石灰窯底部傳動結構優化

李曉光，閆衛華，宋玉軍

（唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305）

石灰窯在氨堿法純堿生產中的主要作用是煅燒分解石灰石，生產二氧化碳（窯氣）及生石灰，石灰窯在石灰工序中是主要生產設備，我廠石灰窯的結構形式為機械回轉豎式石灰窯，在制堿領域得到廣泛使用。而石灰窯機械傳動部件的正常運轉也直接關系到石灰窯的產能及工藝指標，因此降低石灰窯設備的事故發生率，確保設備的長周期穩定運行是我們的首要工作。

我車間的石灰窯窯底由出灰裝置、進風裝置、傳動裝置構成，對于整座石灰窯來說傳動裝置是與物料直接接觸、磨損的部件，承受數百噸物料的壓力和水平方向的驅動力，承載力較大，較易發生設備事故及隱患，是巡檢和檢修的重要位置之一。我車間的石灰窯底部傳動裝置在正常運轉過程中承受較大偏心荷載，因其受力不平衡，嚴重時可導致傳動滾輪“上道”、啃軌等現象發生，在恢復檢修時不僅費時費力，而且對生產波動較大。因此，我車間對窯底傳動結構進行優化改進，已徹底改善設備運行狀況，降低事故發生率。

1 窯底出灰轉盤驅動方位改造

1.1 窯底轉盤工況概述

我車間石灰窯窯底滾輪的工況為：電機減速機驅動螺錐出灰轉盤旋轉，而后灰塊物料被刮刀刮落至下灰漏斗，出灰轉盤承受電機減速機的扭力和出灰刮刀阻料的摩擦力，并由轉盤中心定位座在水平方向限定位，豎直方向由窯底滾輪承載壓力，如圖1所示。

圖1 石灰窯窯底滾輪的工況

1.2 原有轉盤驅動方位存在的問題

根據原有出灰轉盤驅動的設計方位，給出俯視平面的受力示意圖，如圖所示F代表驅動小齒輪加載在轉盤齒圈上的力，力F的方向與減速機中軸線方向垂直，驅使出灰轉盤以中心定位座為中心做圓周運動；力f代表出灰刮刀推阻物料，使物料與出灰轉盤之間產生的摩擦力。F與f之間的合力夾角為75°＋135°＝210°，此合力不相互平行，當物料灰塊結瘤受出灰刮刀阻擋，使f驟然增大或電機減速機突然啟動時使F驟然增大，都會使轉盤另一端承受較大扭力，該力易使窯底滾輪受到過載而脫出軌，俗稱“滾輪上道”，若不及時處理，驅動小齒輪與大齒圈將錯位脫出，失去嚙合。嚴重時會發生輪齒折斷、齒頂變形等事故，給生產帶來很大影響。

圖2 改造前受力部件方位圖

1.3 轉盤驅動方位改造

結合改造前的轉盤驅動方位圖，車間對現場轉盤驅動裝置的方位進行改造，具體改造措施需將窯體外部轉盤減速機基礎和窯體內部小齒輪基礎進行改造，窯底小屋平臺、內外層人門以視鏡觀察孔中心線為基準全部順時針移至改造后位置，各件之間相對位置不變。如圖4所示，改造后F與f受力夾角為45°＋135°＝180°。此合力在水平方向達到平行，同樣以中心定位座為中心實現圓周方向上力的平衡，當一端載荷驟然增大時，另一端的扭力可以迅速被同向的力所約束而抵消。可有效避免“滾輪上道”的事故發生。

圖3 改造后受力部件方位圖

2 滾輪固定盤改造

雖然通過對轉盤驅動方位進行了改造，使“滾輪上道”的事故隱患大大降低了，但并不能完全根除滾輪啃軌的問題。

2.1 滾輪的運行原理及故障分析

窯底滾輪是由滾輪壓蓋固定在滾輪固定盤上，滾輪固定盤無任何約束，無任何驅動力，被動承載螺錐出灰轉盤的壓力及摩擦力，摩擦力驅使滾輪沿著上下軌道邊緣在圓周方向上轉動，基本結構類似于壓力軸承。但是滾輪僅僅依靠滾輪邊緣的凸臺與上下軌道的外沿接觸，起到摩擦限位的作用，因此滾輪與上下軌道之間的低速重載滑動摩擦使滾輪啃軌的問題越來越嚴重。受窯底環境限制，此問題無法通過潤滑解決，當石灰窯未到大修周期，就要被迫停窯拆除更換。

經過技術分析、診斷，發現各窯的軌道磨損方位相同，根據現有部件結構，增加滾輪限位導向裝置——轉盤擋輥，擋輥安裝在滾輪固定盤上，隨滾輪一同轉動時預先接觸下軌道外沿，推阻固定盤移位的現象，并防止滾輪限位凸臺與軌道相接觸，并使其由滑動接觸改為滾動接觸，從而杜絕了滾輪磨損，也杜絕了滾輪“啃軌”的問題。

2.2 限位導向結構設計應用

考慮到現場的復雜環境，為了避免新增部件因尺寸偏差而延誤檢修，給生產造成不良影響的后果，因此筆者采用Solidworks3D模型建造軟件設計，ANSYS有限單元分析載荷進行輔助優化。

Solidworks圖形設計軟件進行模型的構造仿真，該軟件應用環境是 Windows界面，操作簡單方便。靈活的草圖繪制和檢查功能很容易清楚自己的操作狀態；繪圖中的動態反饋和推理功能可以自動添加幾何約束；強大的特征建立能力和零件與裝配的控制功能可以仿真現有機加工的生產能力和零部件裝配的可靠性；三維模型可自動產生靈活多樣的工程圖，包括視圖、尺寸、標注等；eDrawings文件可以非常方便地交流設計思想，提供了自由、開放、功能完整的設計平臺。

2.2.1 構建模型

首先構造滾輪固定盤及相關零部件的總成圖，而后建造相鄰零件軌道及軌道基礎座，參照現場環境，固定盤壓附在軌道上，使之產生接觸干涉關系。如圖所示：圖中淺色結構件為滾輪固定盤部件總成，深色結構件為軌道擋輥部件總成。

由于預將擋輥安裝在滾輪固定盤上，所以利用現有總成圖中固定盤與軌道零部件之間的非干涉空間，測量擋輥與軌道之間的安裝距離，得出實際尺寸后，方可建造擋輥部件圖。

圖4 滾輪固定盤及相關零部件

2.2.2 零件載荷、約束分析

為了使現有設計的擋輥強度能夠滿足現場要求，筆者將在下面對擋輥關鍵零件進行有限元分析處理。根據力的傳導和相互性原理，判斷零部件的受力集中和約束都應集中在結構較復雜的擋輥基礎支架上。設定該件為易損件，進行零件載荷、約束分析。首先選取該零件的材質為鑄造碳鋼；其次確定應力集中范圍應是圖5中的四個固定螺栓孔周圍，假設給擋輥施加40 000N的力，那么每片區域將添加20 000N的力。

同時給該零件添加約束，因為該件固定在滾輪轉盤固定盤上，固定面為零件上面的四個螺栓孔附近，所以在螺栓孔附近施加約束，如圖5所示。

圖5 擋輥基礎支架受力分析（1）

當零件添加了鋼材楊氏模量、受力與約束的三個必要條件后，即可應用有限元程序進行載荷分析計算。為了更直觀的表述應力集中，筆者將零件正面配圖。由ANSYS分析出的云圖顯示計算結果，支架的受力值區間范圍3.79×104～1.74×108Pa，最大極限應力為1.74×108Pa，零件本身屈服應力2.4×108Pa，根據材料的非線性定義，輸出極限應力小于屈服應力即滿足設計強度要求。如圖6所示。

圖6 擋輥基礎支架受力分析（2）

同時零件受力必將會產生一定彈性變形，其位移值區間范圍為0～0.7mm。由ANSYS分析，云圖紅色區域為變形量最大區域。變形量對部件本身及周圍設備無干涉，因此位移值也滿足設計要求。如圖7所示。

圖7 擋輥基礎支架受力分析（3）

2.2.3 安裝調試經驗

按照三維設計圖形生成工程圖，交付廠家生產制作，返回的擋輥經過校驗，確認尺寸無誤后開始組裝試運行。

1）安裝方法

首先，因新安裝的擋輥支架與滾輪壓板的加強筋沖突，所以需將滾輪固定壓板的加強筋通過機加工銑掉，也可直接使用不帶加強筋的新壓板。其次，固定盤上的四個約束螺栓孔不在一個平面上，所裝擋輥支架的約束螺栓孔也并非在一個平面上，而相對的配合孔無法經過配鉆，有可能會產生加工誤差，導致裝配零件不符，所以在支架螺栓孔徑設計時應預留余量，且水平方向盡量開長孔。再次，新擋輥的安裝可根據現場實際條件，可以接一跳一安裝，也可以全部安裝。

2）試車調試

當滾輪轉盤偏離中心位置較多時，則加裝的新擋輥在轉盤轉動第一圈時會承受較大向心推力，這個推力主要是由轉盤轉動時擋輥與軌道間的壓力，即如上所述的“40 000N”為設計值。偏移量越多，阻力越大，那么壓力也就越大，當超出設計載荷范圍時，擋輥就會發生“過載”，產生屈服變形。為了避免“過載”，筆者建議新安裝的擋輥在與軌道接觸負載后，轉盤開反轉，再正傳，如此遞進反復運行，可有效控制新擋輥“過載”的現象發生。

試車時如何判斷擋輥過載，根據上面設計的云圖判斷，顯示密集陰影區域的地方及變形位移量最大的地方，可在該處增加百分表測量型變量。當表頭有所顯示，或顯示數值超出0.7mm時，該件可能會發生屈服變形。

［1］ 中華人民共和國化學工業部.設備維護檢修規程［S］.北京：化學工業出版社，1992

［2］ 北京有色冶金設計研究院.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，1993