中外回轉窯基礎設計計算方法

張媛媛，張 立，胡 穎

（合肥水泥研究設計院，合肥230051）

水泥廠主體結構之一的回轉窯基礎的設計，在整個水泥廠的土建設計中占有很重要的地位。整個結構是否合理、安全，關系到整個水泥廠的建設投資及今后是否能夠正常運轉。同時，由于回轉窯的荷載較大，受力很復雜，不僅承受豎向力還有兩軸的水平力和彎矩，在設計時，要求結構安全度很高。特別是在對外工程中，各個國家對于回轉窯的工況組合的規定也不相同，所以在設計時需要根據具體的情況設計回轉窯基礎。

1 回轉窯及其基礎結構設計簡介

回轉窯是水泥廠鍛燒物料的主要設備，其規格由筒體的內徑及長度來表示。筒體的內徑一般為1.8～6m，長度為30～180m，浮放在3～9對托輪上，兩托輪中心線與窯體斷面中心線之間的連線夾角為60°，托輪組數視窯的直徑及長度而定。窯體荷載通過托輪底座傳遞給窯基礎，回轉窯及基礎如圖1所示。

回轉窯的驅動是由電動機通過減速機和大小牙輪來完成。回轉窯轉數很低，一般小于3r／min。由于筒體轉速小，物料在筒體內不能形成圓周運動，故不產生簡諧離心力。運轉時的動力影響很小，窯基礎可以不做動力計算。

回轉窯的窯體具有3%～5%的斜度，由窯尾坡向窯頭，物料從窯尾進入，火焰由窯頭噴入，形成物料與火焰的對流。由于窯內溫度高，窯體將會發生變形，有時還會導致某一個托輪脫空，造成基礎受力不均勻。

回轉窯基礎由傳動基礎、托輪基礎等多個獨立基礎組成。為使剛性窯體安全運轉，對于軟弱地基或高壓縮地基，應采取必要措施（如控制各基礎間的地基使用強度或采用人工地基）減小同一設備基礎間的沉降差。

2 我國回轉窯基礎分析計算方法

我國回轉窯基礎的計算采用靜力計算法。動力機器基礎設計手冊指出在計算時，除對齒輪的傳動力考慮2.0的動力系數外，其它荷載均不考慮動力系數。國內計算時，托輪荷載分布，如圖2所示。

2.1 荷載

在驗算回轉窯基礎地基承載力時應考慮下列荷載：托輪傳遞的窯體荷載（包括垂直荷載和水平荷載）、牙輪驅動時所傳遞的荷載、電機及減速機與托輪底座的重量、基礎及臺階上的回填土重、工作走道傳遞的荷載等。

2.2 工況與荷載分析

回轉窯基礎計算時應分3種工況進行荷載分析，第3種工況荷載通常是基礎的控制荷載。

2.2.1 第1種工況 窯體正常運轉時

托輪荷載如圖2（a）。如在地震區建造，應與地震荷載組合。

托輪傳遞的垂直荷載為F1，此時

托輪與輪帶間產生的縱向水平力為H1

式中，f1為托輪與輪帶的靜摩擦系數，取0.2；θ為托輪中心與窯體中心連線和垂直線夾角，一般取用30°；H1近似地作用在拖輪中心線上。

2.2.2 第2種工況 窯體發生縱向變形時

考慮筒體在高溫下引起輪帶不圓或筒體稍有彎曲變形，托輪傳遞荷載不均勻，計算時托輪傳遞的垂直荷載乘以1.5不均勻系數。

托輪傳遞的垂直荷載為F2，此時

縱向水平力為H1a（作用點同H1）

式中，f2為托輪與輪帶的動摩擦系數，取0.1。

2.2.3 第3種工況 1個托輪脫空時

當窯體或者輪帶發生較大變形，致使一個托輪脫空，如圖2（b）所示。此時在該托輪基礎上，僅有一個托輪受力，垂直荷載要考慮不均勻系數1.3。

此時，垂直荷載

縱向水平力

橫向水平力（與窯體垂直方向）

2.2.4 窯體縱向推力（擋輪荷載）

由于窯體縱向設有3%～5%斜率，運轉時因自重下滑，或由于一對托輪不平行使運轉時整個窯體上竄，為此在個別基礎上設有防止下滑或上竄的一對水平擋輪，見圖2（c）。擋輪縱向水平力H3作用在擋輪軸承中心線處，則

式中，β為窯筒體傾斜角；∑Fi為所有托輪上承受的垂直荷載總和；H3與H1、H1a、H1b不需同時考慮，取其最大者。

2.2.5 牙輪驅動時傳遞給基礎的水平力

此時水平力，如圖3所示。

式中，H4為大牙輪對小牙輪作用力的水平分力；Fb為大牙輪對小牙輪作用力的垂直分力；H5為窯體對傳動基礎托輪上的水平力；H6為窯體對牙輪相鄰的基礎托輪上的水平力；L為傳動基礎托輪中心線與相鄰基礎托輪中心線間的距離；N為齒輪傳動力；α為齒輪傳動力與水平線的夾角。

2.3 荷載組合

根據托輪傳遞荷載的3種情況分別進行組合，地震荷載僅與第1種工況窯體正常運轉時的荷載相組合。3種荷載組合見表1。

表1 回轉窯基礎荷載效應標準組合分布

2.4 地基承載力計算

地基承載力計算力，見式（12）

水泥工廠設計規范（GB 50295—2008）第8.8.4規定，回轉窯基礎的地基反力，不宜出現拉力。同一設備的相鄰兩個基礎直接不均勻差異沉降量不應大于10mm。

3 國外項目中回轉窯基礎分析計算方法

涉外項目一般會在合同中規定各專業設計需滿足的規范標準。若合同規定土建設計需滿足他國規定，設計人員應事先熟悉。在回轉窯基礎設計中，各國規定不盡相同，但大多和上述方法相似，只是系數取值略有不同。下面介紹一種歐洲某國適用的荷載計算方法。此時，托輪荷載分布，如圖4所示。

3.1 荷載描述

圖4中各符號含義為：P：托輪自重（包括軸承）。G：底座自重。此荷載假定均勻作用在基礎上，此荷載未在圖4中標出。N1，N2，N3，N4：窯體重。F：由窯彎曲引起的荷載。V1，V2：由托輪和窯摩擦引起的軸向荷載，平均作用在2個托輪上，作用點為托輪和窯的接觸點記為X，需考慮兩個方向。H1，H2，H3，H4：窯體作用在擋輪上的荷載，作用點記為Y。結構計算時，P，G，N1，N2，N3，N4，H1，H3和H4為恒載，而F，V1，V2和H2為活載。N1，N2，N3和F通過托輪傳遞，托輪與窯體連線與豎直線夾角約30°。水平力將引起底座與混凝土交接面的剪力，此部分應加強。

3.2 工況分析

基礎設計時考慮4種工況，荷載P，G是4種工況都要考慮的荷載。

L1正常工況（正常運轉）

窯體任何的不均勻都會產生隨窯旋轉的荷載F，在F和N1的共同作用下，基礎將承受不同的豎向荷載和水平荷載。同時要考慮軸向荷載V1和擋輪荷載H1。

L2非正常工況（罕見運轉，對稱情況）

較大的溫差會引起筒體彎曲變形，導致豎向荷載N2和軸向摩擦力V2增大。當在不加栓的情況下停窯，擋輪荷載H2將增大。

L3非正常工況（罕見運轉，不對稱情況）

當轉動一個彎曲變形的窯，荷載N3將僅僅作用在一個托輪上。

L4正常工況（停窯檢修）

檢修時，窯體被千斤頂頂起，脫離托輪，基礎需承受千斤頂傳來的壓力。

表2給出了某國5 000t／d水泥生產線各工況荷載值。

表2 某國5 000t／d水泥生產線各工況荷載值 kN

4 結 語

回轉窯基礎隨著計算力學和計算手段的發展和進步，其設計也在不斷改進和更新，各國計算方法各不相同。上述我國的計算方法中，第3種工況荷載通常是基礎的控制荷載。但在其他國家的計算方法中，沒有固定的控制荷載，設計時仍需對每個工況進行考慮。回轉窯基礎可采用大塊式混凝土基礎，也可采用墻式、箱式及框架式鋼筋混凝土基礎。該文中公式（9）與參考文獻［2］不同，為作者個人觀點，供大家參考討論。

［1］ GB 50007—2002，建筑地基基礎設計規范［S］.

［2］ 第一機械工業部設計研究總院.動力機器基礎設計手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社.

［3］ 沈 杰.地基基礎設計手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，1985.

［4］ GB 50295—2008，水泥工廠設計規范［S］.