回转窑托轮更换中领圈支顶装置的优化设计

刘树杰， 任 燕， 刘树香

(1.鹤壁汽车工程职业学院, 河南 鹤壁 458030; 2.中国铝业公司中州分公司, 河南 焦作 454000)

回转窑是烧结法生产氧化铝的核心设备，铝土矿、石灰、碱等原料在回转窑内1 300 ℃左右时发生化学变化，生成熟料。回转窑属于回转圆筒形设备，重量大，结构复杂。中国铝业公司中州分公司回转窑直径4.5 m，长度100 m，安装斜度3.5%，正常转速2 r/min，熟料产能63 t/h左右。

1 回转窑构成

回转窑机械部分主要结构如图1所示，包括：筒体(含内衬)、领圈、支承装置、传动装置等部分。领圈由铸钢整体加工而成，筒体、内衬和物料等回转部分的重量通过领圈传到支承装置上，通常需传递数百吨重的载荷。

图1 回转窑机械结构示意图

回转窑支撑结构如图2所示，支承装置由一对托轮组和钢底座组成，承受回转部分全部重量。托轮既要保证筒体的自由转动，又向基础传递了巨大的载荷。支承装置的数量为窑的档位数，从低端起依次称为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ档。

图2 回转窑支撑结构示意图

托轮组是支撑回转窑体并完全承受窑和内衬及内部熟料重量的部件，托轮组的运转状况直接影响着窑系统的正常运行，这就要求托轮组应具有足够的强度和刚度以满足窑筒体正常运转要求。

2 产生托轮断裂的原因分析

回转窑由四档托轮组支撑，如果把筒体自重及各附属部件重量相加共约1 530 t，托轮组通过滑动轴承的形式配合窑领圈的运转实现窑回转运动。经过观察和对各托轮断裂情况的分析，主要原因有：筒体变形对托轮轴产生非稳定交变应力产生疲劳断裂；托轮经过长期运转致使托轮轴达到疲劳极限断裂；托轮和窑体回转不在同轴线上；托轮轴材质及加工原因等。还有托轮表层金属剥落形成疲劳点蚀严重也需要更换托轮。

3 托轮断裂的主要方式及更换方法

经多次观察，托轮轴失效形式一般为：

(1) 托轮轴临近托轮的轴肩部位断裂；

(2) 托轮轴挡头板断裂；

(3) 托轮轮辐辐条断裂；

(4) 翻瓦造成的托轮壳体碎裂；

(5) 长期运行造成托轮轴外径磨损和瓦面磨损严重需要更换。

上述情况的发生都会造成紧急停窑更换托轮。托轮更换必须在现场完成且都是抢修作业，所有施工内容须在离窑体很近的小范围作业，场地限制无法设置更多的有效施工吊装器具，且临时停窑窑体温度较高给施工带来很大影响。因此，托轮更换一般都是在托轮钢底座中间位置放置50 t液压油顶，中间垫以100～150 mm厚的钢板支撑窑筒体领圈顶离托轮一定距离后拆卸拉出已断轴的托轮，再利用50 t吊车吊离托轮平台，然后将托轮备件吊装至托轮安装位置推入找正固定。

4 领圈支顶装置及优化设计

窑领圈自重34 t，窑筒体过渡短节6.6 t，附带连接筒体重量约3 t，支撑在领圈上的顶力必须大于45 t。在每次托轮更换的领圈支顶过程中，为了保证油顶的有效功能而不能使油顶活塞行程过大，避免泄压。所以必须要在油顶与领圈之间100～150 mm距离内垫加许多调节垫板，如图3所示。

1.领圈 2.垫板 3.油顶上盖 4.锁紧螺母 5.500 t油顶图3 领圈支顶装置结构示意图

在维修更换中使用50 mm以上钢垫板，会给人力搬运带来很大困难，一般是用30 mm以下多层垫板逐层垫高使用。因领圈为外径Φ4 500 mm的圆弧，则最上层垫板和领圈外径呈线形接触，导致领圈承受很大的集中载荷，容易使领圈产生局部过应力情况。同时容易形成剪切和挤压致使领圈表层产生初始疲劳裂纹，然后裂纹向表面延伸，致使领圈表层金属剥落形成疲劳点蚀，从而降低领圈的承载能力，产生振动。这些都对领圈的使用寿命产生很大影响。同时油顶顶力和窑体及领圈的重量挤压致使垫板变形造成微小圆弧变形，这种变形成圆弧的垫板如果在多次更换托轮中使用不能保证每次都按原位放置就极易给领圈造成重复应力集中的损伤，如图4所示。

图4 变形垫板

经过对托轮断轴损坏件的特性分析，结合支顶马鞍的形式，从以下方面对原支顶方式进行了改进：

(1) 为了增大油顶与领圈接触面积，把线接触改为面接触(弧形支撑)，以减小应力集中，增大均布载荷，避免对领圈形成集中挤压变形的损伤。

(2) 减少垫板制作次数和每次搬运垫板人力的浪费，合理简化支撑垫板结构。

(3) 节约成本，提高工效，可以重复使用。

依据500 t液压油顶的柱面直径和距领圈的调节距离要求，经过分析设计和改进，经实地测量多台窑托轮钢底座距领圈的不同数据，依据油顶盖的直径和锁紧杆的高度，制作了两件不同规格的专用装置，如图5所示。

图5 领圈支顶装置优化结构示意图

将分别制作的件Ⅰ和件Ⅱ组焊，并在连接部位焊接支撑筋板加固。在圆弧面均布4个沉头孔，以便通过M20沉头螺栓与油顶上盖联接，可以在油顶倒运过程中实现一次到位，无须二次搬运。

5 效果检验

优化后的领圈支顶专用装置经过多次检修使用，不仅缩短了托轮换装时间，而且减轻了对领圈的伤害程度，取得了很好的使用效果。如果在与领圈接触面间加以松软的木质薄板和垫胶皮层，会使领圈与圆弧的接触力更加完整均布，保护领圈外径不受损伤。