任素波　白明華

(燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心)

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新型圓筒混合機的結構特點淺析

任素波白明華

(燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心)

通過分析現有圓筒混合機的結構特點與不足，提出了一種新型混合機結構，橡膠輪胎僅作為支撐結構，筒體由液壓馬達或電機驅動，傳動形式采用特殊設計的兩點嚙合銷齒傳動，與傳統(tǒng)混合機相對比，詳細分析了該結構的主要特點，表明新型圓筒混合機可實現節(jié)能減振的高效混合過程,具有較好的應用前景。

圓筒混合機銷齒傳動橡膠輪胎減振

0　引言

我國是世界第一大鋼鐵生產國，每年約需燒結礦10億噸。國家“十二五”規(guī)劃提出“單位GDP能耗下降目標不低于15%”的整體要求，使得冶金行業(yè)的節(jié)能減排工作首當其沖，燒結球團生產在整個鋼鐵工序流程中的重要地位也越發(fā)凸顯。而其中混合機的混合效果直接影響到燒結礦質量的好壞，進而影響到高爐的生產效率，因此設計出性能良好的混合機是業(yè)內研究人員一直關注的課題[1-4]。當前，燒結球團技術進步正處于突破“瓶頸”的關鍵時期，減少燃料消耗、降低生產成本等問題成為擺在各大鋼鐵企業(yè)面前的首要任務[5-6]。

目前國內燒結廠普遍采用的是由電機減速機驅動、金屬托輥支撐的漸開線齒輪傳動的單點嚙合的圓筒混合機。這種設備在正常運行時處于帶物料偏心旋轉狀態(tài)，使得設備和廠房振動尤為嚴重，多年來相關人員一直致力于如何解決混合機的振動問題，并研制了各種類型的減振型混合機，但實際效果不甚明顯[7-10]?；趫A筒混合機的工藝要求和使用工況，筆者重點介紹了一種新型圓筒混合機結構，通過與現有混合設備的優(yōu)缺點對比，為混合設備的節(jié)能減振提供了新途徑。

1　國內混合機結構特點及優(yōu)缺點

1.1 漸開線齒輪傳動混合機

傳統(tǒng)的齒輪圓筒混合機主要由筒體、傳動裝置、滾圈、托輥、擋輪、灑水裝置、支架、保護罩、潤滑系統(tǒng)等組成。漸開線齒輪傳動的混合機結構如圖1所示[11]。

這種混合機的電機1通過減速機3驅動大小齒輪9，從而使得筒體做圓周運動。有時還在主動電機的對側安裝有微動電機，這樣便于混合機的檢修、調試與安裝。整個筒體設備由4個金屬托輥支撐，為了提高支撐強度剛度，與之對應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備總重量的1/2。

經過生產經驗表明，此類混合機在工作過程中會產生非常大的振動，這嚴重影響了混合機的使用壽命和混勻效果。其結構特點主要有：

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

(a) 混合機主視圖

(b) 混合機側視圖

2) 整個混合機共由4個金屬托輥支撐，這就要求4個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，否則會導致混合機偏心旋轉和不均勻磨損，產生振動。某廠Φ 3.8× 16 m混合機由于滾圈磨損產生嚴重的振動，僅拆除維修就花費近百萬元之多。

3) 由于采用金屬托輥支撐，托輥與筒體均由2種硬質材料構成，其接觸面之間為剛性接觸，不具備減振作用，由此筒體和其內物料的旋轉運動所帶來的沖擊振動必將導致金屬托輥的工況惡化。

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

5) 由于筒體內物料的偏心落料導致混合機主動側與被動側受力相差近1倍，且在徑向上采用對稱托輥支撐，這種支撐方式導致了重載一側的托輥點蝕嚴重而損壞。

1.2橡膠輪胎摩擦傳動混合機

輪胎傳動的混合機結構如下圖2所示，該型混合機主要由傳動裝置、主動輪胎組、被動輪胎組、進料設備、排料設備、筒體和灑水裝置等構成[12]。

圖2　橡膠輪胎摩擦傳動的混合機結構簡圖

由圖2可以看出，輪胎組既是支撐的受力構件，又是啟動裝置。在啟動過程中，因筒體料重約100多噸，這將必然使輪胎組與滾圈間傳動打滑，產生磨損。支撐方式采用對稱布置，由于兩側受力差異較大，主動側輪胎的磨損更加嚴重，致使超3 m以上的混合機很少有應用橡膠輪胎傳動的形式，所以在大型混合機中的振動就更加嚴重。

文獻[13]指出國內的橡膠材料不能滿足摩擦要求，主要是由于國內橡膠材料不能傳遞大扭矩，因此對于大型混合機而言，這種傳動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。這是本文重點提出的由輪胎非對稱支撐、筒體主動的混合機新結構，輪胎組僅起支撐傳動作用，由銷齒傳動驅動筒體，該設計可以實現綠色節(jié)能生產，同時明顯改善筒體的振動情況。

2　新型圓筒混合機的結構分析

新型圓筒混合機的概念，是在針對現行混合機使用中存在的問題，逐條分析其產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。

該混合機的結構如圖3所示。主要設備由機架、軸承座、輪胎組、液壓馬達或電機組、小齒輪、銷輪和筒體等構成。銷輪的固定采用焊接結構，直接焊接在混合機的筒體上，可以根據設備大小靈活調整，可采用單排或雙排銷齒傳動。筒體由4個液壓馬達兩點嚙合的方式驅動，即在主動側和被動側分別安置2個液壓馬達，液壓馬達通過小齒輪驅動筒體上的銷輪，從而使筒體回轉。中間取消了聯軸器，減速器等環(huán)節(jié)，從而降低了設備的故障率，其中根據用戶要求可選配電機減速機的傳動形式。

整個設備由多組輪胎支撐，輪胎采用具有高耐磨性能的實芯橡膠，具有良好的吸振效果。由于工藝要求，混合機內的物料產生偏心落料，設備在正常工況物料偏向一側，導致兩側輪胎組受力不均，計算和仿真表明，兩側受力約差1倍，因此在軸向方向上兩側的輪胎個數必然不一樣。如圖3 b)所示，為了使兩側輪胎總受力差距減小，輪胎布置由傳統(tǒng)的對稱布置即 α=β，經計算改進為α≠β(具體角度根據設備規(guī)格確定)。由于采用橡膠輪胎支撐，取消了金屬托輥滾圈，降低了設備重量，且橡膠輪胎相比托輥具有較強的吸振效果，從而能有效地降低設備的振動，提高整體設備的壽命。

(a) 主視圖

(b) 側視圖

與一般類型混合機的傳動方式不同，新型圓筒混合機采用銷齒傳動的方式來驅動混合機的筒體轉動。銷齒傳動屬于齒輪傳動的一種特殊形式，如圖4所示。其中具有圓銷齒的大齒輪稱之為銷輪，而另一個具有一般齒輪齒形的小齒輪仍稱之為齒輪。在該型混合機中，小齒輪采用本文作者設計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勻速齒銷齒傳動結構簡圖

銷齒傳動有外嚙合、內嚙合和齒條嚙合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、周擺線和漸開線等。如果以銷輪作為主動輪，齒輪的輪齒齒頂先進入嚙合，將會降低其傳動效率，故很少用，使用時一般以齒輪作為主動輪。

由于銷輪的輪齒是圓銷形，具有結構簡單、加工容易、拆修方便的優(yōu)點，故以銷輪代替尺寸較大的齒輪時，將具有很大的經濟性。特別是個別銷齒破壞時，只需個別替換即可。銷齒傳動適用于低速、重載的機械傳動和粉塵多、潤滑條件差等工作環(huán)境較惡劣的場合中。

3　新型圓筒混合機的優(yōu)點

新型圓筒混合機采用了多項新技術，其結構變動大，與傳統(tǒng)混合機相比，具有以下特點：

1) 筒體驅動方式的調整。將常用的齒輪傳動改為銷齒液壓馬達傳動，液壓馬達不但體積小，而且傳動效率和控制精度很高，能通過液壓控制系統(tǒng)實現筒體由零轉啟動，經無級調速到需要的轉速，能滿足混合機正常工作時不同的轉速要求，又能滿足混合機在安裝、調試、維修時的低轉速要求，而且能根據混合工藝要求實現無極調速，可獲得筒體內物料的最佳混合狀態(tài)?？紤]到液壓系統(tǒng)的制作成本昂貴，也可采用電機減速機傳動系統(tǒng)方式。

2) 傳動系統(tǒng)的結構調整。原有系統(tǒng)采用齒輪齒圈傳動的形式，傳動效率低，傳動精度也不夠，在設備運行過程中經常導致沖擊振動，既損壞設備又降低混合效果。新型混合機采用銷齒傳動方式，將混合機筒體上的大齒圈改為焊接銷輪，首先降低了設備重量以及加工難度，節(jié)省設備投資，另外一個顯著優(yōu)勢是，驅動銷輪運轉的小齒輪，其齒形不同于常規(guī)齒輪，其齒形采用可實現銷輪勻速轉動的勻速齒形方程構造的齒輪。該齒形是筆者所在課題組多年研究成果之一，已成功應用于帶式燒結機的傳動系統(tǒng)當中，能夠實現驅動目標高效、平穩(wěn)的勻速運動，且效果良好。

3) 混合機筒體支撐方式的調整。筒體采用橡膠輪胎支撐。目前直徑超過3 m的混合機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備上加工，且其制造周期長，也制約了生產周期。而托輥在運行過程中又不能吸收筒體產生的振動，然而采用輪胎支撐形式則可以避免這些問題。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，使整體設備的運行平穩(wěn)。

4) 橡膠輪胎的布局形式。輪胎在筒體兩側的布置形式并不是一般所用的對稱布置，而是在經過筒體運轉受力分析之后確定的，考慮到筒體和物料在運轉過程中的重心偏移這一特點，依據力學分析結論，在筒體周向上，采用非對稱布置方式，并且由于主動、被動側的受力大小不同，在軸向兩側的輪胎個數亦不相同，在重心偏向的一側增加輪胎數量，從而使得筒體兩側的輪胎都能達到一致的工作狀態(tài)，避免輪胎的局部磨損，最終能使輪胎的使用達到最佳效果；最后需要說明的是，與以往曾出現的輪胎傳動形式不同，研制的結構中輪胎僅起一個支撐作用，不負責筒體驅動，所以輪胎只支撐和轉動，不打滑且減少了磨損，延長了使用壽命。

5) 由銷輪替代大齒圈。銷輪主要由圓柱銷構成，加工和運輸費用低。而且一旦出現個別銷損壞，只需更換受損柱銷，避免了大齒圈損壞后必須整體換掉的問題，明顯降低了設備的維護費用。

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

7) 傳動采用兩點嚙合，其優(yōu)點在于使傳動設備小型化，兩點分散驅動，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，降低了轉動能量的消耗。以某廠規(guī)格Ⅰ(Φ 3.6×13.5 m)、規(guī)格Ⅱ(Φ 3.8×16 m)的混合機為例，如采用新型結構，其節(jié)能數據見表1，由表中數據可知，混合機規(guī)格越大，其節(jié)能效果越明顯。

表1　兩種混合機重量和耗能的對比

4　結束語

通過分析國內現行圓筒混合機的結構特點，指出了其存在的傳動效率低、振動大、混合效果差等不足之處。針對這些問題深入分析，尋找對策，提出了橡膠輪胎支撐液壓馬達銷齒傳動的新型圓筒混合機，分析了新型圓筒混合機相對于現有混合機的結構優(yōu)勢所在。通過對比分析可以看出，新型混合機具有節(jié)能、減振兩大發(fā)展優(yōu)勢。

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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

河北省自然科學基金資助項目(E2014203261)，燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心開放課題資助(NECSR-201309)

聯系人：任素波，博士，副教授，河北.秦皇島(066004)，燕山大學機械工程學院；2016-1-5