楊占凱

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

0 引言

磨機是將固體物料細化制粉的重要設備, 是冶金、礦山、水泥、化工、陶瓷、建筑、電力、醫(yī)藥以及國防工業(yè)等部門廣泛使用的一種粉磨設備，目前國內市場磨機的需求量很大。主要體現(xiàn)在兩個方面，首先，伴隨著科技的發(fā)展，新技術的應用，磨機服務的領域不斷擴大，新行業(yè)、新領域對磨機有著很大的需求；其次，我國是礦產(chǎn)資源豐富的國家，各類礦石的采選都需要物料細化制粉過程，磨機在各種規(guī)模的廠礦廣泛應用。按照國家節(jié)能減排的要求，各廠礦企業(yè)對現(xiàn)有的設備進行升級改造，進一步加大了磨機的需求。在擁有廣泛市場的同時，市場對磨機的需求也有了新的變化。首先是節(jié)能環(huán)保的要求，冶金礦山企業(yè)不僅消耗大量電能，同時消耗大量鋼材，并且廢鋼、廢鐵、廢棄物等持續(xù)增加，需要一種新的工藝和設備，解決廢棄物的處理問題，達到節(jié)能環(huán)保，持續(xù)發(fā)展的作用。其次為設備大型化的要求，隨著國家對環(huán)境與能源問題的重視，對中、小冶金礦山企業(yè)進行限制，各企業(yè)紛紛擴建、新建項目對設備的要求也趨向大型化。

中國有色(沈陽)冶金機械有限公司是國內較大的冶金、礦山設備制造企業(yè)之一，所生產(chǎn)的磨機服務于礦山、化工、冶金、水泥等行業(yè)，目前已具備與知名企業(yè)競爭的能力。公司磨機的設計與研發(fā)工作也向著節(jié)能、環(huán)保、大型化方向進行。電機、減速、小齒輪及大齒輪等組成的驅動部分是磨機的重要裝置，對磨機設備的高效、平穩(wěn)、安全的運行起到重要作用，因此對驅動部分系統(tǒng)的設計和研究是磨機設計工作的重點，也是難點，并且對齒輪的研究更是重中之重。

1 項目概況

1.1 項目背景

近年來在頻頻出現(xiàn)煤慌、電慌和全國煤炭交易會上的“煤電頂?！爆F(xiàn)象后，我國政府從優(yōu)化能源格局的高度和煤電運協(xié)調的角度，對煤電一體化給予了高度重視。我國還是一個煤炭大國，蘊藏十分豐富，儲量種類齊全，應用的前景也很廣闊。但是，目前來看煤炭運輸?shù)桨l(fā)電廠，進行發(fā)電容易造成環(huán)境和運輸?shù)膲毫Γ灿绊懤眯?。國內有些企業(yè)采用煤、電、鋁聯(lián)營的結構，直接坑口發(fā)電，發(fā)電后直接進入鋁廠進行鋁電解，氧化鋁粉經(jīng)過電解得到鋁錠，銷售成品鋁錠或進行鋁業(yè)的深加工，該方法取得了一定的效果，在國內有實力的大企業(yè)開始研究煤、電、鋁及深加工的一體化戰(zhàn)略，這也將是企業(yè)長足發(fā)展的趨勢。

1.2 項目來源

中國鋁業(yè)股份有限公司作為國內大型電解鋁類生產(chǎn)企業(yè)之一，在煤電鋁一體化戰(zhàn)略的實施中也不斷探索與前進。中國鋁業(yè)股份有限公司作為耗電大戶的制造商，因需要電廠提供大量的電能，在一體化戰(zhàn)略中自然采用后向一體化模式。后向一體化指獲得供貨方的所有權或加強對它們的控制，對于電解鋁行業(yè)后向一體化模式就是指鋁業(yè)公司辦自備電廠或者參股或控股電廠。

中國鋁業(yè)股份有限公司在貴州建設的清鎮(zhèn)煤電鋁一體化項目，我公司負責氧化鋁項目中MQY5295溢流型球磨機的設計制造工作。該項目如能按期投產(chǎn)，該規(guī)格磨機將成為氧化鋁行業(yè)中應用的最大規(guī)格磨機，同時也是我公司設計制造的最大規(guī)格磨機。按照設備使用的環(huán)境條件和工礦條件，磨機選用TDMK(TM)系列礦山磨機用大型交流三相同步電動機。型號：TM4300- 30(節(jié)能型),額定功率：P0=43 00 kW，同步轉速：n0=200 r/min ，磨機工作轉速：n=14.2 r/min ，磨機傳動系統(tǒng)傳動比i=14.08。

2 齒輪的設計計算

2.1 材料的選擇

2.2 按齒面接觸強度確定中心距

2.3 驗算齒面接觸疲勞強度

2.4 驗算齒根彎曲疲勞強度

結論：通過計算和驗算齒根彎曲應力，結果顯示設計值小于許用值，設計正確滿足使用要求。

3 傳動系統(tǒng)有限元分析

3.1 有限元分析與ANSYS簡介

在本次設計中，通過有限元對理論計算結果進行驗證，對大齒輪進行了有限元分析，檢查齒輪齒根受載較大的地方，校核承載能力。

3.2 大齒輪的ANSYS分析

3.2.1 ANSYS建模

由于在ANSYS中直接建立齒輪輪齒漸開線方程比較困難，所以筆者選擇使用三維造型軟件Pro/E建立出齒輪的三維模型，將模型導入ANSYS?？紤]結構復雜、約束過多對ANSYS分析的網(wǎng)格劃分以及運算情況會有很大影響，建立模型時取消了不必要的倒角、圓角，使模型更加簡化合理。通過接口，可以把在Pro/E建立好的大齒輪三維模型直接導入ANSYS中，對其選擇劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后的結果如圖1所示。

圖1 大齒輪有限元分析網(wǎng)格劃分

3.2.2 邊界條件

正常運行工況下，外加載荷是通過電機軸進行輸出扭矩，負載是筒體、物料、端蓋及把和的大齒輪，大齒輪和小齒輪之間通過齒輪嚙合產(chǎn)生作用和反作用力矩或稱為轉矩，小齒輪在兩個軸承座支撐的齒輪軸之間，并在軸承與軸承座之間施加徑向和軸向的約束。

3.2.3 分析結果

在工況條件下，按理論公式計算的扭矩值提取大齒輪的彎曲應力，如圖2所示。

圖2 大齒輪彎曲應力有限元分析云圖

由分析結果可知，大齒輪的齒根彎曲應力最大值為48.192 N/mm2，與理論計算值接近，說明大齒輪有足夠的承載能力，大齒輪設計安全可靠，通過有限元也驗證了理論計算的正確性。

4 結論與展望

通過計算對磨機的大齒輪進行受力分析和強度校核，并利用限元對大齒輪進行系統(tǒng)分析，得出以下結論：MQY5295溢流型球磨機傳動系統(tǒng)大齒輪參數(shù)見表1，大齒輪結構如圖3所示。

表1 大齒輪參數(shù)表

圖3 大齒輪結構圖

通過有限元系統(tǒng)分析，得出該磨機大齒輪應力和變形等分布規(guī)律，與理論計算的危險剖面相吻合，進一步驗證設計參數(shù)及結構的合理性。這種應力和變形的分布規(guī)律，對相同結構磨機的設計有同樣的指導意義。

大齒輪是磨機傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其強度和壽命直接影響到磨機運轉的平穩(wěn)性、可靠性。本文在對MQY5295溢流型球磨機大齒輪進行了理論計算，又利用有限元進行全面分析，理論上保證了產(chǎn)品的性能，從而保證磨機運轉的可靠性。雖然設備運行的情況要待用戶投產(chǎn)后進行驗證，但這種理論計算與有限元分析相結合的方法在大磨機的設計研發(fā)工作中應用，對公司的新產(chǎn)品研發(fā)有指導性意義。