大型磨機齒輪參數的研究與確定

楊占凱

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

0 引言

磨機是將固體物料細化制粉的重要設備, 是冶金、礦山、水泥、化工、陶瓷、建筑、電力、醫藥以及國防工業等部門廣泛使用的一種粉磨設備，目前國內市場磨機的需求量很大。主要體現在兩個方面，首先，伴隨著科技的發展，新技術的應用，磨機服務的領域不斷擴大，新行業、新領域對磨機有著很大的需求；其次，我國是礦產資源豐富的國家，各類礦石的采選都需要物料細化制粉過程，磨機在各種規模的廠礦廣泛應用。按照國家節能減排的要求，各廠礦企業對現有的設備進行升級改造，進一步加大了磨機的需求。在擁有廣泛市場的同時，市場對磨機的需求也有了新的變化。首先是節能環保的要求，冶金礦山企業不僅消耗大量電能，同時消耗大量鋼材，并且廢鋼、廢鐵、廢棄物等持續增加，需要一種新的工藝和設備，解決廢棄物的處理問題，達到節能環保，持續發展的作用。其次為設備大型化的要求，隨著國家對環境與能源問題的重視，對中、小冶金礦山企業進行限制，各企業紛紛擴建、新建項目對設備的要求也趨向大型化。

中國有色(沈陽)冶金機械有限公司是國內較大的冶金、礦山設備制造企業之一，所生產的磨機服務于礦山、化工、冶金、水泥等行業，目前已具備與知名企業競爭的能力。公司磨機的設計與研發工作也向著節能、環保、大型化方向進行。電機、減速、小齒輪及大齒輪等組成的驅動部分是磨機的重要裝置，對磨機設備的高效、平穩、安全的運行起到重要作用，因此對驅動部分系統的設計和研究是磨機設計工作的重點，也是難點，并且對齒輪的研究更是重中之重。

1 項目概況

1.1 項目背景

近年來在頻頻出現煤慌、電慌和全國煤炭交易會上的“煤電頂牛”現象后，我國政府從優化能源格局的高度和煤電運協調的角度，對煤電一體化給予了高度重視。我國還是一個煤炭大國，蘊藏十分豐富，儲量種類齊全，應用的前景也很廣闊。但是，目前來看煤炭運輸到發電廠，進行發電容易造成環境和運輸的壓力，也影響利用效率。國內有些企業采用煤、電、鋁聯營的結構，直接坑口發電，發電后直接進入鋁廠進行鋁電解，氧化鋁粉經過電解得到鋁錠，銷售成品鋁錠或進行鋁業的深加工，該方法取得了一定的效果，在國內有實力的大企業開始研究煤、電、鋁及深加工的一體化戰略，這也將是企業長足發展的趨勢。

1.2 項目來源

中國鋁業股份有限公司作為國內大型電解鋁類生產企業之一，在煤電鋁一體化戰略的實施中也不斷探索與前進。中國鋁業股份有限公司作為耗電大戶的制造商，因需要電廠提供大量的電能，在一體化戰略中自然采用后向一體化模式。后向一體化指獲得供貨方的所有權或加強對它們的控制，對于電解鋁行業后向一體化模式就是指鋁業公司辦自備電廠或者參股或控股電廠。

中國鋁業股份有限公司在貴州建設的清鎮煤電鋁一體化項目，我公司負責氧化鋁項目中MQY5295溢流型球磨機的設計制造工作。該項目如能按期投產，該規格磨機將成為氧化鋁行業中應用的最大規格磨機，同時也是我公司設計制造的最大規格磨機。按照設備使用的環境條件和工礦條件，磨機選用TDMK(TM)系列礦山磨機用大型交流三相同步電動機。型號：TM4300- 30(節能型),額定功率：P0=43 00 kW，同步轉速：n0=200 r/min ，磨機工作轉速：n=14.2 r/min ，磨機傳動系統傳動比i=14.08。

2 齒輪的設計計算

2.1 材料的選擇

2.2 按齒面接觸強度確定中心距

2.3 驗算齒面接觸疲勞強度

2.4 驗算齒根彎曲疲勞強度

結論：通過計算和驗算齒根彎曲應力，結果顯示設計值小于許用值，設計正確滿足使用要求。

3 傳動系統有限元分析

3.1 有限元分析與ANSYS簡介

在本次設計中，通過有限元對理論計算結果進行驗證，對大齒輪進行了有限元分析，檢查齒輪齒根受載較大的地方，校核承載能力。

3.2 大齒輪的ANSYS分析

3.2.1 ANSYS建模

由于在ANSYS中直接建立齒輪輪齒漸開線方程比較困難，所以筆者選擇使用三維造型軟件Pro/E建立出齒輪的三維模型，將模型導入ANSYS。考慮結構復雜、約束過多對ANSYS分析的網格劃分以及運算情況會有很大影響，建立模型時取消了不必要的倒角、圓角，使模型更加簡化合理。通過接口，可以把在Pro/E建立好的大齒輪三維模型直接導入ANSYS中，對其選擇劃分網格。劃分網格后的結果如圖1所示。

圖1 大齒輪有限元分析網格劃分

3.2.2 邊界條件

正常運行工況下，外加載荷是通過電機軸進行輸出扭矩，負載是筒體、物料、端蓋及把和的大齒輪，大齒輪和小齒輪之間通過齒輪嚙合產生作用和反作用力矩或稱為轉矩，小齒輪在兩個軸承座支撐的齒輪軸之間，并在軸承與軸承座之間施加徑向和軸向的約束。

3.2.3 分析結果

在工況條件下，按理論公式計算的扭矩值提取大齒輪的彎曲應力，如圖2所示。

圖2 大齒輪彎曲應力有限元分析云圖

由分析結果可知，大齒輪的齒根彎曲應力最大值為48.192 N/mm2，與理論計算值接近，說明大齒輪有足夠的承載能力，大齒輪設計安全可靠，通過有限元也驗證了理論計算的正確性。

4 結論與展望

通過計算對磨機的大齒輪進行受力分析和強度校核，并利用限元對大齒輪進行系統分析，得出以下結論：MQY5295溢流型球磨機傳動系統大齒輪參數見表1，大齒輪結構如圖3所示。

表1 大齒輪參數表

圖3 大齒輪結構圖

通過有限元系統分析，得出該磨機大齒輪應力和變形等分布規律，與理論計算的危險剖面相吻合，進一步驗證設計參數及結構的合理性。這種應力和變形的分布規律，對相同結構磨機的設計有同樣的指導意義。

大齒輪是磨機傳動系統的重要組成部分，其強度和壽命直接影響到磨機運轉的平穩性、可靠性。本文在對MQY5295溢流型球磨機大齒輪進行了理論計算，又利用有限元進行全面分析，理論上保證了產品的性能，從而保證磨機運轉的可靠性。雖然設備運行的情況要待用戶投產后進行驗證，但這種理論計算與有限元分析相結合的方法在大磨機的設計研發工作中應用，對公司的新產品研發有指導性意義。