Φ3×11M水泥磨总体设计及传动部件设计

0、引言

    在Φ3×11m磨机传动部分的设计中；拟订传动方案、绘制运动简图是进行装配图设计必不可少的

一般工作机器通常是由原动机、传动装置和工作装置三个基本职能部分组成。传动装置传送原动机的动力、变换其运动，以实现工作装置预定的工作要求，它是机器的主要组成部分。实践证明，传动装置的重量和成本通常在整台机器中占有很大的比重；机器的工作性能和运转费用在很大程度上也取决于传动装置的性能、质量及设计布局的合理性。由此可见，在机器设计中合理拟订传动方案具有重要意义。

    在Φ3×11m磨机传动部分的设计中；拟订传动方案、绘制运动简图是进行装配图设计必不可少的、极为重要的依据。传动装置包含很多机件。这些机件的材料和具体的结构、尺寸并不能从运动简图中反映出来，而必须通过强度或刚度等计算和结构设计来确定。组成传动装置的各机件，并非彼此孤立，而是互相关联和制约、有机的组织在一起。那么，首先应该选择哪些机件进行强度、刚度等计算和结构设计呢？正确的回答应该是“由主到次、由粗到细”。本次磨机传动部分设计中，齿轮等传动件是影响和决定磨机运动特性的，是主要的；而其它机件只是为了支承它们，联结它们，使之具有确定位置和正常工作。因而，在设计次序上，前者应是主导和先行的，后者是从属的。

    实现工作装置预定的运动是拟订传动方案最基本的要求。但满足这个要求可以有不同的传动方式、不同的机构类型、不同的顺序和布局，以及在保证总传动比相同的前提下分配各级传动机构以不同的传动比来实现的许多方案。这就需要将各种传动方案加以比较分析，根据具体情况择优选定。合理的传动方案应满足机器预定的功能外，还要求结构简单、尺寸紧凑、工作可靠、制造方便、成本低廉、传动效率高和使用维护方便。

    磨机传动或磨机传动装置就是将电动机的动力通过一系列的装置传递到磨机上，使其传动的装置。磨机传动装置设计是否正确，制造质量如何，安装、检修和维护的好坏，对磨机的正常运转和电能消耗都有极大的影响。特别是随着磨机的大型化，它需要的动力越来越大，就显得更为重要。

    目前，我国已能自行设计和制造磨机传动用的2800Kw较大型的减速器，1250Kw以下的已经受到长期运转的考验。现在，有关部门正集中力量进行研制功率更大的磨用齿轮减速器，可望在不久的将来，我国自制的磨用较大型的减速器即将投入运行。这者就为我国发展技术更先进、规格更大的磨机奠定了基础。同时，我们还对边缘双传动装置进行了试验研究，技术问题以获解决。据悉，我国已能生产直径为8m的滚齿机。这样，我国制造带有精度较高的边缘双传动装置的大型磨机已不成问题。

传动装置的工作性能和成本直接影响着所配磨机的性能和成本，有的甚至起决定性的作用。

    由上述可见，传动装置在整台磨机中占有十分重要的位置。如果说筒式磨机在近20年有很大发展的话，那么最突出的还是表现在传动装置上。这也是技术难度最大，人们花费精力最多的一个环节，世界各国都在这方面下了很大工夫。因此，在设计磨机时，应根据它的特点，精力选择传动系统，因地制宜的确定传动方式。磨机传动方式之多是难以尽举的，如果再考虑减速器的具体结构，那就更为多种多样。磨机传动方式之所以如此之多，它们都是根据各地的具体情况和磨机的特点而产生的。因此，若能正确的选择一种合理的传动方式，首先必须磨机传动的特点，精心选择传动装置中的每一个零件。

    拖动磨机电动机的动力最后通过一个固定在筒体或端盖周边上的大齿圈传递道磨体上使其回转的传动，叫“边缘传动”，而本作者所设计的磨机的传动部分的传动方式就是边缘传动。边缘传动目前有两种方式，即边缘单传动和边缘双传动。功率在1000 kw左右也有不少采用了边缘双传动。功率在2000kw以上的磨机，采用边缘双传动较多。但是，在国外功率为4000kw左右的磨机也多采用边缘单传动。我国江西永平铜矿从加拿大A-C公司引进的Φ5.03×6.04m球磨机，功率为2650kw。采用边缘单传动，运转时的噪音比中心传动还小。这是我国目前最大的边缘单传动磨机。淮海水泥厂从罗马尼亚引进的Φ4.2×11m水泥磨，功率为2×2000kw=4000kw，多年运转。效果良好。这是当前我国使用最大的边缘双传动磨机。

1、Φ3×11磨机传动部分设计

1.1 磨机传动装置

    磨机传动的分类是一个比较复杂的问题。特别是由于我国小水泥的发展，使磨机传动装置出现了更多的种类，给更详尽的分类带来了一定地难度。尽管如此，为了对传动装置有个明确和系统的认识，我们还是可以按照是否使用齿轮将磨机主传动装置分为两大类。在每大类中又可分为若干种传动方式，详列如下：

          磨机传动

1.2 磨机传动的特点

    筒式磨机是一种重载、低速、恒速、长期满载连续运转的粉磨机械。从重载来讲，当前水泥工业中采用的磨机的动力从55~140000KW；从低速来说，对于直径Φ1.2~Φ7m的磨机，它们的工作转速当初只有30~11r/min左右。电动机除了应用低速同步电机以外。大多数是在600~1000r/min上下。这样，传动系统的减速比就等于30~70之间。从恒速来说，这一点对传动设计是有利的。从满载长期连续运转来说，给磨机传动装置的设计提出了更高的要求。

1.3 传动方式的比较

    小型磨机都采用边缘传动，但随着磨机规格向大发展，出现了以大速比减速器为重要环节的中心单传动传动方式。这种传动方式，如果减速器可靠，它具有传动效率高、维护量小、比较容易实现长期连续安全运转的优点，因而受到了使用厂的欢迎。由于机械工业的发展，现在已能加工出精度较高，质量较好的大小齿轮，再加上润滑技术的改进，因而也能保证磨机长期连续安全运转。另外，有些磨机为了满足工艺上的要求，则非采用边缘传动不可，如风扫磨就是如此。无齿轮传动是在磨机急速向大型化发展，机械工业一时跟不上这种要求下出现的。由于它的造价昂贵、技术复杂，又不宜用于功率小于4000KW的磨机传动上 ，所以在国外一段时间内曾得到应用，但是应用不多，而在国内还没有应用。

     总的来说，当前应用最广的还是边缘传动和中心传动，在大型磨机上，无齿轮传动发展也比较快。可见，当前磨机传动方式主要只有三种，且它们都在发展之中，还看不出哪种占有绝对优势。可将它们概括地进行比较。齿轮传动与无齿轮传动的比较列于表中。

1. 4 电动机的选型

    磨机都是由电动机来拖动的。所以，要想合理地设计好一台磨机的传动装置，就必须了解与电机拖动有关的知识，将电气与机械进行综合考虑，方能如愿以偿。

（一）磨机的负载特性

第一，磨机的工作转速恒定是能够满足操作要求的，因此，一般来说对电动机不要求调速。只有近代出现的无齿轮直接传动装置，它本身具有调速的功能，人们才顺势用之优势。

第二，前已述及，磨机是水泥厂中的最大的用电设备。

第三，磨机除了在启动和停车时载荷稍有摆动外，在正常运转中载荷是基本稳定的。

第四，磨机是重载起动设备。

    在起动时，电动机的起动转矩必须大于或等于磨机的起动静转矩与加速转矩之和。

    磨机起动时的静转矩与磨机规格、筒体内的研磨体的位置、传动方式、轴承润滑情况以及安装准确度等等因数有关。因此，对不同的球磨机，在不同条件下起动，其起动的静阻力矩是不同的。

    在20多年前，曾有人提出电动机的起动静阻力矩要高于额定力矩的1.75～2.5倍。因此磨机必须配置高起动转矩的电动机。这不仅限制了电机的通用性，而且还会使传动装置，特别是其中的减速器的尺寸及材料消耗增加，造价也会升高。例如，供磨机传动用的大型专用TDQ系列交流三相同步电机就是为此而设计的。大量的资料和实验表明，磨机在起动时的初瞬间其静阻力矩并不大，比额定转矩或正常运转时的负载转矩M还要小，只有随着转速的升高，大约在磨机筒体转过60度左右才出现一个最大转矩。这个最大转矩亦不大于正常运转的负载转矩的1.5倍。可见，起动转矩为1.1～1.5倍的负载转矩M是足够的，可以作为设计的依据。这就使许多技术问题易于解决，同时也可减少许多人力物力的浪费。

（二）对电力拖动的要求

    了解了磨机的负载特性以后，就可对磨机的电力拖动提出正确的要求。

1.电动机

    电动机在能够提供磨机所必需的起动转矩和正常运转转矩的前提下，其标称容量应为磨机实际需要功率的1.0～1.2倍，对大型传动装置来说，有1.0～1.2倍，对大型传动装置来说，有1.0～1.2倍就足够用而不应过大。另外，还应保证其负荷率起码在90%以上。这样才能保证电动机经常处在近乎满载状态下运转，充分发挥设备的能力。以前由于对磨机负载特性认识的差异，往往选用过大的电动机，意在以大容量补起动。这样一来，不仅会增大初次投资而且会使电机效率降低，浪费电力。这种浪费是经常的、长期的，因而应尽量避免。当然，计算出来的需要功率，由于电动机系列档次的限制，往往不能恰如其量选到，但要尽量接近。

2.起动要求

    由于磨用电动机的容量一般很大，所以对其起动电流必须加以限制，应以不会显著影响供电电网的电压降为原则。否则，由于电动机的起动电流过大，势必造成电网电压瞬间的大幅度降低，导致其它设备的电机失压，照明灯的闪烁或熄灭，甚至有时造成停机事故。尤其是对于容量不大的电网，则更需加倍注意。限制起动电流的主要途径就是选用恰当的电动机的类型，采用合适的起动方式。

3.电动机的功率因数

    功率因数的高低是体现工厂用电经济性的一个主要指标，而磨机功率因数

电动机的功率因数在全厂电力系统的中是起主导作用的。功率因数低，就意味着大量的无功电流在网络上往返，浪费电能。

（三）电动机的选定

磨机拖动用的电动机，主要有以下三大类：

（1）异步电动机

（2）同步电动机

（3）感应同步电动机

1.异步电动机

    磨机拖动用的异步电动机有鼠笼型和绕线型两种。

    鼠笼型异步电动机的起动电流很大；起动时间较短；功率因数很低；起动转矩也不高；对电网容量要求较严，所以一般很少应用。

    绕线型异步电动机是我国应用磨机拖动比较广泛的一种电动机。

2.同步电动机

    同步电动机可以在超前的功率下运行，所以可用它来改善全厂的功率因数。

    目前，我国磨机传动用的同步电动机主要有以下两种：一是普通低起动转矩同步电动机，即TD系列三相同步电动机；二是大型低速高转矩磨机专用同步电动机，即TDQ系列磨机专用大型三相交流电动机。

3.感应同步电动机

    异步电动机具有良好的起动特性，即起动转矩大，而起动电流却很小；而同步电动机有良好的运转特性，即功率因数高。cos=0.9超前，提高用点系统的经济性。

    综上所述，电动机的选定是一项十分重要而复杂的工作，一定要根据各地的具体情况，进行仔细的研究，反复对比。除了掌握拖动装置的基本特点以外，还必须考虑以下几个问题：

1）对初次投资和运转费用两者必须统筹兼顾，切不可顾此失彼。

2）应全面考虑水泥厂中其它设备电动机的型式，即全厂电源网路的功率因数情况。

3）在选择电动机的电压时，必须照顾到水泥厂做在地区电网的变电电压及其容量的大小。

4）电动机的选型应与磨机机械传动方案统一评定，一定要考虑磨机减速机构的机械制造条件。

1.5 传动方式的确定

    上面我们研究了磨机传动的特点，对各种传动方式又进行了概略的比较，讨论了电动机的选型问题。在这个基础上，就可以比较合理地确定磨机的传动方式。在确定磨机的传动方式时，必须根据具体情况进行多方案的比较，最后确定一种合理可靠的传动方式。

    从我国的实际情况出发，提出以下几点建议：

1.功率在800KW以下的磨机，主要考虑初始费用的高低，以选边缘单传动为宜。

2.功率在800～1250KW的磨机，主要应考虑维护的繁简和制造能力的条件，以选用绕线型异步电动机拖动的边缘单传动或中心传动为宜。

3.功率在1250～2500KW的磨机，耗电量已占相当比例，应兼顾初始费用和电耗两个主要因素，一般可选用边缘双传动装置。

4.功率在2500KW以上的磨机，应考虑电耗为主，尽量选用传动效率高的传动装置。当然，也要顾及国情。

5.功率在800KW以上的磨机最好选用带辅助传动装置的各种磨机传动方式。

1.6 磨机速比的确定

    传动装置的设计是在磨机传动功率和磨机转速已定的条件下进行的。在相同条件下，转速越高的电机，其造价就越低。故可预先选择几种不同的电动机作为基数，然后再进行单项方案比较。最后将电动机的转速确定下来。于是转动装置的总速比就可以按下式进行计算：

                i = nd / nm

式中     nd——电动机的转速，r/min

          nm ——磨机的转速，r/min

    对于只有大小齿轮的传动系统，这个总速比就是大小齿轮的速比iz,即i=iz；对于带有减速器的传动系统来说，则总速比可用下式表示，即：

式中  iq——减速器的速比，对于带三角皮带轮的传动系统，它就是三角皮带传动的速比；

        iz——大小齿轮的速比。

因为在相同条件下，减速器的造价与其速比iq成正比而与大齿圈的造价成反比，如图所示，在它们之间有一个最经济之点，这就是这两条曲线的交点A。