李曉光，閆衛(wèi)華，宋玉軍

（唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305）

石灰窯在氨堿法純堿生產(chǎn)中的主要作用是煅燒分解石灰石，生產(chǎn)二氧化碳（窯氣）及生石灰，石灰窯在石灰工序中是主要生產(chǎn)設(shè)備，我廠石灰窯的結(jié)構(gòu)形式為機(jī)械回轉(zhuǎn)豎式石灰窯，在制堿領(lǐng)域得到廣泛使用。而石灰窯機(jī)械傳動(dòng)部件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)也直接關(guān)系到石灰窯的產(chǎn)能及工藝指標(biāo)，因此降低石灰窯設(shè)備的事故發(fā)生率，確保設(shè)備的長周期穩(wěn)定運(yùn)行是我們的首要工作。

我車間的石灰窯窯底由出灰裝置、進(jìn)風(fēng)裝置、傳動(dòng)裝置構(gòu)成，對(duì)于整座石灰窯來說傳動(dòng)裝置是與物料直接接觸、磨損的部件，承受數(shù)百噸物料的壓力和水平方向的驅(qū)動(dòng)力，承載力較大，較易發(fā)生設(shè)備事故及隱患，是巡檢和檢修的重要位置之一。我車間的石灰窯底部傳動(dòng)裝置在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受較大偏心荷載，因其受力不平衡，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致傳動(dòng)滾輪“上道”、啃軌等現(xiàn)象發(fā)生，在恢復(fù)檢修時(shí)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且對(duì)生產(chǎn)波動(dòng)較大。因此，我車間對(duì)窯底傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，已徹底改善設(shè)備運(yùn)行狀況，降低事故發(fā)生率。

1 窯底出灰轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)方位改造

1.1 窯底轉(zhuǎn)盤工況概述

我車間石灰窯窯底滾輪的工況為：電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)螺錐出灰轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，而后灰塊物料被刮刀刮落至下灰漏斗，出灰轉(zhuǎn)盤承受電機(jī)減速機(jī)的扭力和出灰刮刀阻料的摩擦力，并由轉(zhuǎn)盤中心定位座在水平方向限定位，豎直方向由窯底滾輪承載壓力，如圖1所示。

圖1 石灰窯窯底滾輪的工況

1.2 原有轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)方位存在的問題

根據(jù)原有出灰轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方位，給出俯視平面的受力示意圖，如圖所示F代表驅(qū)動(dòng)小齒輪加載在轉(zhuǎn)盤齒圈上的力，力F的方向與減速機(jī)中軸線方向垂直，驅(qū)使出灰轉(zhuǎn)盤以中心定位座為中心做圓周運(yùn)動(dòng)；力f代表出灰刮刀推阻物料，使物料與出灰轉(zhuǎn)盤之間產(chǎn)生的摩擦力。F與f之間的合力夾角為75°＋135°＝210°，此合力不相互平行，當(dāng)物料灰塊結(jié)瘤受出灰刮刀阻擋，使f驟然增大或電機(jī)減速機(jī)突然啟動(dòng)時(shí)使F驟然增大，都會(huì)使轉(zhuǎn)盤另一端承受較大扭力，該力易使窯底滾輪受到過載而脫出軌，俗稱“滾輪上道”，若不及時(shí)處理，驅(qū)動(dòng)小齒輪與大齒圈將錯(cuò)位脫出，失去嚙合。嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生輪齒折斷、齒頂變形等事故，給生產(chǎn)帶來很大影響。

圖2 改造前受力部件方位圖

1.3 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)方位改造

結(jié)合改造前的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)方位圖，車間對(duì)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)裝置的方位進(jìn)行改造，具體改造措施需將窯體外部轉(zhuǎn)盤減速機(jī)基礎(chǔ)和窯體內(nèi)部小齒輪基礎(chǔ)進(jìn)行改造，窯底小屋平臺(tái)、內(nèi)外層人門以視鏡觀察孔中心線為基準(zhǔn)全部順時(shí)針移至改造后位置，各件之間相對(duì)位置不變。如圖4所示，改造后F與f受力夾角為45°＋135°＝180°。此合力在水平方向達(dá)到平行，同樣以中心定位座為中心實(shí)現(xiàn)圓周方向上力的平衡，當(dāng)一端載荷驟然增大時(shí)，另一端的扭力可以迅速被同向的力所約束而抵消?？捎行П苊狻皾L輪上道”的事故發(fā)生。

圖3 改造后受力部件方位圖

2 滾輪固定盤改造

雖然通過對(duì)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)方位進(jìn)行了改造，使“滾輪上道”的事故隱患大大降低了，但并不能完全根除滾輪啃軌的問題。

2.1 滾輪的運(yùn)行原理及故障分析

窯底滾輪是由滾輪壓蓋固定在滾輪固定盤上，滾輪固定盤無任何約束，無任何驅(qū)動(dòng)力，被動(dòng)承載螺錐出灰轉(zhuǎn)盤的壓力及摩擦力，摩擦力驅(qū)使?jié)L輪沿著上下軌道邊緣在圓周方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，基本結(jié)構(gòu)類似于壓力軸承。但是滾輪僅僅依靠滾輪邊緣的凸臺(tái)與上下軌道的外沿接觸，起到摩擦限位的作用，因此滾輪與上下軌道之間的低速重載滑動(dòng)摩擦使?jié)L輪啃軌的問題越來越嚴(yán)重。受窯底環(huán)境限制，此問題無法通過潤滑解決，當(dāng)石灰窯未到大修周期，就要被迫停窯拆除更換。

經(jīng)過技術(shù)分析、診斷，發(fā)現(xiàn)各窯的軌道磨損方位相同，根據(jù)現(xiàn)有部件結(jié)構(gòu)，增加滾輪限位導(dǎo)向裝置——轉(zhuǎn)盤擋輥，擋輥安裝在滾輪固定盤上，隨滾輪一同轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)預(yù)先接觸下軌道外沿，推阻固定盤移位的現(xiàn)象，并防止?jié)L輪限位凸臺(tái)與軌道相接觸，并使其由滑動(dòng)接觸改為滾動(dòng)接觸，從而杜絕了滾輪磨損，也杜絕了滾輪“啃軌”的問題。

2.2 限位導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

考慮到現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境，為了避免新增部件因尺寸偏差而延誤檢修，給生產(chǎn)造成不良影響的后果，因此筆者采用Solidworks3D模型建造軟件設(shè)計(jì)，ANSYS有限單元分析載荷進(jìn)行輔助優(yōu)化。

Solidworks圖形設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模型的構(gòu)造仿真，該軟件應(yīng)用環(huán)境是 Windows界面，操作簡單方便。靈活的草圖繪制和檢查功能很容易清楚自己的操作狀態(tài)；繪圖中的動(dòng)態(tài)反饋和推理功能可以自動(dòng)添加幾何約束；強(qiáng)大的特征建立能力和零件與裝配的控制功能可以仿真現(xiàn)有機(jī)加工的生產(chǎn)能力和零部件裝配的可靠性；三維模型可自動(dòng)產(chǎn)生靈活多樣的工程圖，包括視圖、尺寸、標(biāo)注等；eDrawings文件可以非常方便地交流設(shè)計(jì)思想，提供了自由、開放、功能完整的設(shè)計(jì)平臺(tái)。

2.2.1 構(gòu)建模型

首先構(gòu)造滾輪固定盤及相關(guān)零部件的總成圖，而后建造相鄰零件軌道及軌道基礎(chǔ)座，參照現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，固定盤壓附在軌道上，使之產(chǎn)生接觸干涉關(guān)系。如圖所示：圖中淺色結(jié)構(gòu)件為滾輪固定盤部件總成，深色結(jié)構(gòu)件為軌道擋輥部件總成。

由于預(yù)將擋輥安裝在滾輪固定盤上，所以利用現(xiàn)有總成圖中固定盤與軌道零部件之間的非干涉空間，測(cè)量擋輥與軌道之間的安裝距離，得出實(shí)際尺寸后，方可建造擋輥部件圖。

圖4 滾輪固定盤及相關(guān)零部件

2.2.2 零件載荷、約束分析

為了使現(xiàn)有設(shè)計(jì)的擋輥強(qiáng)度能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，筆者將在下面對(duì)擋輥關(guān)鍵零件進(jìn)行有限元分析處理。根據(jù)力的傳導(dǎo)和相互性原理，判斷零部件的受力集中和約束都應(yīng)集中在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的擋輥基礎(chǔ)支架上。設(shè)定該件為易損件，進(jìn)行零件載荷、約束分析。首先選取該零件的材質(zhì)為鑄造碳鋼；其次確定應(yīng)力集中范圍應(yīng)是圖5中的四個(gè)固定螺栓孔周圍，假設(shè)給擋輥施加40 000N的力，那么每片區(qū)域?qū)⑻砑?0 000N的力。

同時(shí)給該零件添加約束，因?yàn)樵摷潭ㄔ跐L輪轉(zhuǎn)盤固定盤上，固定面為零件上面的四個(gè)螺栓孔附近，所以在螺栓孔附近施加約束，如圖5所示。

圖5 擋輥基礎(chǔ)支架受力分析（1）

當(dāng)零件添加了鋼材楊氏模量、受力與約束的三個(gè)必要條件后，即可應(yīng)用有限元程序進(jìn)行載荷分析計(jì)算。為了更直觀的表述應(yīng)力集中，筆者將零件正面配圖。由ANSYS分析出的云圖顯示計(jì)算結(jié)果，支架的受力值區(qū)間范圍3.79×104～1.74×108Pa，最大極限應(yīng)力為1.74×108Pa，零件本身屈服應(yīng)力2.4×108Pa，根據(jù)材料的非線性定義，輸出極限應(yīng)力小于屈服應(yīng)力即滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。如圖6所示。

圖6 擋輥基礎(chǔ)支架受力分析（2）

同時(shí)零件受力必將會(huì)產(chǎn)生一定彈性變形，其位移值區(qū)間范圍為0～0.7mm。由ANSYS分析，云圖紅色區(qū)域?yàn)樽冃瘟孔畲髤^(qū)域。變形量對(duì)部件本身及周圍設(shè)備無干涉，因此位移值也滿足設(shè)計(jì)要求。如圖7所示。

圖7 擋輥基礎(chǔ)支架受力分析（3）

2.2.3 安裝調(diào)試經(jīng)驗(yàn)

按照三維設(shè)計(jì)圖形生成工程圖，交付廠家生產(chǎn)制作，返回的擋輥經(jīng)過校驗(yàn)，確認(rèn)尺寸無誤后開始組裝試運(yùn)行。

1）安裝方法

首先，因新安裝的擋輥支架與滾輪壓板的加強(qiáng)筋沖突，所以需將滾輪固定壓板的加強(qiáng)筋通過機(jī)加工銑掉，也可直接使用不帶加強(qiáng)筋的新壓板。其次，固定盤上的四個(gè)約束螺栓孔不在一個(gè)平面上，所裝擋輥支架的約束螺栓孔也并非在一個(gè)平面上，而相對(duì)的配合孔無法經(jīng)過配鉆，有可能會(huì)產(chǎn)生加工誤差，導(dǎo)致裝配零件不符，所以在支架螺栓孔徑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)留余量，且水平方向盡量開長孔。再次，新?lián)踺伒陌惭b可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，可以接一跳一安裝，也可以全部安裝。

2）試車調(diào)試

當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)盤偏離中心位置較多時(shí)，則加裝的新?lián)踺佋谵D(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)第一圈時(shí)會(huì)承受較大向心推力，這個(gè)推力主要是由轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)擋輥與軌道間的壓力，即如上所述的“40 000N”為設(shè)計(jì)值。偏移量越多，阻力越大，那么壓力也就越大，當(dāng)超出設(shè)計(jì)載荷范圍時(shí)，擋輥就會(huì)發(fā)生“過載”，產(chǎn)生屈服變形。為了避免“過載”，筆者建議新安裝的擋輥在與軌道接觸負(fù)載后，轉(zhuǎn)盤開反轉(zhuǎn)，再正傳，如此遞進(jìn)反復(fù)運(yùn)行，可有效控制新?lián)踺仭斑^載”的現(xiàn)象發(fā)生。

試車時(shí)如何判斷擋輥過載，根據(jù)上面設(shè)計(jì)的云圖判斷，顯示密集陰影區(qū)域的地方及變形位移量最大的地方，可在該處增加百分表測(cè)量型變量。當(dāng)表頭有所顯示，或顯示數(shù)值超出0.7mm時(shí)，該件可能會(huì)發(fā)生屈服變形。

［1］ 中華人民共和國化學(xué)工業(yè)部.設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程［S］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992

［2］ 北京有色冶金設(shè)計(jì)研究院.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993