61；大齿轮材料选用ZG42CrMo，调质处理，齿面硬度≥250 HB。考虑到斜齿轮传递可增加啮合齿数量，使设备运行更加平稳，结合设备加工条件，选定螺旋角β=5.25°，压力角αn=25°，中心距a=4 000 mm，齿轮模数mn=30 mm，小齿轮齿数取Z1=19 ，大齿轮齿数Z2=268；选择齿轮精度为8级。

2.2 许用接触应力计算

按使用5年计算应力循环次数N：

接触强度计算的寿命系数ZN，在允许一定的点蚀的情况下查得：ZN1=1.07，ZN2=1.24；

接触强度计算的尺寸系数ZX：考虑接触疲劳中的尺寸效应与模数有关，取ZX1=ZX2=1.0；

接触强度计算的最小安全系数SHmin：取SHmin=1.0；

润滑油膜影响系数ZLVR： 精加工齿轮取ZLVR=0.92；

齿面接触疲劳极限σHlim：查得σHlim 1=1 500 N/mm2，σHlim 2=620 N/mm2；

许用接触应力：

因[σH]2<<[σH]1，取[σH]=[σH]2=799.24 N/mm2。

2.3 验算齿面接触疲劳强度

根据设备工况条件，原动机为电机，重型球磨机严重冲击条件，选取使用系数KA=1.75；

考虑齿轮在两轴承间对称布置，得螺旋线载荷分布系数Kβ=1.11；

考虑齿轮为表面硬化的斜齿轮，Ⅱ组精度等级为8，选取齿间载荷分配系数Kα=1.4；

载荷系数：K=KAKvKβKα=1.75×1.08×1.11×1.4=2.937；

端面压力角αt=arctan(tanαn/cosβ)=arctan(tan 25°/cos 5.25°)=25.092 4°

齿轮基圆直径

db1=d1cosαt=572.401×cos 25.0924°=
518.381 mm
db2=d2cosαt=8 073.870×cos 25.0924°=
7 311.899 mm

端面齿顶压力角

计算端面重合度εα、纵向重合度εβ

接触强度计算的重合度系数：

基圆螺旋角：

βb=arctan(tanβcosαt)=
arctan(tan 5.25°cos 25.0924°)=4.7569°

节点区域系数：

齿面接触应力：

2.4 验算齿根弯曲疲劳强度

查得载荷作用于齿顶时的齿廓系数：YFa1=2.43，YFa2=1.8；

查得载荷作用于齿顶时的应力修正系数：Ysa1=1.64，Ysa2=2.04；

查得齿根弯曲疲劳极限：σFlim1=465 N/mm2,σFlim 2=250 N/mm2；

查得弯曲强度计算的寿命系数：YN1=0.91，YN2=0.95；

弯曲强度计算的尺寸系数：YX1=0.8，YX2=0.85；

取试验齿轮的应力修正系数：YST=2；

取弯曲疲劳强度的最小安全系数：SFmin=1.4；

计算许用弯曲应力：

斜齿轮齿根弯曲强度计算的螺旋角系数Yβ和重合度系数Yε：εβ<1，β<30°， 计算得

计算齿根弯曲应力：

3 传动系统有限元分析

在工况条件下，按理论公式计算的扭矩值提取大齿轮的弯曲应力，如图1所示。

图1 大齿轮弯曲应力有限元分析云图

由分析结果可知，大齿轮的齿根弯曲应力最大值为48.192 N/mm2，说明大齿轮有足够的承载能力，大齿轮设计安全可靠。

在工况条件下，按理论公式计算的扭矩值提取齿轮轴的弯曲应力、剪切应力，如图2、图3所示。

图2 齿轮轴弯曲应力有限元分析云图

图3 齿轮轴剪切应力有限元分析云图

由分析结果可知，齿轮轴的齿根弯曲应力最大值为54.349 N/mm2，说明齿轮轴有足够的承载能力；齿轮轴的剪切应力最大值为44.346 N/mm2。

4 结论

大齿轮、齿轮轴是磨机传动系统的重要组成部分，其强度和寿命直接影响到磨机运转的平稳性、可靠性。本文对MQY5295溢流型球磨机大齿轮、齿轮轴进行了理论计算，又利用有限元进行全面分析，得出该磨机大齿轮和齿轮轴应力和变形等分布规律，与理论计算相吻合，进一步验证设计参数及结构的合理性，从而保证磨机运转的可靠性。

[1] 孙志礼，冷兴聚. 机械设计[M]. 沈阳：东北大学出版社，2000.

[2] 成大先. 机械设计手册(第五版)第3卷[M]. 北京：化学工业出版社，2010.

Check of Gear Parameters in Mill Transmission System

YI Ying-hong

As an important part of the mill, transmission system plays a decisive role in smooth and efficient operation of the mill. Therefore, the design and research of transmission system of the large-scale mill is an emphasis in mill design. The determination and study of the parameters of the gear is a top priority. The traditional calculation method and finite element analysis are used to check bending strength and contact strength of gear of mill transmission system and verify the reasonableness of gear parameters in this paper.

gear；contact stress；bending stress

2015-01-26

伊英红(1978-)，女，辽宁沈阳人，工程师，大学本科，主要从事冶金设备设计及开发工作，现任中国有色(沈阳)冶金机械有限公司设计员。

TD453

B

1003-8884(2015)02-0023-03