任素波　白明华

(燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心)



新型圆筒混合机的结构特点浅析

任素波白明华

(燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心)

通过分析现有圆筒混合机的结构特点与不足，提出了一种新型混合机结构，橡胶轮胎仅作为支撑结构，筒体由液压马达或电机驱动，传动形式采用特殊设计的两点啮合销齿传动，与传统混合机相对比，详细分析了该结构的主要特点，表明新型圆筒混合机可实现节能减振的高效混合过程,具有较好的应用前景。

圆筒混合机销齿传动橡胶轮胎减振

0　引言

我国是世界第一大钢铁生产国，每年约需烧结矿10亿吨。国家“十二五”规划提出“单位GDP能耗下降目标不低于15%”的整体要求，使得冶金行业的节能减排工作首当其冲，烧结球团生产在整个钢铁工序流程中的重要地位也越发凸显。而其中混合机的混合效果直接影响到烧结矿质量的好坏，进而影响到高炉的生产效率，因此设计出性能良好的混合机是业内研究人员一直关注的课题[1-4]。当前，烧结球团技术进步正处于突破“瓶颈”的关键时期，减少燃料消耗、降低生产成本等问题成为摆在各大钢铁企业面前的首要任务[5-6]。

目前国内烧结厂普遍采用的是由电机减速机驱动、金属托辊支撑的渐开线齿轮传动的单点啮合的圆筒混合机。这种设备在正常运行时处于带物料偏心旋转状态，使得设备和厂房振动尤为严重，多年来相关人员一直致力于如何解决混合机的振动问题，并研制了各种类型的减振型混合机，但实际效果不甚明显[7-10]。基于圆筒混合机的工艺要求和使用工况，笔者重点介绍了一种新型圆筒混合机结构，通过与现有混合设备的优缺点对比，为混合设备的节能减振提供了新途径。

1　国内混合机结构特点及优缺点

1.1 渐开线齿轮传动混合机

传统的齿轮圆筒混合机主要由筒体、传动装置、滚圈、托辊、挡轮、洒水装置、支架、保护罩、润滑系统等组成。渐开线齿轮传动的混合机结构如图1所示[11]。

这种混合机的电机1通过减速机3驱动大小齿轮9，从而使得筒体做圆周运动。有时还在主动电机的对侧安装有微动电机，这样便于混合机的检修、调试与安装。整个筒体设备由4个金属托辊支撑，为了提高支撑强度刚度，与之对应的在筒体齿圈滚圈处加厚筒壁并焊接有2段非常笨重的滚圈，两段滚圈的的重量再加上齿圈的重量已接近设备总重量的1/2。

经过生产经验表明，此类混合机在工作过程中会产生非常大的振动，这严重影响了混合机的使用寿命和混匀效果。其结构特点主要有：

1) 为了提高筒体的支撑强度刚度，在筒体上分别焊接有加强段和2段大滚圈，2段大滚圈的重量约为整个筒体的1/2，并且两段滚圈都是锻造而成，这制约了设备的制作周期和成本，随着混合机的运行，2段滚圈也将耗费巨大的电能。

(a) 混合机主视图

(b) 混合机侧视图

2) 整个混合机共由4个金属托辊支撑，这就要求4个托辊与滚圈的圆柱度精度要高，且表面金属需要很高的耐磨性，否则会导致混合机偏心旋转和不均匀磨损，产生振动。某厂Φ 3.8× 16 m混合机由于滚圈磨损产生严重的振动，仅拆除维修就花费近百万元之多。

3) 由于采用金属托辊支撑，托辊与筒体均由2种硬质材料构成，其接触面之间为刚性接触，不具备减振作用，由此筒体和其内物料的旋转运动所带来的冲击振动必将导致金属托辊的工况恶化。

4) 混合机采用渐开线齿轮传动，大齿轮是模数很大的渐开线圆柱正齿轮。其突发性全齿宽的接触与脱离的啮合性质，将造成齿间冲击而产生振动，其振动随着2个齿轮啮合侧间隙的增大而增大，并且大齿圈分度圆直径很大，这给加工制造及运输增加一定困难。

5) 由于筒体内物料的偏心落料导致混合机主动侧与被动侧受力相差近1倍，且在径向上采用对称托辊支撑，这种支撑方式导致了重载一侧的托辊点蚀严重而损坏。

1.2橡胶轮胎摩擦传动混合机

轮胎传动的混合机结构如下图2所示，该型混合机主要由传动装置、主动轮胎组、被动轮胎组、进料设备、排料设备、筒体和洒水装置等构成[12]。

图2　橡胶轮胎摩擦传动的混合机结构简图

由图2可以看出，轮胎组既是支撑的受力构件，又是启动装置。在启动过程中，因筒体料重约100多吨，这将必然使轮胎组与滚圈间传动打滑，产生磨损。支撑方式采用对称布置，由于两侧受力差异较大，主动侧轮胎的磨损更加严重，致使超3 m以上的混合机很少有应用橡胶轮胎传动的形式，所以在大型混合机中的振动就更加严重。

文献[13]指出国内的橡胶材料不能满足摩擦要求，主要是由于国内橡胶材料不能传递大扭矩，因此对于大型混合机而言，这种传动方式几乎是不可行的。但橡胶材料可承载较大压力，因此可以用做支撑体。这是本文重点提出的由轮胎非对称支撑、筒体主动的混合机新结构，轮胎组仅起支撑传动作用，由销齿传动驱动筒体，该设计可以实现绿色节能生产，同时明显改善筒体的振动情况。

2　新型圆筒混合机的结构分析

新型圆筒混合机的概念，是在针对现行混合机使用中存在的问题，逐条分析其产生原因并寻求解决方案的条件下提出的，因此能够较好地解决以上述及的种种不足。

该混合机的结构如图3所示。主要设备由机架、轴承座、轮胎组、液压马达或电机组、小齿轮、销轮和筒体等构成。销轮的固定采用焊接结构，直接焊接在混合机的筒体上，可以根据设备大小灵活调整，可采用单排或双排销齿传动。筒体由4个液压马达两点啮合的方式驱动，即在主动侧和被动侧分别安置2个液压马达，液压马达通过小齿轮驱动筒体上的销轮，从而使筒体回转。中间取消了联轴器，减速器等环节，从而降低了设备的故障率，其中根据用户要求可选配电机减速机的传动形式。

整个设备由多组轮胎支撑，轮胎采用具有高耐磨性能的实芯橡胶，具有良好的吸振效果。由于工艺要求，混合机内的物料产生偏心落料，设备在正常工况物料偏向一侧，导致两侧轮胎组受力不均，计算和仿真表明，两侧受力约差1倍，因此在轴向方向上两侧的轮胎个数必然不一样。如图3 b)所示，为了使两侧轮胎总受力差距减小，轮胎布置由传统的对称布置即 α=β，经计算改进为α≠β(具体角度根据设备规格确定)。由于采用橡胶轮胎支撑，取消了金属托辊滚圈，降低了设备重量，且橡胶轮胎相比托辊具有较强的吸振效果，从而能有效地降低设备的振动，提高整体设备的寿命。

(a) 主视图

(b) 侧视图

与一般类型混合机的传动方式不同，新型圆筒混合机采用销齿传动的方式来驱动混合机的筒体转动。销齿传动属于齿轮传动的一种特殊形式，如图4所示。其中具有圆销齿的大齿轮称之为销轮，而另一个具有一般齿轮齿形的小齿轮仍称之为齿轮。在该型混合机中，小齿轮采用本文作者设计的一种具有匀速齿形方程的匀速齿轮，而不是一般的链轮和齿轮。

图4匀速齿销齿传动结构简图

销齿传动有外啮合、内啮合和齿条啮合3种形式，这里采用的是外啮合，其齿轮的齿廓曲线依次分别为外摆线、周摆线和渐开线等。如果以销轮作为主动轮，齿轮的轮齿齿顶先进入啮合，将会降低其传动效率，故很少用，使用时一般以齿轮作为主动轮。

由于销轮的轮齿是圆销形，具有结构简单、加工容易、拆修方便的优点，故以销轮代替尺寸较大的齿轮时，将具有很大的经济性。特别是个别销齿破坏时，只需个别替换即可。销齿传动适用于低速、重载的机械传动和粉尘多、润滑条件差等工作环境较恶劣的场合中。

3　新型圆筒混合机的优点

新型圆筒混合机采用了多项新技术，其结构变动大，与传统混合机相比，具有以下特点：

1) 筒体驱动方式的调整。将常用的齿轮传动改为销齿液压马达传动，液压马达不但体积小，而且传动效率和控制精度很高，能通过液压控制系统实现筒体由零转启动，经无级调速到需要的转速，能满足混合机正常工作时不同的转速要求，又能满足混合机在安装、调试、维修时的低转速要求，而且能根据混合工艺要求实现无极调速，可获得筒体内物料的最佳混合状态。考虑到液压系统的制作成本昂贵，也可采用电机减速机传动系统方式。

2) 传动系统的结构调整。原有系统采用齿轮齿圈传动的形式，传动效率低，传动精度也不够，在设备运行过程中经常导致冲击振动，既损坏设备又降低混合效果。新型混合机采用销齿传动方式，将混合机筒体上的大齿圈改为焊接销轮，首先降低了设备重量以及加工难度，节省设备投资，另外一个显著优势是，驱动销轮运转的小齿轮，其齿形不同于常规齿轮，其齿形采用可实现销轮匀速转动的匀速齿形方程构造的齿轮。该齿形是笔者所在课题组多年研究成果之一，已成功应用于带式烧结机的传动系统当中，能够实现驱动目标高效、平稳的匀速运动，且效果良好。

3) 混合机筒体支撑方式的调整。筒体采用橡胶轮胎支撑。目前直径超过3 m的混合机采用金属托辊支撑滚圈的形式，这种方式的滚圈需铸造后在大型设备上加工，且其制造周期长，也制约了生产周期。而托辊在运行过程中又不能吸收筒体产生的振动，然而采用轮胎支撑形式则可以避免这些问题。橡胶轮胎是弹性体材料，其与筒体之间是弹性接触，因此能起到很好的减振作用，使整体设备的运行平稳。

4) 橡胶轮胎的布局形式。轮胎在筒体两侧的布置形式并不是一般所用的对称布置，而是在经过筒体运转受力分析之后确定的，考虑到筒体和物料在运转过程中的重心偏移这一特点，依据力学分析结论，在筒体周向上，采用非对称布置方式，并且由于主动、被动侧的受力大小不同，在轴向两侧的轮胎个数亦不相同，在重心偏向的一侧增加轮胎数量，从而使得筒体两侧的轮胎都能达到一致的工作状态，避免轮胎的局部磨损，最终能使轮胎的使用达到最佳效果；最后需要说明的是，与以往曾出现的轮胎传动形式不同，研制的结构中轮胎仅起一个支撑作用，不负责筒体驱动，所以轮胎只支撑和转动，不打滑且减少了磨损，延长了使用寿命。

5) 由销轮替代大齿圈。销轮主要由圆柱销构成，加工和运输费用低。而且一旦出现个别销损坏，只需更换受损柱销，避免了大齿圈损坏后必须整体换掉的问题，明显降低了设备的维护费用。

6) 由于采用了液压马达传动，不再配置主电机、液力偶合器、减速器和微动装置等部件，减少了设备组成，使整机故障率降低。

7) 传动采用两点啮合，其优点在于使传动设备小型化，两点分散驱动，受力均衡。

8) 筒体改为由橡胶轮胎支撑，不安装滚圈和齿圈，使筒体重量减轻，降低了转动能量的消耗。以某厂规格Ⅰ(Φ 3.6×13.5 m)、规格Ⅱ(Φ 3.8×16 m)的混合机为例，如采用新型结构，其节能数据见表1，由表中数据可知，混合机规格越大，其节能效果越明显。

表1　两种混合机重量和耗能的对比

4　结束语

通过分析国内现行圆筒混合机的结构特点，指出了其存在的传动效率低、振动大、混合效果差等不足之处。针对这些问题深入分析，寻找对策，提出了橡胶轮胎支撑液压马达销齿传动的新型圆筒混合机，分析了新型圆筒混合机相对于现有混合机的结构优势所在。通过对比分析可以看出，新型混合机具有节能、减振两大发展优势。

[1]王跃飞, 吴胜利, 张永忠，等. 宝钢烧结节能减排技术的回顾和探讨[J]. 烧结球团, 2014, 39(6): 54-57.

[2]王素平, 杨福, 毕学工. 烧结混合料制粒过程的数值模拟[J]. 烧结球团, 2015, 40(2): 7-10.

[3]程波, 朱旭甫, 李书磊. 齿式圆筒混合机传动系统选型探讨[J]. 冶金设备, 2014, 3: 30-33.

[4]李显明. 圆筒混合机的国内外概况及新技术的采用[J]. 烧结球团, 1980, 6: 63-66.

[5]周文涛, 胡俊鸽, 郭艳玲. 国外烧结球团突破性技术研究进展[J]. 烧结球团, 2015, 40(2): 1-6.

[6]谢炳馨, 张洪波, 张福顺. Ф3000 mm×12000 mm圆筒混合机溜槽改造[J]. 河南冶金, 2010, 18(02): 44-45.

[7]伏庆旦. 圆筒混合机振动和粘漏料问题及解决方法[J]. 烧结球团, 1995, 20 (5): 25-29.

[8]黄苏. 新型圆筒混合机设计的探讨[J]. 烧结球团, 1997, 22 (2): 50-56.

[9]程波, 朱旭甫, 李书磊. 齿式圆筒混合机传动系统选型探讨[J]. 冶金设备, 2014, 3: 30-33.

[10]M. Olivi, A. Santomaso, P. Canu. Mechanisms of mixing of granular materials in drum mixers under rolling regime[J], Chemical engineering science, 2004, 16: 3269-3280

[11]张超. 当代混合机的结构原理及发展趋势[J]. 矿山机械, 2010, 38 (16): 12-15.

[12]汪用澎, 张信. 大型烧结设备[M]. 北京: 机械工业出版社, 1997: 11-195.

[13]李文伟. 充气胶轮摩擦传动圆筒混合机设计中的若干问题[J]. 烧结球团, 1992, 6: 18-20.

STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF NEW DRUM MIXER WITH ENERGY-SAVING AND VIBRATION-REDUCTION

Ren SuboBai Minghua

(National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling, Yan Shan University)

By analyzing the structural characteristics and the deficiency on existing drum mixer, a new drum mixer was proposed, it uses rubber tires by way of support structure, the hydraulic motor/motor drives the drum, and drive transmission is pin gear transmission of multi-point meshing. The main features is described in detail, compared with the traditional mixer, it has many advantages, can achieve energy saving and vibration weakening efficient mixing process, and has broad application prospects.

drum mixerpin gear driverubber tiresvibration weakening

河北省自然科学基金资助项目(E2014203261)，燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心开放课题资助(NECSR-201309)

联系人：任素波，博士，副教授，河北.秦皇岛(066004)，燕山大学机械工程学院；2016-1-5