王緒科 薛銅龍

球磨機鏈傳動結(jié)構(gòu)設計研究

王緒科1，2薛銅龍1

（1.河南理工大學，河南 焦作 454000；2.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學院，河南 焦作454000）

本文以某公司生產(chǎn)的MQG2240型球磨機為研究對象，進行鏈式傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改造設計。結(jié)果表明，球磨機采用鏈傳動代替齒輪傳動在理論上是完全可行的，并且鏈傳動球磨機具有齒輪傳動所不具備的優(yōu)勢。

球磨機；鏈傳動；結(jié)構(gòu)設計；力學分析

球磨機是細化固體物料的重要設備，在冶金、水泥生產(chǎn)等行業(yè)得到了廣泛的應用。

球磨機工作時，筒體內(nèi)鋼球物料拋落沖擊所形成的振源向傳動裝置傳遞，齒輪傳動為剛性傳動，無法有效地阻斷這種振源，導致球磨機主減速器振動發(fā)熱，情況嚴重時甚至會使減速器機體產(chǎn)生裂縫，導致漏油和機殼報廢。劇烈振動還會導致運轉(zhuǎn)失衡，產(chǎn)生齒輪崩齒等惡性故障，嚴重影響球磨機的安全運行，直接制約著該行業(yè)的發(fā)展［1-2］。本文嘗試研究用鏈式傳動代替齒輪傳動，希望在隔絕振源、降低成本方面取得良好的效果。

1 原始設備參數(shù)

本文以MQG2240型球磨機為例進行研究，該球磨機為邊緣齒輪傳動式球磨機，設備的主要技術(shù)參數(shù)為：球磨機筒體直徑2 200mm，筒體長度4 000mm，轉(zhuǎn)速19.5r/min，產(chǎn)量8.5～55.0t/h；電動機型號JR138-8型，額定功率245kW，額定轉(zhuǎn)速734r/min，電機效率0.93；減速器型號ZD70-5型單級減速器，傳動效率0.96；齒輪傳動系統(tǒng)齒輪副模數(shù)22。

2 改造方案

鏈傳動球磨機是針對常見的邊緣齒輪傳動球磨機結(jié)構(gòu)進行改進，完全拆除出料部中空軸上的大齒圈，換裝鑲齒式大鏈輪；完全拆除小齒輪組合件，換裝主動鏈輪、鏈輪軸，中間以平鍵連接；大小鏈輪徑向?qū)R且選擇合適的鏈條連接；在鏈條的松邊加裝張緊輪張緊裝置；重新選擇減速器型號。

2.1 減速器的重新選擇

原減速器為ZD70-5-Ⅱ型單級減速器，若依舊采用原減速器，會造成鏈輪尺寸過大，因此需重新選擇減速器型號。為保證球磨機的研磨效果，筒體的轉(zhuǎn)速仍選用原設計值19.5r/min，初選鏈速v鏈=2.4m/s。

傳動系統(tǒng)總的傳動比為：i總=n1/n2=734/19.5=37.64。其中：n1為電機的額定轉(zhuǎn)速，單位為r/min；n2為球磨機筒體的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。鏈傳動的傳動比初定為4.7，則減速器的傳動比為：i=i總/4.7=37.64/4.7=8.0。

減速器的等效轉(zhuǎn)矩為：TE=9.55Piη/n=9.55×245×8×0.96/734=24.168kN·m。其中，P為電機額定功率，單位為kW；n為電機的額定轉(zhuǎn)速，單位為r/min；η為減速器傳動效率。

減速器的選型扭矩TC為：TC=TEf1f2=24.168×2×1=48.336kN·m。其中：f1為工況系數(shù)，根據(jù)《機械設計手冊》，原動機為電機工作時間大于10h沖擊為強烈沖擊載荷時，f1取2；f2為原動機系數(shù)，原動機為電機時，f2=1。

根據(jù)減速器的傳動比和選型扭矩選擇ZLY280-8.0型減速器，許用扭矩在80kN·m以上，符合要求，效率為0.95。

2.2 鏈條的選擇

由于球磨機的工作特點是轉(zhuǎn)速不高，功率很大，選用在繁重工況下作動力機械傳動用的重載傳動用彎板滾子鏈。為消除鏈傳動的多邊形效應，采用三排重載傳動用彎板滾子鏈和鏈輪。

鏈輪齒數(shù)選擇為奇數(shù)，取z1=17，鏈傳動的傳動比為：i鏈=i總/i=37.64/8=4.705。大鏈輪齒數(shù)為z2=z1×i=17×4.705=79.98，同樣取奇數(shù)，則z2=81。實際傳動比i鏈=z2/z1=81/17=4.76，誤差為（4.76-4.7）/4.7×100%=1.28%＜5%，誤差在允許范圍。

對鏈條傳遞功率進行修正，修正后的當量單排鏈計算功率Pca為：Pca=KAKZP/KP=1.8×1.55×245/2.5=237kW。其中，KA為鏈傳動工況系數(shù)，球磨機以電動機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)帶動產(chǎn)生的沖擊類型為嚴重沖擊時為1.8；KZ為動鏈輪的齒數(shù)系數(shù)，z1=17時為1.55；Kp為多排鏈系數(shù)，采用三排重載傳動用彎板滾子鏈Kp取2.5。

鏈條的工作載荷Q工作為：Q工作=Pca/v鏈=237/2.4=98.75kN。

鏈的抗拉載荷Q抗拉為：Q抗拉=（3～4）×Q工作=296.25～395kN。

根據(jù)載荷選擇2814重載傳動用彎板滾子鏈，鏈條節(jié)距為P=88.9mm。

2.3 主動鏈輪的設計

主動鏈輪的主要尺寸根據(jù)鏈輪的齒數(shù)和所選滾子鏈參數(shù)確定，采用比較常見的三圓弧一直線齒形，鏈輪材料采用42CrMo鋼，經(jīng)淬火回火處理。

2.4 大鏈輪的設計

球磨機的鏈傳動采用鑲齒式大鏈輪齒圈——彎板滾子鏈驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中將單個齒塊用螺栓逐個固定到球磨機筒體上得到鑲式大鏈輪齒圈，球磨機筒體較薄，在筒體外鑲嵌齒塊部分包裹一個以Q235加工的箍圈，三齒交錯布置，相位相錯（120/17）度，齒塊間距是鏈條節(jié)距的3倍。齒塊選用35鋼正火處理，箍圈采用Q235退火處理,球磨機鏈傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用大功率圓周驅(qū)動裝置。

2.5 張緊裝置的設計

該設計采用張緊輪張緊裝置，張緊輪采用無齒的輥輪，直徑為335mm，約為小鏈輪直徑的0.65倍。

3 主動鏈輪的力學分析

鏈傳動的傳動比較大，主動鏈輪嚙合的次數(shù)要遠遠多于大鏈輪，沖擊和磨損也遠遠大于大鏈輪。因此，主動鏈輪是鏈傳動機構(gòu)中最主要的部件，決定了鏈傳動的工作狀況。

3.1 強度分析

靜強度分析只需考慮周期內(nèi)最大作用力即可，將最大作用力簡化到一個鏈輪與滾子嚙合的接觸面上，鏈輪與滾子接觸的面的受力選用受壓力作用來模擬，經(jīng)計算鏈條緊邊力F1=33 509N。鏈輪的內(nèi)表面施加固定約束，對完成約束和施加載荷的主動鏈輪，利用Workbench軟件進行分析與計算，得鏈輪等效應力圖。主動鏈輪的材料是42CrMo，該材料的屈服極限σs=930MPa，其許用應力［σ］=σs/n，n為安全系數(shù)，因為球磨機的振動比較大，主動鏈輪必然也會受到一定的沖擊，因此安全系數(shù)取5，則［σ］=σs/n=930/5=186MPa。由分析得到鏈輪所受最大應力σmax=88.433MPalt;186MPa，鏈輪強度符合要求。

3.2 接觸應力分析

將鏈輪-滾子裝配體模型導入Workbench平臺中，選擇有摩擦接觸類型，摩擦系數(shù)選0.095，對鏈輪的內(nèi)表面的所有節(jié)點施加CylindricalSupport約束，切向放開；在鏈輪的內(nèi)圈表面施加需要的轉(zhuǎn)矩，方向逆時針，大小為M=F1d/2。其中，d為分度圓直徑，經(jīng)計算分度圓直徑d=483.81mm，則M=8 105 994N·mm。在嚙合的瞬間，滾子是固定不動的，兩端施加固定約束，求解得到鏈輪和滾子的嚙合接觸時的應力分布。

鏈輪的許用應力可以表示為：［σ］=σs/S=930/1.5=620MPa。其中，S為疲勞強度系數(shù)考慮到球磨機為重載設備，為保證傳動安全，疲勞強度系數(shù)取1.5。

該結(jié)構(gòu)最大的接觸應力是282.1MPa，發(fā)生位置是在滾子與鏈輪的接觸部位，明顯小于材料的許應安全應力620MPa，因此結(jié)構(gòu)是安全的。

4 結(jié)論

研究表明，球磨機采用鏈傳動代替齒輪傳動在理論上是完全可行的，并且鏈傳動球磨機還具有齒輪傳動所不具備的優(yōu)勢：①鏈傳動為撓性傳動，可以隔絕筒體的振源，保護減速器和電機；②鏈輪制造精度要求不高，尺寸較大齒輪明顯減小，因此降低了加工制造成本；③大鏈輪的鑲齒式結(jié)構(gòu)輪齒更換方便，操作簡單，只需用相同規(guī)格齒塊替換損壞齒塊，降低了整體式大鏈輪更換的難度。因此，鏈傳動球磨機的設計開發(fā)改造必然會提高設備的綜合經(jīng)濟效益。

［1］張選志.球磨機鏈傳動方式的可行性研究［C］//2004年全國選礦新技術(shù)及其發(fā)展方向?qū)W術(shù)研討與技術(shù)交流會論文集，2004.

［2］柴邦衡.鏈條機構(gòu)［J］.吉林工業(yè)大學學報，1983（4）：135-156.

Research on Chain Drive Structure Design of Ball Mill

Wang Xuke1，2Xue Tonglong1
（1.Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454000；2.Henan College of Industryamp;Information Technology，Jiaozuo Henan 454000）

This paper used the MQG2240 ball mill as the research object,the structure of the ball mill chain drive system was designed.The results showed that it was theoretically feasible to use chain drive in?stead of gear drive in ball mill,and chain drive ball mill had the advantage that gear transmission does not have.

ball mill；chain drive；structural design；mechanics analysis

TD453

A

1003-5168（2017）10-0083-02

2017-09-03

王緒科（1983-），男，碩士在讀，講師，研究方向：機械設計制造。