回转窑自适应托轮支承装置及啮合传动装置的研究

孙学成，吴蕾，陶瑛，任鞠萍

1　引言

回转窑是一种对散状或浆状物料进行加热处理的热工设备，广泛应用于冶金、化工及水泥等行业。其中水泥回转窑主要由筒体、支承装置、轮带、传动装置及密封装置等部分组成。目前，国内回转窑支承普遍使用刚性支承结构，啮合传动装置中的小齿轮也采用固定安装方式。由于回转窑冷态安装和热态运转时筒体温度的不同，使得筒体挠度也不同，进而造成轮带及大齿圈的偏转，导致刚性支承的托轮与轮带边缘接触，大齿轮和小齿轮啮合不良。笔者改进了回转窑支承装置及啮合传动装置，解决了筒体变形引起的支承及传动问题。

2　结构设计

2.1　自适应托轮支承

为改进托轮与轮带的接触不良，我们设计了三个方案，分别是液压自动调位托轮支承装置、共轭梁自适应托轮装置以及橡胶块式调位托轮支承装置。由于液压系统故障率较高，设备运转率也随之受到影响，橡胶块存在易老化的问题，最终选择了自适应托轮支承装置方案。

如图1所示，自适应托轮支承装置包括：铰链、摆动梁、滑动支承、摇摆轭、限位底座、固定底座、带球面轴承托轮轴承组、铰链、固定支座和滑动装置等。

固定支座固定于基础上，在轮带两侧对称分布，分别通过铰链与对应摇摆轭连接。摇摆轭两端装有滑动支承装置，该装置上放置了摆动梁，摆动梁可沿滑动支承滑动。摆动梁通过铰链与固定底座相连，摆动梁上方固定有支承托轮。托轮与轮带均匀接触，对称分布在轮带两侧。在托轮两侧安装有限位底座，固定于基础上。

图1　支承装置结构示意图

工作中，当轮带与回转窑产生轴向偏转时，会使轮带与托轮接触部分变为边缘接触，这种接触会在支承托轮宽度方向上产生不均匀的力。由于托轮与摆动梁固定在一起，托轮上的受力差值传递到摇摆轭两端，使摇摆轭绕铰链转动。摇摆轭的转动会带动摆动梁绕铰链转动，进而托轮一起转动。直到托轮宽度方向受力差值消除，轮带与托轮宽度方向受力均匀，转动停止。轮带在沿其回转中心轴向窜动时，托轮受的轴向力会被限位底座吸收。

2.2　啮合传动装置

如图2所示，自适应啮合传动装置整体结构包括：大齿轮、小齿轮、摆动底座、滑动支承及调整螺栓等。

摆动支承装置包括球面轴承、轴承支座和销轴。球面轴承为自润滑球轴承，轴承支座固定在地面基础上，球面轴承及销轴安装在轴承支座上。摆动底座可绕球面轴承的中心在一定的范围内摆动。

滑动支承装置包括固定支座、调整螺栓、滑动板、球面推力轴承。调整螺栓的下部为圆形，中间开有通孔。调整螺栓可绕自润滑球面轴承的中心在一定的范围内摆动。调整螺栓的上端通过螺母与连接支座固定，通过限制连接支座的位置实现限制摆动底座在竖直方向上的位移。

调整螺栓上安装有滑动板。滑动板采用自润滑耐磨聚四氟乙烯板，安装在摆动底座的下方，摆动底座可沿滑动板在一定范围内平移滑动。

工作时，由挠性联轴器输入端给予驱动扭矩，带动小齿轮转动，驱动大齿轮旋转。当回转窑与大齿轮发生偏摆时，小齿轮与大齿轮间啮合力沿齿宽方向分布不均，相当于齿轮两侧的两个轴承及轴承座受力不等，此时摆动底座绕球面轴承中心旋转，必要时，摆动底座还可沿滑动板在一定范围内平移滑动，由此调整了小齿轮的位置，其受力差逐渐减小并消除，实现小齿轮自动适应大齿轮的偏摆而保持齿轮副啮合良好。

图 2 啮合传动装置

3　有限元分析

3.1　自适应托轮支承装置底座的有限元分析

自适应托轮支承装置由于受力较大，需要对其支承底座的安全性进行校核，为此，笔者对托轮的支承底座及重要零部件进行了有限元分析，以验证底座的刚度和强度。其中，图3为支承装置底座等效应力云图，图4为摇摆轭等效应力云图，图5为摆动梁等效应力云图。

图3　支承装置底座等效应力云图

图4　摇摆轭等效应力云图

图5　摆动梁等效应力云图

有限元模拟结果显示，支承底座最大等效应力为132MPa，安全系数为225/132=1.70；摇摆轭的最大等效应力为132MPa，安全系数为225/132=1.70；摆动梁的最大等效应力为141MPa，安全系数为225/141=1.60。由模拟结果可知托轮支承装置的底座满足使用要求。

3.2　自适应托轮支承装置底座的有限元分析

底座小齿轮装置自重及小齿轮受法向力326 500N，小齿轮受轴向力32 650N。

底座上的固定支座和轴承支座下部钢板固定约束。小齿轮摆动底座有限元模型见图6。

图6　小齿轮摆动底座有限元模型

图7和图8为有限元分析结果，根据分析结果可知，底座最大综合变形量约为4.8mm，底座最大等效应力为72.5MPa，安全系数为225/72.5=3.10，满足使用要求。

图7　底座综合变形云图

图8　底座等效应力云图

4　结语

自适应托轮支承装置改善了轮带、托轮、托轮轴及轴承的受力状况，提高了托轮轴及轴承的安全可靠性。自适应啮合传动装置，改善了大小齿轮、小齿轮轴及轴承的受力状况，提高了小齿轮轴及轴承的安全可靠性。目前自适应托轮支承及啮合传动的回转窑已经在我公司国外多个项目上应用。图9为自适应托轮支承及啮合传动的回转窑现场图。

图9　自适应托轮支承及啮合传动的回转窑现场图

文中所述的回转窑不仅适用于新建项目，也可用于改造项目中，将回转窑刚性支承更换为自适应托轮支承装置，将固定的小齿轮更换为新型啮合传动装置，不需要改动土建基础和原有结构，更换简单、方便。■