风水冷却式回转窑，广泛用作水泥、镁砂和石灰石等块状和粉状材料的锻烧。其特点是窑头处筒体采用可以喷入风水混合物的冷却筒和用集料包围窑头法兰以达到冷却筒体、防止筒体和法兰被烧坏的目的。此风水冷却式回转窑具有结构简单合理、成本低、耐高温、寿命长等特点。
1回转体设计
1.1回转体说明部分
1.1.1由L/D=48/3=16.查《建材机械与设备》下册P67表18-5可知支点权取3. 1.1.2支点位置的确定 据《建材机械与设备》下册P67
窑头悬伸段 τ 1 /D≤1.5 τ1 ≤1.5D≤1.5×3≤4.5m 窑尾悬伸段 τ 2 /D≈3 τ2 ≈3D≈3×3≈9m
烧成带 τ 3 /D=4.5～5.5 τ3 =(4.5～5.5)D=13.5～16.5m 参照同规格、同类型的窑 取 τ 1 =3.5m τ2 =7.5m τ3 =18.5m 1.1.3筒体钢板厚度的确定
据《建材机械与设备》下册P65图18-54 轮带下筒体厚 δ 1 =0.015D=0.045m 过度段筒体厚 δ 2 =0.01D=0.03m 烧成跨跨间筒体厚 δ 3 =0.007D=0.021m 普通跨间筒体厚 δ 4 =0.006D=0.018m
参照同规格、同类型的窑 取 δ 1 =40mm δ2 =25mm δ3 =δ4 =22mm 1.1.4筒体材质的选择 采用A 3 钢卷焊而成. 1.1.5钢板宽度和长度的选择
据《建材机械手册》第一卷P3-84表3-1-43.选四种不同宽度的钢板:B 1 =2.5m B2
1
=2m B 3 =1.5m B4 4=1m
由筒体周长s=πD=3.14×3=9.42m,每节筒体用两块长5m的钢板卷焊而成. 1.1.6钢板的排列如图:
1.1.7垫板 焊接在筒体上 尺寸取宽B′=200mm,厚δ′=40mm,长1300mm或1100mm,垫板间距200～400mm.
1.1.8筒体的结构
筒体上没有挡砖圈,取样孔,档水圈,窑口护板,风冷套等各种附件.筒体为直筒式,在窑尾做成锥形收口,以防回料.
2 筒体的计算
2.1载荷的计算
画载荷图,参考教材《建材机械与设备》下册P70例18-1 取 大齿圈重P4=120KN,窑尾集中载荷P5=50KN.
另 q 1 =72.2KN/m,q2 =97.5KN/m,q3 =86KN/m,q4 =50.8KN/m,q5 =50.8KN/m
2
2.2支点弯矩的计算
① 支点Ⅰ的弯矩可由摇头悬伸段求出:
=-q τ (τ /2+τ )-½q τ2 =-72.2×3.0×(3.0/2+0.5)-97.5×MⅠ 1 1 1 2 22 2 /2=-445.3(KN·m) 0.5
② 支点Ⅲ的弯矩可由窑尾悬伸段求出:
=-½q τ2 -p τ =-½×50.8×7.52 -50×7.5=-1804(KN·m) MⅢ 5 5 5 5 ③ 支点Ⅱ的弯矩由简化后的三弯矩方程式求出：
=(-6Bф -6Aф -τ3M -τ4M )/2(τ +τ ) MⅡ 1 1 Ⅰ Ⅲ 3 4
3 ={-6×q 3 /24×τ3 -6×[P4 ×(18.5-3)×3×(18.5+3)÷6τ4 ]-τ3 MⅠ -τ4 }/2(τ +τ ) MⅢ 3 4
3 -6[50.8/24×18.53 +120×15.5×3×21.5÷(6×={-¼×86×18.5 18.5)]-18.5×(-445.3)-18.5×(-1804)}/2×(18.5+18.5）=-2452（KN·m）
2.3支反力的计算 ① 支点Ⅰ的反力
R Ⅰ¸0 =q1 τ1 +q2 τ2 =72.2×3+97.5×0.5=265.35(KN) ¸ 可由τ 跨（Ⅰ-Ⅱ跨）求得，对静定基础上的Ⅱ点取矩。 RⅠ Ⅰ 3 ¸ ×18.5+M -q ×18.52 /2-M =0 RⅠ Ⅰ Ⅰ 3 Ⅱ ¸ =(-2452+445.3+86×18.52 /2)/18.5=687(KN) RⅠ Ⅰ =R ‚ +R ‚ =265.35+687=952.35 由此RⅠ Ⅰ0 Ⅰ Ⅰ
3
,R . 根据同样的道理，可求得RⅡ Ⅲ
‚ =1/18.5(2452-445+86×½×18.5)=904(KN) ② RⅡ Ⅰ ‚ ×18.5+M -50.8×½×18.52 -120×3-M =0 RⅡ Ⅱ Ⅱ Ⅲ ‚ =M -M +360+8693=524.4(KN) RⅡ Ⅱ Ⅲ Ⅱ =R ‚ + R ‚ RⅡ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅱ
‚ =(M -M +50.8×½×18.5²+120×15.5)/18.5=535.4(KN) ③ RⅢ Ⅱ Ⅱ Ⅲ ‚ =50+7.5×50.8=431(KN) RⅢ Ⅲ
=R ‚ +R ‚ =535.44+431=966.4(KN) RⅢ Ⅲ Ⅱ Ⅲ Ⅲ 2.4求跨中最大弯矩
① 求Ⅰ-Ⅱ跨的跨中最大弯矩 设该跨最大弯矩离支点Ⅰ为x 1 (m) ‚ =R ‚ •x -q •x2 /2+M Mx1 x2 Ⅰ Ⅰ 1 3 1 Ⅰ ‚ 为最大时，其一阶导数为零. 当Mx1 x2 ‚ =R ‚ -q x =0 MˊⅠ x2 Ⅰ Ⅰ 3 1 x 1 =RⅠ ‚Ⅰ /q3 =687/86=7.98(m)
M 1 ‚ 7.98 =687×7.98-½×86×7.98²-445.3=2298(KN·m) ② 求Ⅱ-Ⅲ跨的跨中最大弯矩
同理 x 2 = RⅡ ‚Ⅱ /q4 =524.4/50.8=10.32
‚ 10.32 =524.4×10.32-2452-50.8×½×10.322 =254.6(KＮ·m) MⅡ
4
将各支点弯矩，支点反力，跨中最大弯矩汇总列列表：
支点反力Rn(KN) 支点弯矩 支点号 (KN·m) Rn,n Rn 265.35 Ⅰ -445.3 687 952.35 524.Ⅱ Ⅲ -2452 -1804 904 4 535.4 431 966.4 1428.4 Rn,n-1 跨内危险断面距 跨中最大弯矩 与支点座距离(m) (KN·m) 7.98 2298 10.32 254.6
有上表可知，Ⅰ，Ⅲ支反力相近，Ⅱ点支反力最大。支点最大弯矩S跨中最大弯矩接近。因此在设计托轮装置时，可将Ⅰ，Ⅲ档托轮设计成相同尺寸，中档托轮设计成较大尺寸。
⑤ 校核简体强度
由于支点处钢板比基体钢板厚，故仅验算跨中最大弯矩。
在Ⅰ-Ⅱ跨，钢板厚22mm,该跨处于烧成带，该简体最高温度为350℃． 由《建材机械与设备》下册P69式（18-9）P70表18-7 K T =½×（0.75+0.71）=0.73
σ=Ｍax/ＷＫ T ＫS =(2298×1000×100)/(π/4)×300²×2.2×0.73×0.85=2383(N/㎝²)
其中W=π/4Ｄ2 1 δ,ＫS 取0.85均由《建材机械与设备》下册P69查得: [σ]=2000～2700(N/㎝²) 故筒体安全.
筒体的弯矩图和剪力图如下:
5
3 轮带的设计
据《建材机械与设备》下册P47 P48 轮带的断面形式采取实心矩形.轮带材质选用ZG45Ⅱ,HB=160～190.采用活装.
3.1轮带尺寸的确定
由《建材机械也设备》下册P73表18-8
轮带直径Ｄ 1 =(1.19～1.25)Ｄ=(1.19～1.25)×3=3.57～3.75(m) 取Ｄ 1 =3.7m
由轮带下筒体钢板厚40mm,垫板厚40mm,轮带与垫板预留间隙6mm,则轮带的截面高H为 H=[3.7-3.0-2×(0.04+0.04-0.006)]÷2=0.264(m)
轮带的平均直径
=Ｄ -Ｈ=3.7-0.264=3.436(m) Ｄ1c 1
5 由《建材机械与设备》下册P74式(18-15)和表(18-9),取E=2×10 MPa,[Po]=400MPa,Q i =1.1ＲⅡ =1.1×1428.4=1571KN i=3.5 得轮带宽度:
5 -3Ｂ 1 =[0.202Qi E(i+1)]/[Po]²Ｄ1 =[0.202×1571×10 ×2×10×(3.5+1)]/(4
×10²)²×3.7=0.482(m)
=0.55m 参照同类产品 Ｂr1
3.2弯曲应力和温度应力校核
在支承处弯曲应力最大,弯曲应力σ据《建材机械与设备》下册P75
-3内缘σ150°210°=0.086Q i Ｒ1c /Ｗx =(0.086×1571×10 ×2/3.436)/(6.4×10-3 )=36(MPa)
外缘σ150°210°=-0.08Q i Ｒ1c /W=-36(MPa) 弯曲应力合格([σ]=80MPa)
-3其中W=B r H²/6=0.55×0.264²/6=6.4×10 (m³)
温度应力查《建材机械与设备》下册P75 取 E=2×1011 Pa
α=12×10-6 1/℃ ＴB-ＴH=30℃ Ｒ1 =Ｄ1/2=1.85m Ｒ2 =Ｄ1c/2=1.718m =[E (Ｔ -Ｔ )]/3·[(Ｒ +2Ｒ )/(Ｒ +Ｒ )] 由式(18-16) σ外 α B H 1 2 1 2
6
9 ×12×10-6)×30/3(1.85+1.718×2)/(1.85+1.718) =(200×10 =36(MPa)
=-E (Ｔ -Ｔ )/3×[(2Ｒ +Ｒ )/(Ｒ +Ｒ )] σ内 α B H 1 2 1 2 9 ×12×10-6)×30/3×(1.85×2+1.718)/(1.85+1.718) =(-200×10 =-36(MPa)
轮带弯曲应力与温度应力的合成 据《建材机械与设备》下册P75 式(18-17) -3外缘σ=(0.066Ｑ i Ｒ1c /Ｗ1 )+σ外 =[(0.066×1571×10 ×1.718)/6.4×10-3 ]+36
=64(MPa)
-3内缘σ=-(0.066Ｑ i Ｒ1c /Ｗ1 )+σ内 =-[(0.066×1571×10 ×1.718)/6.4×10-3 ]-36
=-64(MPa)
弯曲应力与温度应力的合成亦合格([σ}=80MPa) 3.3轮带的校核
据《建材机械与设备》下册P76 式(18-18) 垂直方向直径减小值和水平方向直径增大值为:
3 9 Δ 1 =0.039Ｑi Ｒ1c /EJ=(0.039×1571×10³×1.718³)/(200×10 ×83.3×10-5 )
=2×10-3 (m)
3 9 Δ 2 =0.0481Ｑi Ｒ1c /EJ=(0.0481×1571×10³×1.718³)/(200×10 ×83.3×10-5 )
=2.15×10-3 (m)
以上变形值没有超过许用的变形值
/1000=2×1.718/1000=3436×10-3(m) [Δ]=2Ｒ1c 轮带合适
-3-3-3轮带的椭圆度 ω=Δ 1 +Δ2 =2×10 +2.15×10 =4.15×10 (m)
7
=2/1000×3.436=6.872×10-2(m) ω<2/1000Ｄ1c 轮带刚度足够.
2传动装置的设计
2.1对传动装置的要求
2.1.1合理选择窑的减速系统.
2.1.2充分注意大速比大扭矩对零件的要求. 2.1.3选择启动转矩大的电动机.
2.1.4应设有辅助传动装置并单独配备一套电源或内燃机拖动,在主辅减速器间设有离合器.
2.1.5回转的转速能相应变化,且平滑无极变速. 2.1.6设置制动器.
2.2传动方式
据《建材机械与设备》下册P56 参照同类产品,本设计采取半传动类的减速器传动方式,这种方式较其他传动传动比较稳定.
2.3计算传动功率
2.3.1据《建材机械与设备》P85 公式 (18-54) P83表18-12,P34表18-3 主传动功率(窑所需功率) 2.5N e =kc (D-2δ) ln
其中D=3m δ=0.18m l=48m n=3.108r/min kc=0.048 2.5N e =0.048×(3-2×0.18) ×48×3.108=81.5KW 配用电动机功率 P86 式(18-55) N=(1.15～1.35)×81.5=94～110(KW)
则本窑实际配用电动机功率为100KW,能满足生产要求.
2.3.2辅助传动电动机功率.《建材机械与设备》下册 P86 式 (18-56) N f =Kf Ne nf/n
其中N e =81.5KW Kf =2 nf/n=0.025～0.05 N f =2×81.5×(0.025～0.05)=4.075～8.15(KW)
8
取N f =6.5KW
2.3.3传动比的确定与减速器的选择 =ri /ri =1000/3.108=321.75 ① i总 电机 窑 由设计指导书P7表4-2 ② iＧ =6～8 取 iG=8 半传动长窑 iＧ =i ·i 得 ③ 由i总 减 Ｇ =i /i =321.75/8=40.22 i减 总 Ｇ
=40.22,n=1000r/min,N=100KW查由i减《机械设计手册》第三卷P16-47表16-1-36 选择ZSY315型减速器i=40 n=1000r/min,P=108KW
由《建材机械与设备》下册 P55 辅助传动转速 =2～9r/h=0.03～0.15r/min 取 n =0.15r/min n辅 辅 小齿轮转速n 1 =0.15×8=1.2r/min =i ·n =40×1.2=48r/min n电 减 1
查《机械设计手册》第5卷 P23-71表23-1-58选YTC752型电动机 =70KW n =48r/min N辅 电
2.4大小齿轮的设计
2.4.1材质的选择
由于回转窑的大小齿轮在低转速,大功率,多粉尘,温度高的条件下工作,因此,对大小齿轮的要求比一般传动机构中齿轮要求高大齿轮采用ZG45Ⅱ,正火处理HB=163～187,小齿轮采用锻钢50﹟,调质处理,其齿面硬度比大齿轮高(40～70)HB,大齿轮齿数取偶数一般为90～150,小齿轮齿数取奇数,一般为18～26,大小齿轮传比动控制在i=5～7.5,最高i=8～9.<见《建材机械与设备》下册P57>
2.4.2确定齿数、模数、分度圆直径(Ｚ 1 、Ｚ2 、m、df) ① 由设计指导书P8 D=3<3.5,df=(1.6～1.8)D 取df=1.7D=5.1m
② 选取小齿轮齿数 Ｚ 1 =19
9
③ 大齿轮的齿数 Ｚ 2 Ｚ 2 =Ｚ1 ·iＧ =19×8.11=154 取Ｚ 2 =154,实际传动比 =Ｚ /Ｚ =154/19=8.11 iＧ 2 1 ④ 确定模数m
=df/Ｚ 2 =5.1×10³/154=33.11 查取标准值 m=32
《机械原理与机械零件》P60表5.2 ⑤ 分度圆直径
d 1 =mＺ1 =32×19=608（mm） d 2 =mＺ2 =32×154=4928（mm） 2.4.3确定齿圈的宽度
11 2 大齿圈宽度 Ｂ 2 ≥[4.46×10 ×Nηkj kd（iＧ +1）]/d2 ·n·[σj ]² 式中N-窑的功率 N=81.5KW，裁荷集中系数 k j =1.05～1.1取kj =1.075，动载荷系数kd=1.1， 传动效率η据设计指导书P6表4-1取η=0.98，[σ]许用接触应力 设计说明书[σ]=420MPa
11Ｂ （8.11+1）]/（4928²×3.108×4202 ≥[4.46×10 ×81.5×0.98×1.075×1.1ײ）=311（mm）
取 Ｂ 2 =320mm
小齿圈宽度 据设计指导书P9 Ｂ 1 =Ｂ2 +（40-60）
取 Ｂ 1 =Ｂ2 +40=360mm，小齿轮采用正变位ψ=0.4，大齿轮不变位。 2.4.4齿轮齿圈的弯曲强度校核
查《机械零件》P160式（8-7） P167式（8-16）
σ F =2ＫＴ1 /bmd1 ＹF ＹS ≤[σ]F =σF lim/ＳF lim =310/1.00=310MPa [σ] =450/1.00=450MPa ① [σ]F1 F2
10
σ Flim 大齿圈为310MPa 小齿轮为450MPa Ｓ F 均取1.00 ② 齿型系数Ｙ F 查《机械零件》P158图8-13 由Ｚ 1 =19 X1 =0.4 取ＹF1 =2.28 Ｚ 2 =154 Ｘ2 =0 取ＹF =2.15
③ 应力修正系数 查《机械零件》P159图8-14 =1.73 Ｚ =19 Ｘ =0.4 ＹS1 1 1 Ｙ S2 =1.84 Ｚ2 =154 Ｘ2 =0 ④ 扭矩
4 Ｔ 1 =9550Ｎ／n1 =81.5/25×9550=3.11×10 N·m ⑤ 载数系数K
据《机械零件》P152式(8-3) Ｋ=Ｋ A ＫV ＫB
式中:Ｋ A —使用系数 查《机械零件》P152表8-5 ＫA =1.25
Ｋ V —动载系数 查《机械零件》P153图8-7 设计指导书P9 取ＫV =1.1 Ｋ B —齿面载荷分布系数 查《机械零件》P155表8-6
2 -3非对称支承 Ｋ B =1.23+0.36×(b/d1 ) +0.61×10 b=1.81 Ｋ=Ｋ A ＫV ＫB =1.25×1.1×1.81=2.49
=2ＫＴ /b md Ｙ Ｙ =(2×2.49×3.11×10ψ /360×32×608)因此σF1 1 1 1 F1 S1 ×2.28×1.73
=310MPa =93MPa<[σ]F1
=2ＫＴ /b md Ｙ Ｙ =(2×2.49×3.11×10ψ /360×32×928)×σF2 1 2 2 F2 S2 2.15×1.84
=450MPa =15MPa<[σ]F2
小齿轮和齿圈的弯曲强度合格.
11
3密封装置
3.1对密封装置的要求
3.1.1良好的密封性能,使漏风量减少到最少. 3.1.2耐高温、耐磨损,使用寿命长. 3.1.3适应筒体各方面的运动和变形. 3.1.4结构简单,易于制造与维修. 3.1.5保证窑头易于拉开.
3.2窑尾密封结构原理
本次设计密封装置采用径向接触式密封和轴向端面密封结合成的一种密封装置. 径向接触式密封通常在竖直方向与窑中心线倾斜3.5°,安装在窑的两侧,安装时要调好角度,尽量安装在摩擦圈一侧以利于平衡.当窑在转动时,会产生上窜下跳左右摇动的现象,这时由于吊装装置给窑一个水平方向的分力和一个垂直向下的拉力,从而减小窑的摆动,以达到径向密封的目的.吊装装置的安装见下图:
轴向接触式密封通过活动摩擦圈贴在料斗上随窑体一起转动,防止粉料流入固定摩擦圈.固定摩擦圈靠在活动摩擦圈上但不随窑体转动,两者之间要加润滑脂.石棉板通过压板压在固定摩擦圈上,这样当窑产生轴向伸长或缩短时,由于石棉的作用,都不易漏风,起到良好的密封效用.密封装置图如下:
12
固定摩擦圈直接与转动体接触,所以应采用比较耐磨的铸钢制造,密封垫板应采用耐垫耐磨的石棉制品或橡胶制品制成,料斗只要用Q235制成就可以了.
3.3窑尾易损件表:
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 名称 固定摩擦圈 活动摩擦圈 石棉板 螺栓 螺母 密口护板 料斗 套筒 法兰 材质 ZG270～500 HT150～320 石棉 Q235 Q235 ZG40Cr25Ui20 Q235 Q235 Q235 R 202 —0104 R 202 =0105 R 202 =0103 R 202 =0117 R 202 —0118 R 202 —0109 R 202 —0106 R 202 —0112 R 202 —0119
结 论
回转窖主要应用于大型工业生产中，它的安全性和使用的寿命一直被使用的公司关注，这次改进后高了回转窑的安全性和耐用性，大大的延长了它的使用寿命。
致 谢
本论文是在导师贾老师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在这三年的学习期间各位老师及同窗好友的关心和帮助，在此表示深深的感谢。
参考文献
1 《建材机械与设备》下册 张森林主编 武汉工业大学出版社 2 《材料力学》 高等教育出版社
3 《机械零件设计手册》 高等教育出版社 1994年6月
4 《机械设计手册》(1-5卷) 成大先主编 化学工业出版社 1994年4月 5 《机械零件》 郑志评主编 高等教育出版社 6 《机械原理与机械零件》 何元庚主编 高等教育出版社
13
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容