任素波　白明華

(燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心)

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新型圓筒混合機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)淺析

任素波白明華

(燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心)

通過(guò)分析現(xiàn)有圓筒混合機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與不足，提出了一種新型混合機(jī)結(jié)構(gòu)，橡膠輪胎僅作為支撐結(jié)構(gòu)，筒體由液壓馬達(dá)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)形式采用特殊設(shè)計(jì)的兩點(diǎn)嚙合銷(xiāo)齒傳動(dòng)，與傳統(tǒng)混合機(jī)相對(duì)比，詳細(xì)分析了該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，表明新型圓筒混合機(jī)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減振的高效混合過(guò)程,具有較好的應(yīng)用前景。

圓筒混合機(jī)銷(xiāo)齒傳動(dòng)橡膠輪胎減振

0　引言

我國(guó)是世界第一大鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，每年約需燒結(jié)礦10億噸。國(guó)家“十二五”規(guī)劃提出“單位GDP能耗下降目標(biāo)不低于15%”的整體要求，使得冶金行業(yè)的節(jié)能減排工作首當(dāng)其沖，燒結(jié)球團(tuán)生產(chǎn)在整個(gè)鋼鐵工序流程中的重要地位也越發(fā)凸顯。而其中混合機(jī)的混合效果直接影響到燒結(jié)礦質(zhì)量的好壞，進(jìn)而影響到高爐的生產(chǎn)效率，因此設(shè)計(jì)出性能良好的混合機(jī)是業(yè)內(nèi)研究人員一直關(guān)注的課題[1-4]。當(dāng)前，燒結(jié)球團(tuán)技術(shù)進(jìn)步正處于突破“瓶頸”的關(guān)鍵時(shí)期，減少燃料消耗、降低生產(chǎn)成本等問(wèn)題成為擺在各大鋼鐵企業(yè)面前的首要任務(wù)[5-6]。

目前國(guó)內(nèi)燒結(jié)廠普遍采用的是由電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)、金屬托輥支撐的漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)的單點(diǎn)嚙合的圓筒混合機(jī)。這種設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)處于帶物料偏心旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，使得設(shè)備和廠房振動(dòng)尤為嚴(yán)重，多年來(lái)相關(guān)人員一直致力于如何解決混合機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，并研制了各種類(lèi)型的減振型混合機(jī)，但實(shí)際效果不甚明顯[7-10]?；趫A筒混合機(jī)的工藝要求和使用工況，筆者重點(diǎn)介紹了一種新型圓筒混合機(jī)結(jié)構(gòu)，通過(guò)與現(xiàn)有混合設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，為混合設(shè)備的節(jié)能減振提供了新途徑。

1　國(guó)內(nèi)混合機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)混合機(jī)

傳統(tǒng)的齒輪圓筒混合機(jī)主要由筒體、傳動(dòng)裝置、滾圈、托輥、擋輪、灑水裝置、支架、保護(hù)罩、潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成。漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)的混合機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示[11]。

這種混合機(jī)的電機(jī)1通過(guò)減速機(jī)3驅(qū)動(dòng)大小齒輪9，從而使得筒體做圓周運(yùn)動(dòng)。有時(shí)還在主動(dòng)電機(jī)的對(duì)側(cè)安裝有微動(dòng)電機(jī)，這樣便于混合機(jī)的檢修、調(diào)試與安裝。整個(gè)筒體設(shè)備由4個(gè)金屬托輥支撐，為了提高支撐強(qiáng)度剛度，與之對(duì)應(yīng)的在筒體齒圈滾圈處加厚筒壁并焊接有2段非常笨重的滾圈，兩段滾圈的的重量再加上齒圈的重量已接近設(shè)備總重量的1/2。

經(jīng)過(guò)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，此類(lèi)混合機(jī)在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非常大的振動(dòng)，這嚴(yán)重影響了混合機(jī)的使用壽命和混勻效果。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要有：

1) 為了提高筒體的支撐強(qiáng)度剛度，在筒體上分別焊接有加強(qiáng)段和2段大滾圈，2段大滾圈的重量約為整個(gè)筒體的1/2，并且兩段滾圈都是鍛造而成，這制約了設(shè)備的制作周期和成本，隨著混合機(jī)的運(yùn)行，2段滾圈也將耗費(fèi)巨大的電能。

(a) 混合機(jī)主視圖

(b) 混合機(jī)側(cè)視圖

2) 整個(gè)混合機(jī)共由4個(gè)金屬托輥支撐，這就要求4個(gè)托輥與滾圈的圓柱度精度要高，且表面金屬需要很高的耐磨性，否則會(huì)導(dǎo)致混合機(jī)偏心旋轉(zhuǎn)和不均勻磨損，產(chǎn)生振動(dòng)。某廠Φ 3.8× 16 m混合機(jī)由于滾圈磨損產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)，僅拆除維修就花費(fèi)近百萬(wàn)元之多。

3) 由于采用金屬托輥支撐，托輥與筒體均由2種硬質(zhì)材料構(gòu)成，其接觸面之間為剛性接觸，不具備減振作用，由此筒體和其內(nèi)物料的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的沖擊振動(dòng)必將導(dǎo)致金屬托輥的工況惡化。

4) 混合機(jī)采用漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)，大齒輪是模數(shù)很大的漸開(kāi)線圓柱正齒輪。其突發(fā)性全齒寬的接觸與脫離的嚙合性質(zhì)，將造成齒間沖擊而產(chǎn)生振動(dòng)，其振動(dòng)隨著2個(gè)齒輪嚙合側(cè)間隙的增大而增大，并且大齒圈分度圓直徑很大，這給加工制造及運(yùn)輸增加一定困難。

5) 由于筒體內(nèi)物料的偏心落料導(dǎo)致混合機(jī)主動(dòng)側(cè)與被動(dòng)側(cè)受力相差近1倍，且在徑向上采用對(duì)稱(chēng)托輥支撐，這種支撐方式導(dǎo)致了重載一側(cè)的托輥點(diǎn)蝕嚴(yán)重而損壞。

1.2橡膠輪胎摩擦傳動(dòng)混合機(jī)

輪胎傳動(dòng)的混合機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖2所示，該型混合機(jī)主要由傳動(dòng)裝置、主動(dòng)輪胎組、被動(dòng)輪胎組、進(jìn)料設(shè)備、排料設(shè)備、筒體和灑水裝置等構(gòu)成[12]。

圖2　橡膠輪胎摩擦傳動(dòng)的混合機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由圖2可以看出，輪胎組既是支撐的受力構(gòu)件，又是啟動(dòng)裝置。在啟動(dòng)過(guò)程中，因筒體料重約100多噸，這將必然使輪胎組與滾圈間傳動(dòng)打滑，產(chǎn)生磨損。支撐方式采用對(duì)稱(chēng)布置，由于兩側(cè)受力差異較大，主動(dòng)側(cè)輪胎的磨損更加嚴(yán)重，致使超3 m以上的混合機(jī)很少有應(yīng)用橡膠輪胎傳動(dòng)的形式，所以在大型混合機(jī)中的振動(dòng)就更加嚴(yán)重。

文獻(xiàn)[13]指出國(guó)內(nèi)的橡膠材料不能滿(mǎn)足摩擦要求，主要是由于國(guó)內(nèi)橡膠材料不能傳遞大扭矩，因此對(duì)于大型混合機(jī)而言，這種傳動(dòng)方式幾乎是不可行的。但橡膠材料可承載較大壓力，因此可以用做支撐體。這是本文重點(diǎn)提出的由輪胎非對(duì)稱(chēng)支撐、筒體主動(dòng)的混合機(jī)新結(jié)構(gòu)，輪胎組僅起支撐傳動(dòng)作用，由銷(xiāo)齒傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)筒體，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能生產(chǎn)，同時(shí)明顯改善筒體的振動(dòng)情況。

2　新型圓筒混合機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

新型圓筒混合機(jī)的概念，是在針對(duì)現(xiàn)行混合機(jī)使用中存在的問(wèn)題，逐條分析其產(chǎn)生原因并尋求解決方案的條件下提出的，因此能夠較好地解決以上述及的種種不足。

該混合機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要設(shè)備由機(jī)架、軸承座、輪胎組、液壓馬達(dá)或電機(jī)組、小齒輪、銷(xiāo)輪和筒體等構(gòu)成。銷(xiāo)輪的固定采用焊接結(jié)構(gòu)，直接焊接在混合機(jī)的筒體上，可以根據(jù)設(shè)備大小靈活調(diào)整，可采用單排或雙排銷(xiāo)齒傳動(dòng)。筒體由4個(gè)液壓馬達(dá)兩點(diǎn)嚙合的方式驅(qū)動(dòng)，即在主動(dòng)側(cè)和被動(dòng)側(cè)分別安置2個(gè)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)通過(guò)小齒輪驅(qū)動(dòng)筒體上的銷(xiāo)輪，從而使筒體回轉(zhuǎn)。中間取消了聯(lián)軸器，減速器等環(huán)節(jié)，從而降低了設(shè)備的故障率，其中根據(jù)用戶(hù)要求可選配電機(jī)減速機(jī)的傳動(dòng)形式。

整個(gè)設(shè)備由多組輪胎支撐，輪胎采用具有高耐磨性能的實(shí)芯橡膠，具有良好的吸振效果。由于工藝要求，混合機(jī)內(nèi)的物料產(chǎn)生偏心落料，設(shè)備在正常工況物料偏向一側(cè)，導(dǎo)致兩側(cè)輪胎組受力不均，計(jì)算和仿真表明，兩側(cè)受力約差1倍，因此在軸向方向上兩側(cè)的輪胎個(gè)數(shù)必然不一樣。如圖3 b)所示，為了使兩側(cè)輪胎總受力差距減小，輪胎布置由傳統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)布置即 α=β，經(jīng)計(jì)算改進(jìn)為α≠β(具體角度根據(jù)設(shè)備規(guī)格確定)。由于采用橡膠輪胎支撐，取消了金屬托輥滾圈，降低了設(shè)備重量，且橡膠輪胎相比托輥具有較強(qiáng)的吸振效果，從而能有效地降低設(shè)備的振動(dòng)，提高整體設(shè)備的壽命。

(a) 主視圖

(b) 側(cè)視圖

與一般類(lèi)型混合機(jī)的傳動(dòng)方式不同，新型圓筒混合機(jī)采用銷(xiāo)齒傳動(dòng)的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)混合機(jī)的筒體轉(zhuǎn)動(dòng)。銷(xiāo)齒傳動(dòng)屬于齒輪傳動(dòng)的一種特殊形式，如圖4所示。其中具有圓銷(xiāo)齒的大齒輪稱(chēng)之為銷(xiāo)輪，而另一個(gè)具有一般齒輪齒形的小齒輪仍稱(chēng)之為齒輪。在該型混合機(jī)中，小齒輪采用本文作者設(shè)計(jì)的一種具有勻速齒形方程的勻速齒輪，而不是一般的鏈輪和齒輪。

圖4勻速齒銷(xiāo)齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

銷(xiāo)齒傳動(dòng)有外嚙合、內(nèi)嚙合和齒條嚙合3種形式，這里采用的是外嚙合，其齒輪的齒廓曲線依次分別為外擺線、周擺線和漸開(kāi)線等。如果以銷(xiāo)輪作為主動(dòng)輪，齒輪的輪齒齒頂先進(jìn)入嚙合，將會(huì)降低其傳動(dòng)效率，故很少用，使用時(shí)一般以齒輪作為主動(dòng)輪。

由于銷(xiāo)輪的輪齒是圓銷(xiāo)形，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、拆修方便的優(yōu)點(diǎn)，故以銷(xiāo)輪代替尺寸較大的齒輪時(shí)，將具有很大的經(jīng)濟(jì)性。特別是個(gè)別銷(xiāo)齒破壞時(shí)，只需個(gè)別替換即可。銷(xiāo)齒傳動(dòng)適用于低速、重載的機(jī)械傳動(dòng)和粉塵多、潤(rùn)滑條件差等工作環(huán)境較惡劣的場(chǎng)合中。

3　新型圓筒混合機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

新型圓筒混合機(jī)采用了多項(xiàng)新技術(shù)，其結(jié)構(gòu)變動(dòng)大，與傳統(tǒng)混合機(jī)相比，具有以下特點(diǎn)：

1) 筒體驅(qū)動(dòng)方式的調(diào)整。將常用的齒輪傳動(dòng)改為銷(xiāo)齒液壓馬達(dá)傳動(dòng)，液壓馬達(dá)不但體積小，而且傳動(dòng)效率和控制精度很高，能通過(guò)液壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)筒體由零轉(zhuǎn)啟動(dòng)，經(jīng)無(wú)級(jí)調(diào)速到需要的轉(zhuǎn)速，能滿(mǎn)足混合機(jī)正常工作時(shí)不同的轉(zhuǎn)速要求，又能滿(mǎn)足混合機(jī)在安裝、調(diào)試、維修時(shí)的低轉(zhuǎn)速要求，而且能根據(jù)混合工藝要求實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，可獲得筒體內(nèi)物料的最佳混合狀態(tài)?？紤]到液壓系統(tǒng)的制作成本昂貴，也可采用電機(jī)減速機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)方式。

2) 傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整。原有系統(tǒng)采用齒輪齒圈傳動(dòng)的形式，傳動(dòng)效率低，傳動(dòng)精度也不夠，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常導(dǎo)致沖擊振動(dòng)，既損壞設(shè)備又降低混合效果。新型混合機(jī)采用銷(xiāo)齒傳動(dòng)方式，將混合機(jī)筒體上的大齒圈改為焊接銷(xiāo)輪，首先降低了設(shè)備重量以及加工難度，節(jié)省設(shè)備投資，另外一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是，驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的小齒輪，其齒形不同于常規(guī)齒輪，其齒形采用可實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的勻速齒形方程構(gòu)造的齒輪。該齒形是筆者所在課題組多年研究成果之一，已成功應(yīng)用于帶式燒結(jié)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)目標(biāo)高效、平穩(wěn)的勻速運(yùn)動(dòng)，且效果良好。

3) 混合機(jī)筒體支撐方式的調(diào)整。筒體采用橡膠輪胎支撐。目前直徑超過(guò)3 m的混合機(jī)采用金屬托輥支撐滾圈的形式，這種方式的滾圈需鑄造后在大型設(shè)備上加工，且其制造周期長(zhǎng)，也制約了生產(chǎn)周期。而托輥在運(yùn)行過(guò)程中又不能吸收筒體產(chǎn)生的振動(dòng)，然而采用輪胎支撐形式則可以避免這些問(wèn)題。橡膠輪胎是彈性體材料，其與筒體之間是彈性接觸，因此能起到很好的減振作用，使整體設(shè)備的運(yùn)行平穩(wěn)。

4) 橡膠輪胎的布局形式。輪胎在筒體兩側(cè)的布置形式并不是一般所用的對(duì)稱(chēng)布置，而是在經(jīng)過(guò)筒體運(yùn)轉(zhuǎn)受力分析之后確定的，考慮到筒體和物料在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的重心偏移這一特點(diǎn)，依據(jù)力學(xué)分析結(jié)論，在筒體周向上，采用非對(duì)稱(chēng)布置方式，并且由于主動(dòng)、被動(dòng)側(cè)的受力大小不同，在軸向兩側(cè)的輪胎個(gè)數(shù)亦不相同，在重心偏向的一側(cè)增加輪胎數(shù)量，從而使得筒體兩側(cè)的輪胎都能達(dá)到一致的工作狀態(tài)，避免輪胎的局部磨損，最終能使輪胎的使用達(dá)到最佳效果；最后需要說(shuō)明的是，與以往曾出現(xiàn)的輪胎傳動(dòng)形式不同，研制的結(jié)構(gòu)中輪胎僅起一個(gè)支撐作用，不負(fù)責(zé)筒體驅(qū)動(dòng)，所以輪胎只支撐和轉(zhuǎn)動(dòng)，不打滑且減少了磨損，延長(zhǎng)了使用壽命。

5) 由銷(xiāo)輪替代大齒圈。銷(xiāo)輪主要由圓柱銷(xiāo)構(gòu)成，加工和運(yùn)輸費(fèi)用低。而且一旦出現(xiàn)個(gè)別銷(xiāo)損壞，只需更換受損柱銷(xiāo)，避免了大齒圈損壞后必須整體換掉的問(wèn)題，明顯降低了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

6) 由于采用了液壓馬達(dá)傳動(dòng)，不再配置主電機(jī)、液力偶合器、減速器和微動(dòng)裝置等部件，減少了設(shè)備組成，使整機(jī)故障率降低。

7) 傳動(dòng)采用兩點(diǎn)嚙合，其優(yōu)點(diǎn)在于使傳動(dòng)設(shè)備小型化，兩點(diǎn)分散驅(qū)動(dòng)，受力均衡。

8) 筒體改為由橡膠輪胎支撐，不安裝滾圈和齒圈，使筒體重量減輕，降低了轉(zhuǎn)動(dòng)能量的消耗。以某廠規(guī)格Ⅰ(Φ 3.6×13.5 m)、規(guī)格Ⅱ(Φ 3.8×16 m)的混合機(jī)為例，如采用新型結(jié)構(gòu)，其節(jié)能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，由表中數(shù)據(jù)可知，混合機(jī)規(guī)格越大，其節(jié)能效果越明顯。

表1　兩種混合機(jī)重量和耗能的對(duì)比

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)現(xiàn)行圓筒混合機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，指出了其存在的傳動(dòng)效率低、振動(dòng)大、混合效果差等不足之處。針對(duì)這些問(wèn)題深入分析，尋找對(duì)策，提出了橡膠輪胎支撐液壓馬達(dá)銷(xiāo)齒傳動(dòng)的新型圓筒混合機(jī)，分析了新型圓筒混合機(jī)相對(duì)于現(xiàn)有混合機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)所在。通過(guò)對(duì)比分析可以看出，新型混合機(jī)具有節(jié)能、減振兩大發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

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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

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2014203261)，燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心開(kāi)放課題資助(NECSR-201309)

聯(lián)系人：任素波，博士，副教授，河北.秦皇島(066004)，燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2016-1-5