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化工回转窑设计规定综述1课件

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化工回转窑设计规定综述 一、总则 二、筒体 三、滚圈 四、支承装置的设计计算 五、支承装置 六、润滑 七、传动装置 八、窑头、窑尾及密封装置 九、热平衡、热效率计算 一﹑总则 1.0.1主题内容 a.回转窑是对散状物料(颗粒状、块状或粉料)或浆状物料进行 加热处理的热工设备.它属于回转类设备,回转筒体具有一定的 安装斜度,通常筒体内衬有耐火砖或设有内件(如换热设备、抄 板等),以低速回转. b.本规定慨括了化工回转窑的结构计算、设计—也就是说根据 本设计规定和已知的工艺条件可以进行回转窑的设计和计算. c.本规定所说的化工回转窑主要包括以下九大部件:筒体与内 衬、换热装置、滚圈、支承装置、传动装置、窑头罩、燃烧室 、窑尾罩、加料设备. ① 筒体与内衬 筒体由钢板卷成,是物料完成物理与化学反应地回转容器,因而 是回转窑的基体. 由于回转窑在化工过程中的作用不同,有的介质温度高达1450℃,且介 质往 往带有腐蚀性,此时回转筒体内都需要衬有若干层耐火材料--- 即窑衬,保护筒体和减少散热损失. ②换热装置 为了增强换热效果,回转筒体内往往还设有各种换热装置,如链 条、换热管束、格板式换热器等. ③滚圈 筒体、物料、窑衬、内件等所有回转部分的重量通过滚圈传到 支承装置上.滚圈传递的载荷可达几百吨,其本身的重量有可达 几十吨,是回转设备的最重要的关键零件之一. ④支承装置 支承装置承受回转部分的全部重量,由一对托轮轴承组和一个 大底座组成.一对托轮支撑着滚圈,既允许筒体自由转动,又向 基础传递了具大载荷. 挡轮的作用是限制和控制回转窑回转部分的轴向窜动. ⑤传动装置 传动装置的作用是通过设在筒体中部的齿圈使筒体回转,通常齿 圈通过弹簧板与筒体相连. 对直径较大的回转窑,为了便于内衬的砌筑和检修,通常都设有辅助 传动装置.它主要由电动机、减速机、液力偶合器、联轴器、传 动轴、轴承、小齿轮、机架等组成. ⑥ 窑头罩 窑头罩是连接回转筒体头端与流程中下道工序设备的中间过渡 体.窑头罩内通常也衬有耐火材料,在静止的窑头罩与回转筒体 之间有密封装置,通常称为窑头密封装置. ⑦燃烧室 它是工艺所需的高温气体的发生器,与窑尾罩相连,内衬 有若干层耐伙材料. ⑧窑尾罩 它是连接窑尾端与物料预处理设备以及烟气处理设备的 中间体窑头罩内通常也衬有耐火材料,在静止的窑尾罩与回转筒 体之间有密封装置,通常称为窑尾密封装置. ⑨加料设备 它是回转窑的附属设备,一般根据物料入窑形态来选用 喂料设备. 1.0.2 本规定适用范围:适用于工作压力为微负压或常压的化工回 转窑及回转设备,常用于煅烧、焚烧、还原、干燥、冷却等工 艺过程. 1.0.3 引用标准 a.GB/T11352-1989《一般工程用铸造碳钢》 b.JB/T6402-1992 《大型低合金钢铸件》 c.JB/T8853-1999 《标准减速机》 d.JB/T8854.2-1999《齿鼓式联轴器》 e.GB/T10095-1998 《渐开线圆柱齿轮精度》 1.0.4 回转窑分类 a.按窑体几何形状来分:直筒窑、冷端扩大窑热端扩大窑、两 端扩大窑. b.按加热方式来分:内热窑、外热窑. c.按工艺作用来分:煅烧窑、焚烧窑、还原窑、干燥窑、冷却 窑. 二.筒体 筒体是回转窑的基体,它应有足够的刚度和强度.在安装和运梳过程 中应保持轴线的直线性和截面的圆度,它关系到延长回转窑内衬 的寿命,减少晕转阻力,及功率消耗,减轻不均匀磨损,减少机械故 障,保持长期安全运转,因此十分关键,所以必须根据这一要求来 设计窑的筒体. 筒体的刚度主要是筒体截面在具大的横向切力作用下抵抗径向 变形的能力. 筒体的强度问题主要表现为筒体在载荷坐用下产生裂纹,尤其是 滚圈附近的筒体.筒体在运转过程中存在着相当大的应力,特别 是轴向应力比切向应力大得多.因此在制造、安装、使用和维修 工作时应保证和保持筒体的直线性. 2.1.1筒体的基本参数 筒体的基本参数主要有:物料在筒体内的停留时间τ、填充系 数f、筒体倾角α、转速n. a.物料在筒体内的停留时间τ: 物料在筒体内的停留时间τ主要与筒体长度、内径、转速、倾 角、结构(有无抄板、挡料板)及自然倾角等因素有关. 物料在窑内移动的基本规律是随着窑的回转,物料被带到一定 高度,随后下落,由于窑是倾斜的,物料在滑落的同时就沿筒体 轴线前进了一段距离. 按筒体内是否有抄板,分两种情况来计算物料在筒体内的停留 时间τ. ⑴筒体内无抄板的物料停留时间τ τ=L(θ+24)/(324Di·n·sinα) Di—筒体内径,如果不是等径窑,应分段计算;带内衬的窑应为 衬后直径. ⑵筒体内无抄板的物料停留时间τ τ=m·k·L/(Di·n·sinα) m、k是系数,它与物性参数、抄板形式、介质与物料的流动方 式密切相关,除了按规定选取外,还应结合实际,参考类似工况 的回转窑确定系数m、k的取值. b.填充系数f 窑某一截面上的填充系数f等于物料层所占有的截面积与窑整个 截面积之比. 某一窑的平均填充系数f等于该段窑内装填物料占有体积与该段 窑的有效体积(容积)之比. 填充系数f主要与结构影响系数、物料处理量、物料的停留时间 、物料的密度、筒体的长度及内径等因书素关. f=2.12×10-2×k1·G·τ/(ρ·l·Di2) Di—筒体内径,如果不是等径窑,应分段计算;带内衬的窑应为衬 后直径. 计算f时应考虑窑内物料的结块等影响因素. c.筒体倾角α 窑筒体轴线与水平面的夹角为该窑的倾角α. 倾角α大小应根据筒体的长短、物料的流动性及物料的停留时 间而定. 为便于计算,回转窑的斜度习惯上取窑轴线的倾角的正弦值 sinα. d.转速n 回转窑转动的速度称为该窑的转速.单位r/min. 回转筒体的专速范围为:0.4~10 r/min,常用1~3 r/min,设计转 速时应控制筒体外径的圆周速度不超过1m/s,即 2π·R·n/60≤1m/s. 主要是因为大型回转设备的直径和长度都比较大,构成回转 设备的筒体、齿圈、滚圈及内部充填物料的质量总和比较庞大 ,在转动过程中所形成的惯性也就比较大。如果回转筒体外径 圆周线速度过快,特别容易产生振动而反过来影响传动装置和 支撑装置的稳定运行,造成轴承等部件失效。 对带内衬的回设备,转速过快而产生的惯性振动还会导制内衬的 松动和脱落。 2.1.2 支承档数的确定 支承档数按筒体内径及筒体长度的比值来确定,具体取发见表 2.1.2. 冷却机、干燥机的长径比一般都小于12,通常都采用两档支承. 2.1.3 筒体壁厚的确定---分齿圈、滚圈和其它部分处. 其它部分处筒体壁厚的确定又分带内衬和不带内衬两种情况,分 别见表2.1.3.1-1和表2.1.3.1-2.在选取直径分界处筒体壁厚的 时,尽量取大值. 齿圈和滚圈处筒体的壁厚通常是取其它部分处筒体厚度的 1.4~2倍,主要以筒体计算结果为准,一般直径3000以下的窑取小 值,直径3000以上的窑取大值. 筒体加厚段的长度一般为滚圈宽度的2倍.即1~2m左右. 2.1.3 挡轮及齿圈位置的确定 a.挡轮位置的确定:当回转设备支撑档数为奇数时,通常挡轮设 置在中间档;当回转设备支撑档数为偶数时,通常挡轮设置在 中间靠近窑尾方向的第一档 . 主要是因为筒体受热要伸长,这样可以减少累计伸长量,当然由 于布置结构等原因,也有将挡轮设置靠近窑头方向的支承装置, 此时筒体在窑体上窜时受轴下拉力. b.齿圈位置的确定 为了使齿圈的啮合少受热膨胀的影响,齿圈应邻近带挡轮的支撑 装置,其距离近似等于窑筒体的直径. 2.1.5 筒体内部装置 a.内衬 内衬的作用是保护筒体,使之免受高温、介质腐蚀、磨损,变减 少散热损失. 内衬每隔2~3年就要大修一次,这主要取决于内衬材料的质量、 砌筑施工质量和操作稳定性等因素. 常用耐火材料有:粘土质耐火砖、高铝质耐火砖、耐火混凝土砌 块、鳞酸盐耐火砖、镁铝砖、隔热砖、碳素砖等. b.挡砖圈:其作用是将内衬分成若干个区,分别固定.它是焊在筒体 上的一组圆环,厚度可取筒体厚度,但高度应为筒体内衬厚度的 1/3~1/2左右. c. 挡料圈 挡料圈可设置在窑头,也可设在窑尾.设在窑头的挡料圈用来防止 物料倒流,其高度按照转窑的填充系数及物料性质来确定.设在 窑尾的挡料圈主要是延长物料停留时间,增大回转窑的填充率. 设计窑头挡料圈时,应注意不要防碍加料装置. d.导料螺旋 e.进料装置 f.刮料器 g.挡料板 h.抄板 抄板的作用是将物料扬起,是物料松散形成料幕,充分与气体接触换热. 抄板的型式:升举式、扇形式、分布式等,以升举式使用较多. 抄板的固定:直接焊在筒体上、通过焊在筒体上的连接件用螺栓连 接. 抄板的高度:主要是根据物性参数、筒体直径、转速等参数确定, 一般都分好几段. i.筒体接口 主要是指测温口、测压口、取样口、检查孔等.筒体上一般不设人 孔. 2.1.7 测温装置 常用的是滑环测温装置,热电偶接线通过滑环与测温仪表连接, 测出回转窑上需要测出的各点温度.滑可用φ20~30mm紫铜棒煨 制而成,环直径取1.1~1.3Do. 2.2 筒体的计算 2.2.1 筒体的载荷计算:筒题上的载荷分为两类,一类是沿筒体轴 线方向的均布载荷;另一类是它分布较短,简化为集中载荷. a.筒体单位长度载荷: qs=0.242·(Di+δ)· δ N/m 由于筒体各段的厚度不同,应分段计算,另外考虑筒体有内件时 可增加10%~30%. b.筒体内衬单位长度载荷: qc=3.081×10-5·ρc·(Di-hi)·hi N/m 如果是多层内衬应分层计算. c.筒体内单位长度物料载荷: qu=7.705×10-6·ρ·f·Dio2 N/m 注意窑内可能出现的最大填充率f. d.筒体内单位长度抄板载荷: qf=7.701×10-2·δ1·H·n N/m 一般需要计算实际抄板总重量再除以筒体长度.如果筒体内无抄 板,此项载荷就没有. f.齿圈质量 Gc=f1·m·B2·df2 f1—计算系数算系数、m—齿圈模数mm、B2--齿圈宽度mm、df2— 齿圈分度圆直径mm. 刚计算时可能不知道m、B2、df2,应参照类似回转窑设备先假定 一个m、B2、df2,按步骤向后计算,最终会计算出一个m、B2、 df2,再将它们与前面的假设进行比较,若差不多,说明前面假设 成立,否则应重复上一假设过程,直到最终计算结果与假设相当 时为止. 2.2.2 筒体弯矩计算及应力校核 a.筒体计算的概念 筒体截面刚度计算应是计算筒体的径向变形,并使它不超过满足 运转条件的径向变形许用值. 筒体的应力一般有轴向应力σ和切向应力στ(实际上的应力不 限于此,远比这要复杂得多).由筒体的轴向弯曲可以判定σ的 存在, 由筒体横截面变形可以判定στ的存在. 钢制圆筒横卧置放于地面上时,在自重作用下,在其底部会产生 数值很可观的切向弯曲应力.对于回转窑,因增加了内衬、物料 、齿圈等各项载荷,支承情况与自由卧置完全不同,对这种情况 下的切向应力虽有几种分析方法,但都不怎么成熟,目前也不适 用于设计计计算,因此国内外至今任沿用一定的假设条件下的 轴向应力计算的方法,在统计基础上确定许用应力,通过轴向应 力计算来间接保证径向变形和切向应力满足刚度和强度要求. b.三个假设条件 ⑴将筒体视为圆截面水平连续梁,不计倾角影响,也不计筒体截面 变形后对截面模数的影响. ⑵不计物料重心对筒体轴线的影响,不计筒体所受扭矩. ⑶按静载荷计算. c.进行筒体计算的主要目的 ⑴验算强度-变形条件,以确定所选的筒体厚度是否合适. ⑵根据计算结果,调整各跨跨度 ,使之满足等支反力原则—使各支 座反力趋于接近,从而使支承装置的设计得到统一;其次是满足 等弯矩原则,使各支座截面弯矩趣于接近,避免为了满足个别截 面的要求而加厚筒体.支承档数较少时,由于结构上的原因,上 述原则不易实现,不必强求. ⑶为支承部件及基础提供设计载荷. d.双支座筒体弯矩的计算 ⑴支点位置的确定 支点位置除考虑结构要求外,应按等弯矩原则设计. 对于等直径的悬伸段结构简单的,可近似取l1=l2=0.21L. ⑵支座反力的计算 F1=[Lq(L/2-l2)+Fc·a]/(L-l1-l2) N; F2= [Lq(L/2-l1)-Fc·a]/(L-l1-l2)+Fc N; ⑶弯矩的计算 支座处的弯距M1、M2 M1 =q/2·l12; M2 =q/2·l22; 跨间最大弯矩Me=-q/2(l1+e)2+e·F1 跨间最大弯矩发生在筒体内剪力灯于零的地方即F1=e·q+l1·q e.筒体的应力计算及校核 ⑴支座处的轴向弯曲应力σ1 ⑵跨间最大弯曲应力σe f.三支点以上(包括三支点)筒体弯矩计算 ⑴三弯矩方程 对于m+2档支承(即m+1跨)的筒体,可以简化为一个m次超静定连续 梁,它的两端是悬伸梁,对每一个中间支座(2,┈m+1)均可列出 一个三弯矩方程式(弯矩以梁下侧纤维受拉为正) Ln-1Mn-1/In-1+2(Ln-1/In-1+Ln/In) Mn+LnMn+1/In=-6Bn-1/In-1-6An/In Bn-1—跨度Ln-1上的虚载荷ωn-1在该跨右支座产生的虚反力; An-—跨度Ln上的虚载荷ωn在该跨左支座产生的虚反力; Mn-1、M n –端支座弯矩,以在简化载荷时求得. 对m个中间支座可列出m个联立方程,从而求得m个未知的支座截面弯矩. ⑵截面惯性矩I按跨间筒体厚度计算,滚圈下加厚段的影响不计. ⑶对三档支承的窑,即m+2=3,m=1,近中间一个支座的弯矩M 2未知 . M 2 =[-6B n-1 -6A n-M 1l 2 -M 3l 3]/2(l 2 +l 3) ⑷支座反力的计算 第n个支座的反力Fn=Fa+Fb Fa—作用在n支座左面跨度的支座弯矩及载荷引起的反力; Fb—作用在n支座右面跨度的支座弯矩及载荷引起的反力; ⑸附加弯矩的计算 附加弯矩是由于托轮安装位置不准确或支座沉陷引起的. g.应力计算与校核 计算公式同两弯矩方程 h.筒体变形计算 ⑴筒体轴线挠度 ①跨间最大挠度ymax计算 按表2.2.4.1分别计算后再叠加. ②悬伸段端部挠度ye的计算 ye=le·θ0-y0 Y0按表2.2.4.1(2)计算 ③许用挠度[ym]的计算 跨间许用挠度[ym]=3×10-4·L 悬伸段许用挠度[ym]=4.5×10-4·le ⑵筒体截面变形计算与校核 ①筒体径向变形量用椭圆度e1来衡量 e1=8.14×10-14Qc·Rc3/E·I ②筒体径向变形量校核[e1] [e1]=1.5×10-3Di i.筒体安装尺寸的计算 ⑴筒体热膨胀量的计算:计算热膨胀量以邻近齿圈的托轮为基准 ⑵基础水平距离及标高尺寸计算:计算基础水平距离及标高尺寸时 必须考虑筒体的安装斜度及热态工作的膨胀量. 计算回转设备的热膨胀量的一个目的是为了协调回转设备在使 用状态与安装状态下滚圈与支撑装置的接触长度,确保支撑装 置处于有利的受力状态下工作。 三、滚圈 回转设备的滚圈对回转筒体的主要作用是支撑和刚性加强作用. a.滚圈结构 滚圈的截面形式可分为:矩形截面和箱形截面. ⑴矩形滚圈:其截面是实心矩形,形状简单,由于截面是整体的,铸 造缺陷相对来说不显得突出,裂缝少. 矩形滚圈可以铸造,也可锻造.但两者价格相差比较大. ⑵箱形滚圈:其截面是空心箱形,形状比较复杂.其刚性较大,有利于 增强筒体刚度,与矩形滚圈相比,可节约材料.但由于形状比较复 杂,铸造时在冷缩过程中易产生裂纹等缺陷,它有时导致横截面 断裂. ⑶剖分式滚圈:将滚圈分成若干块,用螺栓连接成整体.有分成两块 的,也有分成四块的.它增大了机械加工量、刚性比整体滚圈差 得多、它对筒体的加固作用也将大大削弱,特别是连接处的局 部刚性特差,易产生早期破坏. ⑷滚圈与筒体的联合化:为了简化制造、安装,增强筒体刚性,可采 用滚圈与筒体加厚段(滚圈下)合在一起的结构. 箱形钢板焊接结构,整体铸钢结构. b.滚圈尺寸 ⑴滚圈外径Dr与截面高度H的确定.设计时参照表3.1.2.1选取,对 无内衬的回转窑, Dr/Di可根据情况适当减少. ⑵滚圈的宽度Br 滚圈的宽度Br必须满足其与托轮之间的计算接触应力≤滚圈材料 的许用接触应力,且滚圈的宽度Br比托轮的宽度Bt宽30~40mm. c.垫板 垫板用来将筒体载荷传递到滚圈上,使筒体不直接与滚圈 相磨损.但垫板之间的空隙增加了滚圈的散热面积. ⑴ 垫板的数量与尺寸 垫板的数量按筒体外径圆周每隔300~400mm(弧长)设置一块.一 般垫板的宽度占其所在的整个圆周长的60~70%。 垫板的宽度 b=2π(Di+2δ)/3n 垫板的长度a=2(20~30)+2b0+Br b0—挡板宽度 垫板的厚度取1.1~1.3倍滚圈处的筒体厚度,并留有加工余量. ⑵垫板与筒体的焊接 ①焊接高度不大于垫板厚度的一半; ② 垫板与筒体焊后必须进行外圆加工,外圆应与筒体同轴,同轴度 公差为0.0015Di,且不得大于3mm. 滚圈与筒体垫板之间的安装间隙是根据滚圈安装处的筒体壁温及 他们的加工精度来确定的。 d.挡板 ---挡板 的作用是限制滚圈在筒体的轴线方向的位移. ①挡板的形式分为挡块式、支耳式、挡圈式. ②挡板尺寸--挡板的高度不大于滚圈高度的1/2,长度以保证与垫板 的焊接方便为宜. ③挡板数量与分布--挡板数量与垫板数量相等,在滚圈两侧交错布 置. e.滚圈在筒体上的固定方式 ①松套式--滚圈内径与垫板外径间留有间隙.合理选择间隙的大小, 即可控制热应力,又可充分利用滚圈的刚性使之对筒体起加固作 用. ②铆固式—用铆钉把滚圈、垫板与筒体铆固在一起. ③楔铁式---通过一组组带有斜面的楔铁把滚圈固定在筒体上.滚圈 内径必须加工成斜面,楔铁必须有足够的硬度,且楔铁与筒体的 焊接顺序很重要 f.滚圈与垫板安装间隙 滚圈与筒体垫板之间的安装间隙是根据滚圈安装处的筒体壁温及 它们的加工精度来确定的.一般高温段间隙较大,低温段间隙较 小. 安装间隙c=1/2αDri (t1-t2). ㈡滚圈的设计计算 a.滚圈与托轮的材料 关于二者材料的组合有两种观点:一种看法认为滚圈大而重,不易 更换,为延长其使用寿命,滚圈的材料应比托轮好,即滚圈的硬 度应比托轮高;另一种看法认为托轮转速比滚圈高,点蚀和磨损 快,而托轮表面损坏后又会影响滚圈的寿命,因此托轮的硬度应 比滚圈高. 目前国内大部分采用滚圈材料的硬度应比托轮低. 滚圈的常用材料为:铸造碳素钢和铸造合金钢. b.滚圈与托轮的接触应力的计算与校核 ①滚圈与托轮材料不同时的接触应力的计算见3.2.2.1-1; ②滚圈与托轮材料相同时的接触应力的计算见3.2.2.1-2. c.接触应力的校核 ①滚圈与托轮的接触应力差值 滚圈与托轮(或挡轮)之间的表面硬度HB不能相同主要有两个原因: ⑴ 因为滚圈与托轮的直径大小比一般为2.3~4之间,也就是说在运转过程 中托轮与滚圈的转速比为2.3~4,托轮上的某定点受磨擦的时间比滚 圈上的某定点长4~2.3倍,考虑等寿命设计原则,滚圈与托轮之间的 表面硬度不能相同。 ⑵ 在运转过程中,滚圈与托轮(挡轮)的接触面上的接触应力较大,若 两物体的表面硬度相等,则接触面会发生“脱皮”现象。 ②滚圈与托轮材料的许用接触应力值见表3.2.2.2. 当滚圈材料用ZG42CrMo时,正火处理后其硬度HB≥200~220,此时配对的 托轮(挡轮)的材料也用ZG42CrMo,调质后其表面硬度HB≥230.此时 ZG42CrMo的许用接触应力[σc]=441MPa,许用弯曲应力[σw]=98MPa. d.弯曲应力的计算与校核. ①滚圈松套于垫板无间隙结构弯曲应力计算. ⑴载荷分布 滚圈与垫板的接触沿圆周连续. ⑵滚圈上的弯矩计算 ⑶滚圈上最大弯矩的计算 Mmax=8.61×10-5Qc·Rc N·m ②弯曲应力的校核见3.2.3.1-4 判断某一回转设备的滚圈截面设计是否合格主要看滚圈的接触强度和弯曲 强度的计算结果是否合格且适中。 ③固定于筒体上的滚圈弯曲应力计算. ⑴均布载荷 ⑵滚圈上的弯矩 ⑶最大弯矩 ⑷弯曲应力计算与校核按(3.2.3.1-4~6). 四、支承装置的设计计算 ㈠托轮布置及受力分析 a.两托轮中心线与筒体截面中心连线的夹角一般为60°,也有不是 60°的,即托轮采用非对称的布置形式,这样可使两侧的托轮 在运行时所受的磨擦力相等,即使得两侧托轮的运行寿命相当 。 b.托轮径向力分析 径向力Nt=(Q+Qr)·cosβ/2·cosα 由于cosβ近似等于1,所以 : Nt=(Q+Qr)/2·cosα FH= Nt·sina Fv= Nt·cosa+Qt C.托轮轴向力分析见图4.1.4所示 ⑴下滑工况 ⑵ 上窜工况 ⑶停窑工况 d.接触应力计算 托轮接触应力计算公式同滚圈接触应力计算公式. (二)托轮设计计算 a.托轮直径 滚圈直径与托轮直径之比宜取:i=Dr/Dt=2.3~4; b.托轮的宽度 托轮的宽度应满足下列三项要求: ⑴工作状态时托轮与滚圈应保持全接触. ⑵由于筒体的热膨胀及托轮底座的安装误差,托轮的宽度应大于滚 圈宽度50~100mm. ⑶当窑体较长和工作温度较高时,应验算冷态时滚圈与托轮的接触 宽度不小于滚圈宽度的3/4. c.托轮轴 根踞托轮轴转与不转分为转轴式结构和心轴式结构. ⑴转轴最大弯矩: Mmax=1/4Nt(L-b) ⑵心轴最大弯矩: Mmax=1/4Nt(L1-b1) ⑶转轴式结构与心轴式结构的最大区别是:转轴式结构的轴承装在 轴的两端,心轴式结构的轴承装在轴的中间. 转轴式结构的托轮适用于直径和载荷较大的窑,心轴式结构的托轮 适用于直径和载荷较小的窑,一般直径400mm以下的托轮装置为 心轴式结构,直径大于400mm的托轮装置为转轴式结构. 托轮装置的轴承有用滑动轴承,也有用滚动轴承.主要看托轮所受 的载荷大小,一般不带内衬的窑托轮装置用滚动轴承,带内衬的 窑托轮装置用滑动轴承. 滚动轴承托轮组具有结构简单、维修方便、摩擦阻力小、减少 电耗及制造简单等优点. 滑动轴承托轮组随然结构复杂、维修困难、摩擦阻力大,但因 承载能力大,造价低而往往用于载荷较大的回转窑. ⑷托轮轴直径 心轴式托轮轴直径计算公式见4.2.3-4 转轴式托轮轴直径计算公式见4.2.3-5 ⑸校核轴的疲劳强度,验算安全系数 心轴式计算公式见4.2.3-7;转轴式计算公式见4.2.3-6. ⑸滚动轴承的选用 计算滚动轴承的额定动载荷, 托挡轮滚动轴承的额定寿命可取5~10年,每年按7500小时计. (三)挡轮设计 a.挡轮的基本参数 ⑴挡轮的半锥顶角 为减少挡轮与滚圈接触面之间的滑动磨擦损失,挡轮和滚圈间应 是两个锥体作纯滚动,即两个锥体有公共顶点.即挡轮的半锥 角是根据挡轮与滚圈的几何关系确定的。只有当挡轮的半锥角 的正切值等于挡轮与滚圈的直径比时,才能保证在回转设备运 转过程中,挡轮与滚圈之间的运动是相对滚动。 挡轮的半锥顶角一般γ=10~18° ⑵挡轮的厚度h—可根据配对的滚圈的截面高度H确定. h=(1/3~2/3)H. b.挡轮推力Fad ⑴普通机械挡轮推力取下面两式中的大值. Fad=f·G0/cosα-G0·sinaβ Fad=G0·sinaβ ⑵液压挡轮推力 Fad=(1.2~1.5)G0·sinaβ c.接触强度条件见式4.3.1.3 d.挡轮直径见式4.3.1.4 回转窑是倾斜安装的,由自重及磨擦产生轴向力,又因滚圈和托轮 轴线不平行而产生附加轴向力.形大体重的筒体的轴向位置难 于固定,应允许筒体沿轴向往复窜动.为了使宽度不等的托轮和 滚圈的工作表面磨损均匀,也要求筒体能轴向往复窜动.窜动周 期一般为每班1~2次. 挡轮的作用是限制筒体轴向窜动(普通机械挡轮)或控制筒体轴 向窜动(液压挡轮). 普通机械挡轮成对安装在与齿圈邻近的滚圈两侧,挡轮是否转 动成为筒体上窜或下滑的标志,因此亦称为”信号挡轮”.实际 操作中,应避免使上挡轮或下挡轮长时间连续转动. 普通机械挡轮在工作时仅能起到限制筒体的轴向窜动,没有其它 作用力来推动筒体向上窜动,必须靠托轮轴线与滚圈轴线的不 平行安装来产生上窜力. 五、支承装置 a.支承装置包括托轮、挡轮、轴、轴承及其支承底座等. b.托轮装置承受整个窑回转部分的重量(主要是筒体、内衬、窑内换热装置、物料 、滚圈、齿圈),并使筒体、滚圈能在托轮上平稳转动. 《回转窑用的托轮》及《回转窑用的挡轮》为化工回转窑的支承 装置的标准系列,设计中应优先选用. 《回转窑用的托轮、挡轮类型及技术条件》---HG21546.1-93. 《回转窑用的托轮》---HG21546.2-93. 《回转窑用的挡轮》---HG21546.3-93. c.支座受力分析 ⑴轴承座倾覆力, ⑵轴承座轴向推力, ⑶调整托轮轴承座时的推力, ⑷支座不倾覆的条件, 六、润滑 要使回转窑长时稳定运行,各运转部件保持良好的润滑条件是十分 重要的一环.回转窑的转动部件比较多,且具有如下特点: ⑴低速重载,⑵环境温度高,筒体表面温度高达200℃;⑶环境粉 尘多,⑷倾斜安装低端轴承易漏油。 a.润滑油(脂)的选用原则 ⑴低速、重载、温度高、有冲击载荷的用粘度大的润滑油, ⑵高速、轻载、温度低时应选用粘度小的润滑油, ⑶承受压力大的机件选用耐高压的润滑油, ⑷机件受温度影响大时,除粘度外,还应考虑润滑油的闪点和凝固 点. b.在下列条件下宜选用润滑脂: ⑴避免灰尘进入轴承内的部件; ⑵不需要经常检查的地方; ⑶某些低速、重载和温度高的机件. 在潮湿的环境中,应选用钙基润滑脂,在高温条件下必须选用钠基 润滑脂. 回转设备的传动件的润滑主要是指轴承、托挡轮与滚圈及大小齿 轮之间的润滑。其中滚动轴承主要采用润滑脂,托挡轮与滚圈 之间主要采用石墨块润滑,大小齿轮之间采用压缩空气喷油润 滑和小齿轮带油润滑。 七、传动装置 回转窑传动装置的特点是减速比大。回转窑低速级(即筒体)转数多 半为1~1.5r/min,不超过3r/min,而干燥机和冷却机的转速一般 不超过6r/min,因此力矩很大,需要的传动部件尺寸很庞大. a.传动装置的基本要求 ⑴足够的传动功率,先进而简洁的传动系统, ⑵运行可靠、操作简单、维修方便, ⑶对采用调速的要有足够的调速范围, ⑷为了安全维护和检修需要,应设置辅助传动装置. b.传动系统说明 主传动系统是:主电机、液力偶合器、主减速机、联轴器、齿轮与 齿圈、筒体. c.传动形式 随着窑直径的加大,传动功率也要求越来越大,以前由于大功率大速 比减速机的设计制造存在困难,较大的窑都采用双传动. 双传动的特点: ⑴减轻齿圈的重量; ⑵单侧传动件发生故障时,可降低产量用另一侧传动继续运转; ⑶啮合的齿对数增加,传动更平稳; ⑷零部件数量增加,增加了安装和维修的工作量; ⑸双传动两侧的电机必须是同步的---电动机需要采用直流电源驱 动. 目前,随着冶炼技术和热处理工艺技术的不断发展,齿轮和传动轴的 材料的机械性能得到大大的提高,大功率、大速比的减速机制造 能力也有了突飞猛进的发展,并且引进国外先进技术的减速机也 非常方便,因此在进行传动装置设计时,大多数采用单传动,而不 是双传动. d.在回转设备的传动装置中,主电机与主减速机之间的限矩型液 力偶合器的主要作用是: ⑴ 轻载或空载启动电动机和逐步启动大惯量负载,提高异步 电机的启动能力; ⑵ 防护动力过载,保护电动机; ⑶ 可隔离振动,缓和冲击; ⑷ 可方便实现离合。 e.辅助传动 辅助传动的作用是当主电机或主电源发生故障时,定期转动窑以免 筒体应上下温差造成弯曲,并确保砌筑、安装或检修时能使筒体 停留在某个指定的位置. 辅助传动与主传动电机电源应分开设置,辅助电机与辅助减速机之 间应设有制动器.以防窑在电动机停转后由于在物料、内衬的偏 重作用下反转.窑的反转速度接近甚至超过正常转速,此时减速 机变成了增速机,如不加以制动,可能会影响电机. 在辅助减速机与主减速机之间应设有离合器,在窑正常转动时使辅 助传动与主传动脱开.在离合器未脱开的情况下,辅助传动与主 传动不能同时转动,因此辅助传动与主传动的电机应有电气联锁 .为了保证安全可靠,在离合器与主电机之间还应有机械—电气 联锁装置,以防在离合器未脱开时启动主电机. 离合器分为手动牙嵌式离合器、柱销式离合器、电磁离合器、超 越离合器等. 超越离合器可将辅助电机的力矩传入主减速机,如果主减速机按同 一方向驱动主减速机的主动轴,离合器将处于脱离状态,起到脱 开两者作用. f.传动功率的计算: ⑴基本公式: N=N1+N2 N1= 0.086(ΣDi3·Li)n·γ·sinθ3·sinω N2=(6.016×10-2P·Dr·d·n·f)/Dt ND= C1 · C1 · N ⑵佐野公式 ⑶杜马公式 N=0.0184K·γ·D3·L·n·f ND=Ki·D ⑷经验公式 ND=K·γ·D3·L·n 四个公式比较一下各有特色,平时用的多的是基本公式,即第一种计算方法 .值得一提的是对未计算过的窑,应该与类似窑的功率作一比较,以防取 的系数与实际情况出入太大.电机功率取得太大也不好,但取的太小问 题更严重. 7.2主要零部件的选用和设计 a.电动机 ⑴回转窑的载荷特点: ①恒力矩,即阻力矩与转速无关---指正常物料流通量情况下. ②起动力矩大,窑的起动往往是在满载的条件下进行,此时托轮轴承内尚未 形成油膜,阻力矩也大.一般起动力矩是正常力矩的3.5~4倍. 因此回转窑用的电机必须满足上述两个载荷特点. b.电动机的选用要点: ⑴对于煅烧、反应等有物料性能变化和处理量波动的回转窑,以及 要求调速的回转窑应选用调速电机,调速范围1~3以上. ⑵对环境温度高、含粉尘或含腐蚀气体的工况,应选用防爆防尘或 防腐蚀电机. ⑶对环境温度高,已超出电机使用范围者,应设置通风冷却装置或 隔离装置. ⑷应考虑回转窑的载荷特点. 另外对于有要求调速的回转窑的电动机的选择方法如下: ⑴对功率较小的电动机,可选择电磁异步调速电机, ⑵对功率较大的电动机,可选择调速型液力偶合器调速, ⑶对功率较大的电动机,可选择调频电机来调速,即调整电源的频 率. c.齿轮罩 齿轮罩的作用是将转动的齿圈隔离起来,起安全保护作用. 确定齿圈罩宽度时 ,必须开虑筒体的轴向窜动量.在设计齿圈罩时 应防止漏油,在侧壁和周壁上应适当设置观查孔,以便检查和测 量齿圈与小齿轮的啮合情况. d.减速机的选用 i总=i1·i2 总速比i总=电机的转速与窑转速之比; i1减速机速比; i2大齿圈与小 齿轮的速比; 大齿圈与小齿轮的速比i2与窑的长径比有关,一般为7.5~12.取8~9 的较多. 设计传动装置时,分配减速机的速比i1和大小齿轮之间的速比i2时 主要应考虑的因素为:回转设备的结构安装尺寸及减速机和大 小齿轮的综合投资。 减速机的选用除了考虑满足速比i1要求外,还应考虑所传递的有效 功率N,一般减速机的额定功率应≥2N,并且减速机的热功率还应 满足厂房的散热要求. f.大齿圈和小齿轮的设计和计算 ⑴齿轮配置的中心角α 大齿圈和小齿轮的中心连线与齿圈的垂直中心线的夹角称齿轮 配置的中心角α. 中心角α一般取20~40°,以30°占大多数.主要是综合减速机、小 齿轮及支撑架的布置,最后确定. ⑵齿圈分度圆直径Df2的确定 齿圈与筒体的连接通过弹簧板,弹簧板的安装需要一定的空间,因 此可由回转筒体的直径来确定齿圈分度圆直径Df2.见表7.2.3.2 ⑶齿圈的模数m 齿圈的模数m主要是参照电机功率按表7.2.3.3选取. ⑷齿数 小齿轮齿数Z1为17~23之间的奇数,优先选取19、21,大齿圈齿 数Z2必须取偶数,为了便于安装和运输,需要将齿圈剖分为两片 。 ⑸齿圈与小齿轮的材料 齿圈的常用材料为:铸造碳素钢和铸造合金钢,配套的小齿轮材料 为:45(锻) 和合金钢(锻) . 同滚圈与托(挡)轮一样,齿圈与小齿轮的表面硬度HB应相差30~40 为宜,且小齿轮的表面硬度HB>齿圈的表面硬度HB. 齿轮的损坏形式主要是磨损,为了抗磨损,应对齿轮进行热处理 ,提高其硬度和耐磨性。 ⑹齿圈与小齿轮的加工精度按GB/T10095-1988《渐开线圆柱齿轮 精度》的规定,一般精度等级取9级. g.齿圈与小齿轮的设计计算 齿圈与小齿轮的设计计算按接触强度和弯曲强度进行,本规定的计 算公式主要是按接触强度进行的,弯曲强度的计算要按机械设 计手册中有关齿轮传动中的有关内容进行.经验表明,按本规定 接触强度计算出的齿圈,都满足弯曲强度的要求. ⑴齿圈宽度Bf2 Bf2≥4.29×109·N·η·Kj·Kdj (i2+1)/ (D2f2 ·n· [σc] 2 ) 式中的功率N是取计算的运转功率加上一余量。 ⑵小齿轮宽度Bf1 Bf1 = Bf2 +△B △B---窑体的窜动量, ⑶齿圈结构尺寸 工字形截面,切向弹簧板固定的齿圈,其各项尺寸按下列取定: 轮缘厚度δ0=2m; 轮毂厚度δ0=(1.4~2)m; 轮幅宽度b=(0.125~0.135)Bf2; 轮毂宽度b1=(0.3~0.4)Bf2 筋厚度δ2=(1.0~1.5)m; m为齿圈模数. g.弹簧板 弹簧板分为切向弹簧板和纵向弹簧板. 纵向弹簧板仅适用于连接截面型式为箱形断面的齿圈,齿圈与纵向 弹簧板、纵向弹簧板与筒体之间通过垫板和螺栓连接. 切向弹簧板适用的齿圈截面型式较多,使用的也比较多. 弹簧板的数量、结构尺寸见表7.2.3.7 f.联轴器 根据电机功率可计算出联轴器需要传递的扭矩,再根据此值和有关 标准即可选择出满足要求的联轴器. 扭矩M=9550·kp·N/n≤[M]. 八、窑头、窑尾及密封装置 8.1窑头罩 经过处理的物料,从回转的窑体内出来,通过窑头罩进入下道工序. 窑头罩与筒体之间有窑头密封装置,窑头罩上设有看火孔,用来 观察操作中的窑内情况. 对于需要提供高温气体的煅烧窑,窑头罩的外面还接有燃烧室. a.窑头罩的形式 窑头罩分为固定式和滑动式两种形式. 大型窑的窑头罩和窑头罩兼作燃烧室并以煤作为燃料的应采用固 定式窑头罩. 中小型窑的窑头罩和窑头罩兼作燃烧室并以粉煤、燃料油、燃料 气作为燃料的应采用滑动式窑头罩. b.窑头罩上应设有观察孔、检修门、测温口、出料口等工艺接口. c.燃烧室主要尺寸的确定 燃烧室必须有足够的容积,对于不同的燃料和工艺要求,燃烧室有不 同的尺寸要求. ⑴燃烧室的容积V V=B·Qfn/q容 q容---燃料的容积热强度.见表8.1.3-1及表8.1.3-2. ⑵燃烧室的内径Di 燃烧室的内径Di主要是根据燃烧器最大负荷是的火焰直径来确定, 一般在火焰外径与燃烧室内径之间留有300~500mm. ⑶燃烧室的长度L L=V/(π/4Di2),同时还应满足燃烧器的火焰的长度的要求,燃烧室 的长度L不得小于燃烧器的火焰的长度. d.燃烧室的结构 ⑴燃烧室的结构应能使燃料强化燃烧,提高燃烧室的温度,使燃料充 分燃烧,减少散热损失,降低燃料消耗量. ⑵燃烧室的内衬结构及厚度应保证外壳温度在70~90℃,最高不得 超过100℃. ⑶燃烧室的结构还应满足工艺生产的要求,既要获得物料干燥或煅 烧的温度、热负荷,又要使火焰不能直接接触物料,从而提高产 品质量. 8.2窑尾罩 窑尾罩的结构比较简单,它主要是进料、尾气出去的通道,除了控 制烟气流速外,应设置进料装置、尾气出口、清扫口、必要的 仪表接口.同时在窑尾罩的底部还应设置清灰口. 如果尾气还有腐蚀性或温度较高,则窑尾罩的内部还应衬有耐 腐蚀或隔热的衬层. 8.3密封装置 回转窑一般是在微负压下操作的,在转动的筒体和静止的窑头罩和 窑尾罩之间不可避免的存在缝隙,为了防止外界冷空气被大量 的吸入 窑内,或者防止窑内尾气携带物料外泄,在转动的筒体和静止的窑 头罩和窑尾罩之间应设有密封装置. 回转窑在操作中对风量有一定的要求,如漏入过量的空气,会造成 尾气处理系统的负荷,增大排风机的负荷,造成投资浪费. a.密封结构型式 ⑴迷宫式密封---就是让空气流经弯
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