磨機傳動系統齒輪參數的校核

伊英紅

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司, 遼寧沈陽 110141)

磨機傳動系統齒輪參數的校核

伊英紅

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司, 遼寧沈陽 110141)

傳動系統作為磨機的重要部分，對磨機高效平穩的運轉起著決定性作用，所以對大型磨機傳動系統的設計研究是磨機設計的工作重點，對齒輪參數的研究與確定更是重中之重。本文應用傳統計算方法與有限元分析法對磨機傳動系統齒輪的彎曲強度和接觸強度進行校核，驗證了所選齒輪參數的合理性。

齒輪；接觸應力；彎曲應力

0 引言

磨機是將固體物料細化制粉的重要設備,廣泛應用于冶金、礦山、水泥、化工等行業；尤其在冶金、礦山的選礦部門, 磨礦作業占有十分重要的地位。近年來隨著冶金、礦山企業規模的擴大，常規型號的設備已不能滿足用戶大規模的生產需求，大型化已經成為磨機設計制造的主要發展方向。傳動系統作為磨機的重要部分，對磨機高效平穩的運轉起著決定性作用，所以對大型磨機傳動系統的設計是磨機設計的工作重點，對齒輪參數的設定與校核更是必不可少。

1 項目簡介

中國有色(沈陽)冶金機械有限公司為清鎮煤電鋁一體化項目設計的MQY5295溢流型球磨機，按照設備使用的環境和工礦條件，磨機選用TDMK(TM)系列礦山磨機用大型交流三相同步電動機，型號為 TM4300- 30,額定功率4 300 kW，同步轉速：200 r/min；磨機工作轉速：14.2 r/min，磨機傳動系統傳動比14.08。

2 齒輪的設計

2.1 初選大小齒輪基本參數

依據公司的傳統設計經驗和實際應用情況，小齒輪材料選用20CrNi2Mo，整體調質處理，齒面滲碳淬火處理，齒面硬度HRC 57～61；大齒輪材料選用ZG42CrMo，調質處理，齒面硬度≥250 HB。考慮到斜齒輪傳遞可增加嚙合齒數量，使設備運行更加平穩，結合設備加工條件，選定螺旋角β=5.25°，壓力角αn=25°，中心距a=4 000 mm，齒輪模數mn=30 mm，小齒輪齒數取Z1=19 ，大齒輪齒數Z2=268；選擇齒輪精度為8級。

2.2 許用接觸應力計算

按使用5年計算應力循環次數N：

接觸強度計算的壽命系數ZN，在允許一定的點蝕的情況下查得：ZN1=1.07，ZN2=1.24；

接觸強度計算的尺寸系數ZX：考慮接觸疲勞中的尺寸效應與模數有關，取ZX1=ZX2=1.0；

接觸強度計算的最小安全系數SHmin：取SHmin=1.0；

潤滑油膜影響系數ZLVR： 精加工齒輪取ZLVR=0.92；

齒面接觸疲勞極限σHlim：查得σHlim 1=1 500 N/mm2，σHlim 2=620 N/mm2；

許用接觸應力：

因[σH]2<<[σH]1，取[σH]=[σH]2=799.24 N/mm2。

2.3 驗算齒面接觸疲勞強度

根據設備工況條件，原動機為電機，重型球磨機嚴重沖擊條件，選取使用系數KA=1.75；

考慮齒輪在兩軸承間對稱布置，得螺旋線載荷分布系數Kβ=1.11；

考慮齒輪為表面硬化的斜齒輪，Ⅱ組精度等級為8，選取齒間載荷分配系數Kα=1.4；

載荷系數：K=KAKvKβKα=1.75×1.08×1.11×1.4=2.937；

端面壓力角αt=arctan(tanαn/cosβ)=arctan(tan 25°/cos 5.25°)=25.092 4°

齒輪基圓直徑

db1=d1cosαt=572.401×cos 25.0924°=
518.381 mm
db2=d2cosαt=8 073.870×cos 25.0924°=
7 311.899 mm

端面齒頂壓力角

計算端面重合度εα、縱向重合度εβ

接觸強度計算的重合度系數：

基圓螺旋角：

βb=arctan(tanβcosαt)=
arctan(tan 5.25°cos 25.0924°)=4.7569°

節點區域系數：

齒面接觸應力：

2.4 驗算齒根彎曲疲勞強度

查得載荷作用于齒頂時的齒廓系數：YFa1=2.43，YFa2=1.8；

查得載荷作用于齒頂時的應力修正系數：Ysa1=1.64，Ysa2=2.04；

查得齒根彎曲疲勞極限：σFlim1=465 N/mm2,σFlim 2=250 N/mm2；

查得彎曲強度計算的壽命系數：YN1=0.91，YN2=0.95；

彎曲強度計算的尺寸系數：YX1=0.8，YX2=0.85；

取試驗齒輪的應力修正系數：YST=2；

取彎曲疲勞強度的最小安全系數：SFmin=1.4；

計算許用彎曲應力：

斜齒輪齒根彎曲強度計算的螺旋角系數Yβ和重合度系數Yε：εβ<1，β<30°， 計算得

計算齒根彎曲應力：

3 傳動系統有限元分析

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1所示。

圖1 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，說明大齒輪有足夠的承載能力，大齒輪設計安全可靠。

在工況條件下，按理論公式計算的扭矩值提取齒輪軸的彎曲應力、剪切應力，如圖2、圖3所示。

圖2 齒輪軸彎曲應力有限元分析云圖

圖3 齒輪軸剪切應力有限元分析云圖

由分析結果可知，齒輪軸的齒根彎曲應力最大值為54.349 N/mm2，說明齒輪軸有足夠的承載能力；齒輪軸的剪切應力最大值為44.346 N/mm2。

4 結論

大齒輪、齒輪軸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。本文對MQY5295溢流型球磨機大齒輪、齒輪軸進行了理論計算，又利用有限元進行全面分析，得出該磨機大齒輪和齒輪軸應力和變形等分布規律，與理論計算相吻合，進一步驗證設計參數及結構的合理性，從而保證磨機運轉的可靠性。

[1] 孫志禮，冷興聚. 機械設計[M]. 沈陽：東北大學出版社，2000.

[2] 成大先. 機械設計手冊(第五版)第3卷[M]. 北京：化學工業出版社，2010.

Check of Gear Parameters in Mill Transmission System

YI Ying-hong

As an important part of the mill, transmission system plays a decisive role in smooth and efficient operation of the mill. Therefore, the design and research of transmission system of the large-scale mill is an emphasis in mill design. The determination and study of the parameters of the gear is a top priority. The traditional calculation method and finite element analysis are used to check bending strength and contact strength of gear of mill transmission system and verify the reasonableness of gear parameters in this paper.

gear；contact stress；bending stress

2015-01-26

伊英紅(1978-)，女，遼寧沈陽人，工程師，大學本科，主要從事冶金設備設計及開發工作，現任中國有色(沈陽)冶金機械有限公司設計員。

TD453

B

1003-8884(2015)02-0023-03