李 英， 杨占凯， 栾志华

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司 设计研究院，辽宁 沈阳 110141)

回转窑双驱齿轮轴的研究与设计

李 英， 杨占凯， 栾志华

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司 设计研究院，辽宁 沈阳 110141)

本文介绍了回转窑齿轮装置的结构及工作原理，对双驱动齿轮轴进行了详细的受力分析，并进行了设计计算，以降低成本，为企业创效益。

回转窑； 齿轮轴； 小齿轮； 双驱动； 弯矩

0 前言

中国有色(沈阳)冶金机械有限公司承制的Φ5.5 m×115 m大型回转焙烧窑，是用于缅甸红土镍矿还原焙烧熔炼粗镍铁，是整个系统的关键设备。其结构特点是形大而体重，给设计带来了难度，既要保证设备的正常运转，又要保证整体布局及低成本，因此采取双驱动系统。正常运转时两个电机分别驱动小齿轮同时与一个大齿轮啮合带动筒体运转[1]。

本文主要是对双驱动齿轮轴进行受力分析和设计校核，在保证强度的前提下，采用合理结构，尽可能降低成本，提高生产效率。

1 齿轮装置结构

小齿轮装置主要是由小齿轮、齿轮轴、轴承、轴承座、闷盖和通盖等组成(见图1)。电机、减速机通过联轴器与小齿轮连接，驱动小齿轮带动大齿轮转动，完成回转窑的运转。

2 齿轮轴的设计

2.1 结构参数

电机功率P=400 kW

电机转速n1=750 r/min

电机效率η1=0.952

减速机效率η2=0.955

减速机速比i=63.323

联轴器效率η3=0.99

小齿轮分度圆直径d=720 mm

小齿轮宽度与大齿轮宽度一致B=570 mm

啮合角度α=25°

齿轮轴总长L=2350 mm

齿轮轴悬臂长c=850 mm

小齿轮处轴径d1=440 mm

轴承处轴径d2=400 mm

联轴器处轴径d3=380 mm

小齿轮重量G齿=17150 N

齿轮轴重量G轴=25970 N

联轴器重量F=38220 N

许用弯曲应力 [σ]=70 MPa

许用扭转剪切应力 [τ]=40 MPa

1.齿轮轴 2.轴承 3.小齿轮图1 齿轮装置结构简图

2.2 受力分析

该回转焙烧窑由于形大而体重，采用双边驱动，大齿轮受两个小齿轮同时驱动，为便于分析，将齿轮轴所受到的齿轮啮合力分解为水平方向和竖直方向的力，齿轮轴在齿轮啮合处的受力分析见图2。

图2 齿轮轴受力分析图

小齿轮为主动轮，带动大齿轮逆时针运转，大齿轮给小齿轮的反作用力与小齿轮旋转方向相反，左边小齿轮的法向载荷Fn斜向上方，抵消部分小齿轮和齿轮轴的重力，而右边小齿轮所受到的法向载荷Fn斜向下方，在齿轮轴受到竖直向下的小齿轮重力和齿轮轴本身重力的作用下，将增大齿轮轴的载荷，因此对右边小齿轮进行受力分析及计算[2]。

将法向力载荷分解为水平方向力Fx和竖直方向力Fy。

则Fx=Fncos69.57°=310541 N，Fy=Fnsin69.57°=833683.2 N。

由于采用的是分瓣大齿轮，要求沿齿宽方向接触不少于75%，因此齿轮接触长度e=0.75 B=375 mm。

竖直方向的支座反力为：Ry2=475699 N。

Ry1=0.55G联+G齿+Fy+G轴-Ry2=420214.4 N。

齿轮轴有一个键槽，实际截面直径为d0=(1-0.03)d1=426.8 mm。

2.2.1齿轮轴水平受力分析

齿轮轴水平方向受力为小齿轮受到的法向载荷Fn斜向下方的水平分力。水平弯矩图见图3。

齿轮轴水平力弯矩方程[3]：

可以求得其最大弯矩在齿轮中心处，即x=750 mm时有最大弯矩Mxmax=101870773 N·mm。

2.2.2齿轮竖直受力分析

齿轮轴竖直方向受力为小齿轮受到的法向载荷Fn斜向下方的竖直分力和小齿轮重力、齿轮轴本身重力的合力。竖直力弯矩图见图3。

齿轮轴竖直力弯矩方程：

可以求得最大弯矩在x=744 mm处，即Mymax=271794675.8 N·mm 。

2.2.3齿轮轴应力分析

由图3可以得到齿轮轴的合成弯矩，即此轴在x=744 mm时受到最大弯矩为：

公式中a为校正系数，扭应力按照脉动循环变化取a=0.7，满足强度要求。

齿轮轴最小直径处有2个相隔180°键槽，实际参与计算直径dfmin=(1-0.07)dmin=353.4 mm。

图3 水平弯矩和竖直力弯矩图

由此可以看出，此轴的设计满足强度要求，且富裕度很小，即成本最低。

3 结论

通过实例计算给出了双驱动齿轮轴的设计方法及设计步骤，采用多次计算对比，以最低的成本换取最大的经济效益，为双驱动齿轮轴的设计提供理论依据及借鉴。

[1] 回转窑编写组.回转窑(设计、使用与维修)[M].北京：冶金工业出版社，1977.

[2] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3] 《有色金属冶炼设备》编委会.有色金属冶炼设备[M].北京：冶金工业出版社，1994.

ResearchandDesignoftheGearShaftDualDriveofRotaryKiln

LI Ying，YANG Zhan-kai，LUAN Zhi-hua
(Design and Research Institute, NFC (Shenyang) Metallurgy Machinery Co., Ltd. Shenyang 110141, China)

This paper introduces structure and working principle of gear unit in rotary kiln, takes detailed stress analysis of double driving gear shaft, makes design and calculation, reduces the cost, and increases efficiency.

rotary kiln； gear shaft； pinion； dual drive； moment

2014-03-26

李 英(1968-)，女，辽宁沈阳人，高级工程师，工程硕士，主要从事冶金、化工等设备设计研发，现任中国有色(沈阳)冶金机械有限公司设计研究院主任工程师。

栾志华(1971-)，女，辽宁铁岭人，高级工程师，工程硕士，主要从事冶矿产品市场研发及技术开发，重点研究镍铁冶炼工艺流程及设备，现任中国有色(沈阳)冶金机械有限公司经营部部长。

TQ021

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1003-8884(2014)04-0019-03