叢曉靜，許龍旭，劉旭

水泥回轉(zhuǎn)窯設(shè)備鑄鍛件的種類很多，其中關(guān)鍵大型鑄鍛件主要有大齒圈、輪帶、托輪、托輪軸、小齒輪、小齒輪軸、擋輪、擋輪軸。以5 000t/d產(chǎn)量? 4.8m×72m回轉(zhuǎn)窯為例，上述大型鑄鍛件的總重占整條回轉(zhuǎn)窯總重的～40%，成本約占50%。大型鑄造齒圈是傳動裝置的重要部件，其傳遞扭矩帶動筒體旋轉(zhuǎn)。有效優(yōu)化大齒圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制制造過程，對縮短供貨周期、提高成品質(zhì)量、延長部件使用壽命具有重要意義。

1　大齒圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1　優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提——可靠性與經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一

大齒圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，需在確保大齒圈使用效果的情況下，綜合考慮成本、制造加工難易程度、生產(chǎn)周期，將可靠度的設(shè)計(jì)貫穿整個產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用的整個過程。

齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)性能取決于齒輪的接觸狀態(tài)，當(dāng)齒面出現(xiàn)偏載或不正常接觸時，就容易造成齒輪提前破壞。對齒面接觸應(yīng)力的精確計(jì)算是優(yōu)化齒輪齒形、提高齒輪承載能力的重要依據(jù)。

以5 000t/d回轉(zhuǎn)窯大齒圈為例，大齒圈基本參數(shù)值見表1。

表1　大齒圈基本參數(shù)

已知傳動電機(jī)輸入功率710kW，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速4.5r/min，根據(jù)GB/T 3480-1997漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法和GB/T 10063-1988通用機(jī)械漸開線圓柱齒輪承載能力簡化計(jì)算方法，校核齒面接觸強(qiáng)度，計(jì)算安全系數(shù)[1]。

式中：

σHG——計(jì)算齒輪的接觸極限應(yīng)力，N/mm2

σHlim——試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限，N/mm2

ZNT——接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)

ZL——潤滑劑系數(shù)

ZV——速度系數(shù)

ZR——粗糙度系數(shù)

ZW——工作硬化系數(shù)

ZX——接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)

以上為5 000t/d回轉(zhuǎn)窯大齒圈的基本參數(shù)選擇，經(jīng)過計(jì)算SH為1.00，為一般可靠度，達(dá)到了機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

1.2　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)——特征舉例

基本參數(shù)選定之后，需要對齒圈結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于回轉(zhuǎn)窯大齒圈模數(shù)大、直徑大，需要在保證可靠性、經(jīng)濟(jì)性的前提下，進(jìn)一步求證重量最輕、鑄造效果最佳、強(qiáng)度最大的設(shè)計(jì)方案。筆者通過建立優(yōu)化模型，在給定約束條件下，選擇設(shè)計(jì)變量，充分利用有限元分析軟件，求得了結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。分半齒圈結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。下面就幅板減重孔、彈簧板連接處鑄造圓角兩個特征進(jìn)行討論。

圖1　分半齒圈結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1幅板減重孔

目前，各公司設(shè)計(jì)的幅板減重孔，主要有圓形孔、長腰形孔、方形孔以及無孔等形式。齒圈實(shí)物照片如圖2.1～2.4。通過以上現(xiàn)場照片的比較，筆者利用ANSYS有限元分析軟件做出簡要分析，探究一種重量輕同時不影響結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，且有利于砂型制作、減少鑄造困難的最佳形式。

給定約束：幅板厚度80mm，加載垂直于齒面的均布載荷，以長腰形孔為例，在一個孔形范圍內(nèi)，依次從序號1輪齒到序號8輪齒改變，如圖3.1～3.8，可見序號8輪齒受力時，孔形的應(yīng)力值最大，如圖3.8。

圖2.1　幅板減重孔-圓形孔　

圖2.2　幅板減重孔-長腰形孔

圖2.3　幅板減重孔-方形孔

圖2.4　幅板減重孔-無孔

圖3.1　輪齒1　

圖3.2　輪齒2

圖3.3　輪齒3　

圖3.4　輪齒4

圖3.5　輪齒5　

圖3.6　輪齒6

圖3.7　輪齒7

圖3.8　輪齒8

給定約束，選擇單一設(shè)計(jì)變量，比較長腰形減重孔、圓形減重孔、無減重孔的形式，如圖3.8、圖4.1～4.2，可以發(fā)現(xiàn)：長腰形孔形式應(yīng)力值最大，圓形孔相對于無孔形式而言，未形成較大的應(yīng)力集中值。三者的應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力值，理論分析長圓形孔、圓形孔的減重孔形式，均不會較大程度降低幅板的強(qiáng)度。由于齒圈受動載荷且回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)場窯況復(fù)雜，無法簡單地從理論分析層面判斷幅板強(qiáng)度所能承受的最大的壓應(yīng)力值的大小。但可明顯看到，圓形減重孔對幅板強(qiáng)度的影響范圍遠(yuǎn)小于長腰形孔，綜合考慮鑄造過程的造型工藝，圓形減重孔的造型工藝最簡單，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。

1.2.2彈簧板聯(lián)接處鑄造圓角優(yōu)化

鑄造圓角，減小應(yīng)力集中（圖5～8）。

同樣以5 000t/d的大齒圈為例，相切直線的鑄造圓角形式比R30圓角的形式重量增加291kg。

圖4.1　幅板減重孔-圓形，應(yīng)力分析

圖4.2　幅板減重孔-無孔，應(yīng)力分析

該齒圈彈簧板聯(lián)接處鑄造圓角優(yōu)化為圖7所示R200圓角，從衡陽中鋼得到的反饋，優(yōu)化到圖8所示相切直線的形式，制造鑄造砂型更方便，雖然質(zhì)量會增加，但是可以減小造型的難度、縮短工期、減少成本。

2　制造過程控制

2.1　齒圈材質(zhì)選擇

圖5　R30圓角　

圖6　R30圓角+加強(qiáng)肋　

圖7　R200圓角

圖8　相切直線

齒圈在使用過程中，齒面承受較大的循環(huán)接觸應(yīng)力，需有較高綜合力學(xué)性能。中碳低合金鋼ZG42CrMo由于含有少量的Cr、Mo元素，淬透性較好，在調(diào)質(zhì)熱處理后，不僅抗拉、屈服強(qiáng)度高，而且沖擊韌性值也較高，符合大齒圈的使用要求。

2.2　制造過程控制要點(diǎn)

2.2.1鑄造

大齒圈采用鑄造成型，其結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，在鑄造造型上要注意如下幾點(diǎn)：

（1）采用水玻璃砂造型，相比樹脂砂會獲得更好的內(nèi)部致密度。

（2）底注的方式能讓鋼液平穩(wěn)充型，并在內(nèi)澆道上設(shè)有暗冒口，便于內(nèi)部浮渣。

（3）采用環(huán)形橫澆道，將豎澆道和內(nèi)澆道銜接起來，讓鋼液快速平穩(wěn)地充型。

（4）雙澆注系統(tǒng)，工件采用底注系統(tǒng)充型，在冒口再采用一套澆注系統(tǒng)補(bǔ)澆充型，目的是為了保證冒口鋼液的溫度高于工件，形成冷卻梯度。

（5）齒圈開齒部位上方采用全明分段式保溫冒口，冒口使用耐火材料制作，彈簧孔上方采用暗冒口。

（6）工件內(nèi)、外壁施加冷鐵，保證冷卻凝固順序，更有利于排氣、排渣。

（7）澆注完畢后，在冒口上方覆蓋助燃材料和保溫材料，使冒口最后凝固。

2.2.2熱處理

齒圈的使用壽命，一是在于鑄造質(zhì)量（即內(nèi)部致密度），二是在于齒面硬度。在一個合理的范圍內(nèi)，齒面硬度越高，耐磨性越好，在同等工況下，使用壽命越長。而齒面硬度和熱處理有直接關(guān)系，傳統(tǒng)大齒圈的熱處理工藝基本為正火+回火，采用該冷卻工藝（空冷）比較平穩(wěn)，冷卻過程中變形量較小，冷裂傾向性低，防變形的預(yù)留機(jī)加量較小。但缺點(diǎn)很明顯，成品齒面硬度偏低，大約210HB左右，而且熱處理完后再開齒，硬度從齒頂?shù)烬X根逐步下降，不均勻。

目前，推薦采用淬火（夏季水冷，冬季油冷）+回火的熱處理方式，且熱處理之前進(jìn)行粗開齒，齒面硬度在260～310HB之間，不僅大幅提高齒面硬度，而且硬度較為均勻，提高齒圈使用壽命。

2.2.3機(jī)加工

齒圈的熱處理工藝由正火調(diào)整為淬火，同時為了保證淬透性和均勻性，制作順序?yàn)橄却珠_齒，后熱處理，增加了齒圈精加工開齒的難度，因此，機(jī)加工廠要有較好的銑齒的刀具。

3　結(jié)語

綜合以上分析得出，提高大齒圈的質(zhì)量重點(diǎn)在于：

（1）齒圈的計(jì)算實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，SH在1.00左右，完成可靠性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

（2）對齒圈的結(jié)構(gòu)特征做有效分析，幅板減重孔選用圓形孔，彈簧板聯(lián)接處鑄造圓角選用相切直線形式，使齒圈結(jié)構(gòu)特征的安全性、鑄造的可靠性融合。

（3）嚴(yán)格控制齒圈的制造過程，提高齒面硬度在260～310HB之間，提高齒圈的整體質(zhì)量，延長使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第五版）[K].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

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[3]熊會思，熊然.新型干法水泥廠設(shè)備選型使用手冊[K].北京：中國建材工業(yè)出版社，2007，（1）.■