大型磨机齿轮参数的研究与确定

杨占凯

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司， 辽宁 沈阳 110141)

0 引言

磨机是将固体物料细化制粉的重要设备, 是冶金、矿山、水泥、化工、陶瓷、建筑、电力、医药以及国防工业等部门广泛使用的一种粉磨设备，目前国内市场磨机的需求量很大。主要体现在两个方面，首先，伴随着科技的发展，新技术的应用，磨机服务的领域不断扩大，新行业、新领域对磨机有着很大的需求；其次，我国是矿产资源丰富的国家，各类矿石的采选都需要物料细化制粉过程，磨机在各种规模的厂矿广泛应用。按照国家节能减排的要求，各厂矿企业对现有的设备进行升级改造，进一步加大了磨机的需求。在拥有广泛市场的同时，市场对磨机的需求也有了新的变化。首先是节能环保的要求，冶金矿山企业不仅消耗大量电能，同时消耗大量钢材，并且废钢、废铁、废弃物等持续增加，需要一种新的工艺和设备，解决废弃物的处理问题，达到节能环保，持续发展的作用。其次为设备大型化的要求，随着国家对环境与能源问题的重视，对中、小冶金矿山企业进行限制，各企业纷纷扩建、新建项目对设备的要求也趋向大型化。

中国有色(沈阳)冶金机械有限公司是国内较大的冶金、矿山设备制造企业之一，所生产的磨机服务于矿山、化工、冶金、水泥等行业，目前已具备与知名企业竞争的能力。公司磨机的设计与研发工作也向着节能、环保、大型化方向进行。电机、减速、小齿轮及大齿轮等组成的驱动部分是磨机的重要装置，对磨机设备的高效、平稳、安全的运行起到重要作用，因此对驱动部分系统的设计和研究是磨机设计工作的重点，也是难点，并且对齿轮的研究更是重中之重。

1 项目概况

1.1 项目背景

近年来在频频出现煤慌、电慌和全国煤炭交易会上的“煤电顶牛”现象后，我国政府从优化能源格局的高度和煤电运协调的角度，对煤电一体化给予了高度重视。我国还是一个煤炭大国，蕴藏十分丰富，储量种类齐全，应用的前景也很广阔。但是，目前来看煤炭运输到发电厂，进行发电容易造成环境和运输的压力，也影响利用效率。国内有些企业采用煤、电、铝联营的结构，直接坑口发电，发电后直接进入铝厂进行铝电解，氧化铝粉经过电解得到铝锭，销售成品铝锭或进行铝业的深加工，该方法取得了一定的效果，在国内有实力的大企业开始研究煤、电、铝及深加工的一体化战略，这也将是企业长足发展的趋势。

1.2 项目来源

中国铝业股份有限公司作为国内大型电解铝类生产企业之一，在煤电铝一体化战略的实施中也不断探索与前进。中国铝业股份有限公司作为耗电大户的制造商，因需要电厂提供大量的电能，在一体化战略中自然采用后向一体化模式。后向一体化指获得供货方的所有权或加强对它们的控制，对于电解铝行业后向一体化模式就是指铝业公司办自备电厂或者参股或控股电厂。

中国铝业股份有限公司在贵州建设的清镇煤电铝一体化项目，我公司负责氧化铝项目中MQY5295溢流型球磨机的设计制造工作。该项目如能按期投产，该规格磨机将成为氧化铝行业中应用的最大规格磨机，同时也是我公司设计制造的最大规格磨机。按照设备使用的环境条件和工矿条件，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：TM4300- 30(节能型),额定功率：P0=43 00 kW，同步转速：n0=200 r/min ，磨机工作转速：n=14.2 r/min ，磨机传动系统传动比i=14.08。

2 齿轮的设计计算

2.1 材料的选择

2.2 按齿面接触强度确定中心距

2.3 验算齿面接触疲劳强度

2.4 验算齿根弯曲疲劳强度

结论：通过计算和验算齿根弯曲应力，结果显示设计值小于许用值，设计正确满足使用要求。

3 传动系统有限元分析

3.1 有限元分析与ANSYS简介

在本次设计中，通过有限元对理论计算结果进行验证，对大齿轮进行了有限元分析，检查齿轮齿根受载较大的地方，校核承载能力。

3.2 大齿轮的ANSYS分析

3.2.1 ANSYS建模

由于在ANSYS中直接建立齿轮轮齿渐开线方程比较困难，所以笔者选择使用三维造型软件Pro/E建立出齿轮的三维模型，将模型导入ANSYS。考虑结构复杂、约束过多对ANSYS分析的网格划分以及运算情况会有很大影响，建立模型时取消了不必要的倒角、圆角，使模型更加简化合理。通过接口，可以把在Pro/E建立好的大齿轮三维模型直接导入ANSYS中，对其选择划分网格。划分网格后的结果如图1所示。

图1 大齿轮有限元分析网格划分

3.2.2 边界条件

正常运行工况下，外加载荷是通过电机轴进行输出扭矩，负载是筒体、物料、端盖及把和的大齿轮，大齿轮和小齿轮之间通过齿轮啮合产生作用和反作用力矩或称为转矩，小齿轮在两个轴承座支撑的齿轮轴之间，并在轴承与轴承座之间施加径向和轴向的约束。

3.2.3 分析结果

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2所示。

图2 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，与理论计算值接近，说明大齿轮有足够的承载能力，大齿轮设计安全可靠，通过有限元也验证了理论计算的正确性。

4 结论与展望

通过计算对磨机的大齿轮进行受力分析和强度校核，并利用限元对大齿轮进行系统分析，得出以下结论：MQY5295溢流型球磨机传动系统大齿轮参数见表1，大齿轮结构如图3所示。

表1 大齿轮参数表

图3 大齿轮结构图

通过有限元系统分析，得出该磨机大齿轮应力和变形等分布规律，与理论计算的危险剖面相吻合，进一步验证设计参数及结构的合理性。这种应力和变形的分布规律，对相同结构磨机的设计有同样的指导意义。

大齿轮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。本文在对MQY5295溢流型球磨机大齿轮进行了理论计算，又利用有限元进行全面分析，理论上保证了产品的性能，从而保证磨机运转的可靠性。虽然设备运行的情况要待用户投产后进行验证，但这种理论计算与有限元分析相结合的方法在大磨机的设计研发工作中应用，对公司的新产品研发有指导性意义。