回转窑技术参数
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回转窑设备结构参数的设计与制造控制
陈和根，李晓平，仲跻松，储小虎，贲道林，贲道春
（江苏鹏飞集团股份有限公司 ）
(原载：江苏建材)
0 引言 中国回转窑从一开始依赖进口到国产化，再到大量出口国际市场， 如今已成为全球产销量最大、使用量最多的国家。回转窑相关标准规定了回转窑的制造安装要求， 但是符合标准要求的回转窑未必是完美的回转窑。要打造出高质量的回转窑，须深层次对设计、制造、安装进行控制，或提出更新更高要求， 这对实现建材机械制造强国的战略目标有着十分重要的意义。
1 钢板对接厚度1.1 过渡钢板
标准规定，不等厚钢板对接时，当两板厚度差大于薄板厚度的 30% 或超过 5 mm 时，应将厚板段节外壁加工成过渡圆锥面， 过渡圆锥面的宽度应
不小于两板厚度差的 5 倍 [1] 。其目的是避免对接厚度突变产生巨大的径向焊接应力。
根据筒体受力的有限元分析， 跨间筒体垂直弯曲应力为平滑过渡， 因此钢板厚度过渡以少量多次为宜。从经济合理性角度考虑，过渡厚度差应不超过厚板的 30% 。
1.2 轮带下垫板
标准规定，安装轮带处同一筒体小段节不同横截面上的最大直径与最小直径之差，不应大于筒体公称内径的 0.15% 。以 φ5 m 筒体为例，轮带下筒体同一横截面直径差最大允许为 7.5 mm ， 即垫板最大允许厚度差为 7.5 mm 。若该筒体垫板厚度差为 7.5 mm ，当需要更换等厚度的垫板时， 则新垫板的外圆柱面直径差为7.5 mm ，该档筒体的中心跳动量至少增加 3.25 mm 。因此，轮带下筒体直径差的控制应更改为垫板厚度差的控制，既能直接控制垫板厚度差，又能间接控制筒体直径差，达到双重控制的效果。垫板厚度差控制以不大于筒体公称内径的 0.075% 为宜。
2 齿轮参数2.1 滑动率差
开式齿轮传动装置如图 1 所示。目前回转窑齿轮采用不变位或大齿圈不变位小齿轮小变位等设计，滑动率差较大是导致回转窑齿轮早期失效的主
要原因之一。
从设计角度均衡滑动率，使滑动率差趋近于零，这是齿轮设计目标和总变位系数的分配原则。通过多组变位系数分配的滑动率计算数据进行对比，找到最佳的总变位系数分配方案，使滑动率差趋近于零 [2] 。采用计算机迭代设计进行变位系数分配更准确快速方便，可将滑动率差控制在 0.1‰ 以内。
2.2 齿厚偏差
齿厚偏差决定闭式齿轮的侧隙，对可调整中心距的开式齿轮意义不大。虽然 JB/T 8916 — 2017《回转窑》 行业标准规定大小齿轮的精度等级为 9-9-8HK ［ 3 ］ ，但各单位实际设计中的齿厚极限偏差多种多样。这些根据标准或设计手册选择的开式齿轮齿厚极限偏差与回转窑安装规范毫无关系，因而有必要改进以简化设计、制造、检验控制。
在控制和保证开式齿轮齿厚变动公差或公法线长度变动公差的前提下，可摆脱闭式齿轮齿厚极限偏差选择方法的束缚，不拘泥于闭式齿轮负值齿厚极限偏差选择，在中心距允许调整的范围内人为选择和适当放宽齿厚公差带。
2.3 重合度
大变位直齿轮重合度不到 1.2 ， 小变位直齿轮重合度可达到 1.5 以上，为提高齿轮的承载能力和运转平稳性，建议采用小变位。从使用和机加工两
方面考虑，大齿圈变位系数不大于 1 ，小齿轮变位系数不大于 0.5 ，总变位系数不大于 1.5 。这样既保证了重合度，又保证有齿厚的富余，而且不增加制造难度。
斜齿轮的重合度达 2.1 以上，可大幅度提高齿轮的承载能力、运转平稳性和齿轮寿命。目前在石灰行业使用的回转窑齿轮螺旋角已达 10 ° ，重合度
达 2.6 ，使用寿命较大变位齿轮成倍提高，这对回转窑设计人员应有所启发。
2.4 安装规范
由于齿轮顶圆直径基本尺寸、 齿顶圆圆度、齿顶圆直径公差、 精度等级及齿厚极限偏差的选择，滚切刀具尺寸、加工工艺等诸多原因导致原顶隙规
范对应的反映啮合关系的侧隙是不确定值，即符合原顶隙规范的齿轮啮合关系可能存在问题。而且大小齿轮两个顶隙（ c 1 和 c 2 ）存在不同的测量数值，如图 2 所示。因此原顶隙规范不合理，需重新制定安装规范。
建议采用明确数值范围的侧隙规范 （ 0.07~0.08 ） Mn+1.5 Mm [ 即（ 0.075 Mn +1.5±0.05 Mn) mm ，Mn 为模数 ] 作为齿轮安装规范。该规范能保证啮合质量，在齿轮啮合关系上不存在任何疑义，具有合理性、实用性和可操作性。侧隙规范中可调整范围 ±0.05 Mn mm 与模数和中心距直接或间接相关，符合齿轮标准制定的初衷，更有实际意义。
3 变形控制3.1 齿轮罩
焊接和运输变形是齿轮罩变形的重要原因。变形最大的危害体现在对密封的影响。运转的大齿圈一旦与静止的齿轮罩（特别是上半罩）发生接触或摩擦，漏油的几率大大增加。齿轮罩变形导致挡轮上下运行行程内大齿圈与齿轮罩干涉摩擦和漏油可能性增大；或者齿轮罩变形导致大齿圈轴向游动空间受限，窑体上下窜动达不到预定行程。齿轮罩如图 3 所示。
避免和减小齿轮罩变形的危害，主要从设计和制造两方面解决：
（ 1 ）借助标准焊接平台，采用反变形焊接法和热校正法都是防止和纠正焊接变形的有效方法。
（ 2 ）设计应考虑控制焊接变形的实际水平，其中窑体上下窜动的最大行程、焊接可能的最大变形量、最大变形下预留的大齿圈与齿轮罩安全距离，是齿轮罩宽度尺寸设计的重要依据。
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设计实例：挡轮上下窜动最大行程 L 1 为 ±25 mm（总行程 50 mm ），焊接和运输可能导致单面最大变形量 L 2 为 40 mm ， 极限变形状态下单面预留间隙L 3 为 20 mm ， 大齿圈到轮带中心筒体热膨胀量 L 4为 5 mm 。挡轮处于行程位置 ±0 时 （即基准挡轮带和托轮中心线吻合时）， 轴向单面游动间隙最小设计值L 为
L= |L 1 |+L 2 +L 3 =25+40+20=85 mm
大小齿轮冷态轴向中心线安装偏离量应与大齿圈到轮带中心筒体热膨胀量 L 4 一致。
3.2 大齿圈
大齿圈加工工艺是否可行，取决于加工过程中内部应力释放后的成品大齿圈圆度（特别是哈夫面结合处的圆度）是否符合要求。大齿圈制造过程中变形特征是哈夫面处向外扩张，哈夫面处齿槽宽和节距变大，导致齿轮工作时出现周期性振动。过大的余量去除会产生较大的应力变形 ［ 4 ］ 。预先加工去除多余的余量，减少后续工序加工的变形 ［ 5] 。因此在最终哈夫面装夹之前余量应尽量控制在最小状态。在各切削工序之间均进行释放装夹将最大程度减小后道工序的工件变形。
成品齿圈径向圆跳动可控制在 0.30～0.80 mm ，甚至更小。
由于大齿圈模数较大， 粗开齿一般分 3～4 刀完成，每一道工序重新装夹都释放应力和重新分布应力。三次或三次以上装夹的加工效率低，加工成
本高，经济实用性差。因此可采用预应力变形加工方法以减少装夹次数和制造中的应力变形，从而降低加工成本。
由于预变形量与实际变形量存在一定差异，因此预应力反变形加工只能用于滚齿前的粗加工工序。粗开齿前（含粗开齿）做一次粗加工预应力反变形装夹， 粗开齿后进行哈夫面修正做精加工二次（最后一次）装夹，是否需要二次装夹视变形测量情况（哈夫面贴合状况）而定。整个加工过程最多进行
两次哈夫面加工装夹。
调质大齿圈的出现给制造提出了新的课题。采用常规的粗加工调质方法导致的大齿圈报废率极高。两半大齿圈调质过程中的变形特别大，直径越大变形量越大。两半大齿圈调质后哈夫面直径方向的变形量达到直径的 0.5% 左右，如两半 φ4 m 大齿圈哈夫面方向调质变形量达到 20 mm 左右。采用预应力变形装夹进行粗加工（包括粗开齿）也是解决调质大齿圈加工变形问题的有效途径。
从大齿圈结构设计角度改两瓣为多瓣虽然增加了哈夫面的机加工工作量，但是是解决调质大齿圈加工过程中变形问题的有效途径。
参考文献[1] 全国建材装备标准化技术委员会 .GB/T32994 —2016 水泥工业用回转窑 [S]. 北京 : 中国标准出版社，2016.
[2] 贲道春 . 回转窑等转筒设备传动开式齿轮的研究(Ⅲ) —— — 渐开线齿轮副滑动率差的设计与制造控制 [J]. 水泥， 2016 （ 9 ）：31-35.
[3] 全国矿山机械标准化技术委员会 .JB/T 8916 —2017 回转窑 [S]. 北京 : 机械工业出版社， 2017.
[4] 贲道春，王复光，陈黎东，等 . 大型齿圈加工工艺的研究与探讨 [J]. 机械设计与制造， 2015 （ 8 ）：170-173.
[5] 贲道春 . 回转窑等转筒设备传动开式齿轮的研究(Ⅵ) —— — 分半齿圈制造中的变形规律分析与控制[J]. 水泥， 2017 （ 2 ）：40-45.
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