球磨机传动装置设计.docx

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球磨机传动装置设计

球磨机传动装置设计

球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。

它广泛应用于水泥，硅酸盐制品，新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑与有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业，对各种矿石和其它可磨性物料进行干式或湿式粉磨。

球磨机适用于粉磨各种矿石及其它物料，被广泛用于选矿，建材及化工等行业。

他的优点如下：

对各种性质的物料的适应性强，如硬的软的脆的韧的等都能磨粉。

犹豫可制成各种大小规格的球磨机，因而能适应各种生产能力的要求，小至实验室球磨机，每小时产量仅几百克，大至每小时产量200-300吨。

能连续生产，生产能力较高，可满足现代大规模工业生产的需要，粉碎比大，可达到300以上，易于调整与控制物料细度，产品颗粒均匀混合作用好。

可适应不同的情况下进行操作，即可进行干法作业也可适应湿法作业，还可以把干燥和粉末合并一起同时进行。

结构简单，易于更换，能长期连续运转。

球磨机存在如下缺点：

1.球磨机配置相当昂贵：

由于球磨机筒体转速和很低（每分钟15～25转），如用普通电动机驱动，则需配置昂贵的减速装置。

2.生产成本高：

研磨体在冲击和研磨物料的同时，本身也要受到磨剥，筒体内的衬板等零件也被磨剥，因此在整个水泥生产过程中，粉碎作业（生料制备、磨水泥）所消耗的铁板量很多，据分析，大约每生产一吨水泥的钢铁消耗为1公斤左右。

3.工作效率低：

在生产水泥的过程中，用于粉碎作业的电量约占全厂的2/3，据统计，每生产一吨水泥的耗电量不低于70千瓦小时，但这部分电能的有效利用率却很低，据分析，水泥球磨机输入的功率用于粉碎物料（做有用功）的功率消耗只占一小部分，约5%～7%，而绝大部分电能消耗于其他方面，主要是转变为热能和声能而消失掉，这是一项很大的浪费。

4.体型笨重：

大型球磨机的总重量可大几百吨以上

近年来，在改进传统圆锥破碎机的基础上美国AC公司推出高能圆锥破碎机，俄罗斯乌拉尔重型机械厂推出惯性圆锥破碎机，德国Krupppolgsius公司等推出滚压机以及各国推出的新型颚式破碎机等高效节能破碎设备大幅度降低了破碎产品粒度，提高了磨机产量，降低了单位原矿的电耗。

从1985年滚压机问世以来，首先在水泥行业推广应用，其增产节电所带来的经济效益引起了国际水泥行业极大的兴趣与关注。

未来在破碎粉磨作业上，球磨机依然有很大的发展空间，所以，对球磨机进行设计在改进是很有必要并有重大意义的。

研究的基本内容、拟采用的技术方案、措施

球磨机是一种体重低速重载恒转速有冲击的机械，目前球磨机船东的最大功率已达到10000kw以上。

当电机转速为750r/min时，整个系统的减速比相当于30-58，对于这种大功率，大速比的传动，在技术上必须给与充分重视。

由于以上特点，球磨机的传动形式是多种多样的，主要根据球磨机的规格大小，加工制造水平，传动效率使用维护和综合经济指标等方面进行选择，球磨机的传动方式：

边缘传动，中心传动，无齿轮传动，辅助传动，而中心传动是由电机通过减速机带动球磨机，减速机的输出轴与球磨机的中心线在同一条直线上。

中心传动分单传动和双传动两种。

随着大型减速机技术的发展，中心传动被广泛应用于1000kw以上的管磨机传动中，无齿轮传动是管磨机大型化过程中出现的一种新型传动方式，即环形马达传动。

由低速同步电机直接带动筒体，筒体即为其转子，中间不再用减速机或齿轮减速。

由于电机转速极低，如果仍然采用50Hz电源，电机需要几百级才能满足磨机对转速的要求，这不但制造困难，而且效率极低，通过变频装置减速，使磨机在最适宜的转速下运转，以取得较理想的技术经济指标。

辅助传动主要用于装卸研磨体时便于把磨门对正，安装衬板和隔舱板时，可以方便的把磨机转到需要的方位上。

但是此次由于转速低就选用了低速同步电动机边缘单传动系统设计。

传动方案：

电动机-联轴节-小齿轮-大齿轮-磨机筒体。

电动机和联轴器关于磨机筒体中性线对称。

传动系统的设计

磨机传动或者磨机的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，使其转动的装置。

包括电动机，联轴器,减速器，大小齿轮，辅助传动等。

磨机的主流传动方式有以下几种：

1.中心传动

如果减速器可靠，此种传动方式传动效率高，维护工作量小，比较容易实现长期连续安全的运转。

但由于其减速器制造困难，所以造价偏高。

2.边缘传动

由于其制造简单，造价低，并且由于现在工艺技术的发展使得齿轮制造达到了高精度，所以，边缘传动得到了极大的发展。

3.无齿轮传动

由于其造价高昂，技术复杂，又不宜应用在功率小于4000kw的磨机传动上，所以应用很少。

由上述对比可以发现，本次传动方式采用边缘传动。

本次设计采用单边缘传动，这是当前应用最广的传动方式之一。

相比于其他传动方式而言，边缘传动装置的造价仅为磨机本体的32%，圆柱齿轮减速器中心传动的造价增加到磨机本体的88%，行星齿轮减速器中心传动的造价相当于磨机的本体，而无齿轮直接传动装置的造价为磨机本体的1.5倍。

同时，如果将设备费厂房建筑费和安装费等统统考虑进去，中心传动约比边缘贵6%，而无齿轮直接传动比中兴传动贵约8%。

所以在满足功率运转要求的情况下，边缘传动是很有优势的。

尤其对大型磨机而言更是如此。

1.1电机的选择

电机的选择需要将电气与机械进行综合考虑，包括磨机的负载特性和电力拖动的要求。

（一）磨机的负载特性

1.磨机的工作转速恒定是能够满足操作要求的，因此，一般来说电动机不需要调速。

2.磨机是水泥厂中最大的用电设备。

3.磨机除了在启动和停车时载荷稍有摆动外，在正常载荷中是基本稳定的。

4.磨机是重载启动的设备。

在启动时，电动机的起动转矩必须大于或者等于墨迹的静态转矩与加速转矩之和。

实验表明，启动转矩为1.1-1.5倍的负载转矩是足够的。

（二）电力拖动的要求

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，期标称容量应为磨机实际需要功率的1.0-1.2倍。

对大型装置而言，有1.0-1.1倍就足够用。

2.启动要求

由于磨机电动机的容量很大，所以对期启动电流必须加以限制。

应以不会显著影响供电电网的电压为原则。

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主要指标，功率因数低，就意味着大量的无功功率在网路上的浪费。

4.电源电压

目前我国的标准电压

低压---220v，380v

高压---3000v，6000v

综上所述，本次设计我们采用三相异步电动机，型号为YR1000-8/1180，其满载转速为n=742r/min。

根据课题要求球磨机的转速n=17.7r/min。

安装尺寸如下图所示。

图1电机参数

1.2传动系统

根据所选电动机的不同，有以下几种典型的传动系统：

1.高速高起动转矩电动机→三角皮带轮→刚性联轴器→开式大小齿轮→磨机

此传动系统占地面积大，可靠度不大，效率很低，属于比较落后的传动方式。

2.低速高起动转矩电动机→联轴节→大小开式齿轮→磨机

此种传动系统最简单，如果采用短轴则布置更为紧凑，外观更简单，但从缓和冲击来说，还是采用长轴较好。

3.低速低速起动转矩电动机→离合器→开式大小齿轮→磨机

此种系统较为复杂，采用离合器，对维修保养有了更高的要求。

4.高速高起动转矩电动机→弹性柱销联轴器→单机减速器→联轴节→大小开式齿轮→磨机

此种传动系统在中小型磨机上最为普遍。

5.高速高起动转矩电动机→联轴节→单节减速器→弹性膜片联轴节→开式大小齿轮→磨机

此种系统采用弹性膜片联轴节，在使用上比较可靠。

6.高速高启动转矩电动机→离合器→减速器→联轴节→开式大小齿轮→磨机

此次设计采用的是方式:

2低速高起动转矩电动机→联轴节→大小开式齿轮→磨机

如下图所示

图2边缘单传动方式

1.3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，转速越高的电动机，其造价就越低。

根据之前所选电动机计算传动装置的总速比：

（1）

式中

为电动机的转速，r/min；

为磨机的转速，r/min。

将电动机和磨机的转速代入式4-1得

由于本次传动系统中有减速器，则总速比可用下式表示，即：

（2）

式中

为减速器的速比；

为大小齿轮的速比。

对于

而言，其为大小齿轮齿数之比，根据机械设计知识可知，本次设计大小齿圈属开式齿轮，开式齿轮齿数比μ≤6，取

=6。

则由公式（4-2）可知，

=

由此可以确定减速器型号。

1.4减速器的确定

由上述计算中可以知道，减速器速比

=8.38，查表可知为二级减速器ZL型

式中P为输入功率

n为输入轴转速

此时P=0.98。

为电机功率

P=0.98*1000=980kw

n=742r/min

所以T=12613.2N·M

根据上述计算的转矩以及前述电机的参数，初步选定本次的减速器型号为ZL100。

1.5大小齿轮的计算

1.5.1大齿圈直径的确定

大齿圈直径过大，不仅使得大齿圈的重量成倍增加，造价昂贵，给制造运输和安装带来很大困难，而且还会是占地增大。

如果结构和条件允许，应尽可能取小值。

有经验公式如下：

d=（1.15-1.6）D

式中d---大齿圈的分度直径，mm

D---磨机筒体的规格直径，mm

此次给定D=3000mm取d=1.34D=1.34*3000=4020mm。

1.5.2齿形的确定

当前应用在边缘传动磨机上大小齿轮的齿形主要是渐开线齿形。

不管装在什么工厂中的磨机，其工作环境是恶劣的，灰尘很大，虽然墨迹的大小齿轮有罩子，但密闭不良，再加上润滑条件的限制，很难保证润滑良好，因此，它基本上属于开式传动所以决定了墨迹的大小齿轮的破坏和失效的主要原因是磨损和胶合。

通过对大多数墨迹上大小齿轮的磨损情况的研究，发现采用大变位齿轮设计的齿轮寿命提高了2-5倍，同时具有承载能力高，运转平稳，噪音小，寿命长等优点。

鉴于斜齿有径向力存在，所以，本次设计齿轮齿形采用渐开线诗大变位直齿齿轮。

1.5.3模数的确定

研究表明，小模数齿轮比大模数齿轮用得好，使用寿命长，同时小模数齿轮有以下优点：

1.直径相近时，模数越小，则大小齿轮磨损越小。

2.模数小，噪音小，震动小，动载荷小。

3.模数越小越容易保证精度。

4.加工容易，成本低。

鉴于本次设计为Φ3*9球磨机，所以，此次设计的大小齿轮模数初步定为30.00mm。

1.5.4齿数的确定

当大齿圈直径确定，模数也确定成功时，可以按照下式进行大齿圈的齿数确定

计算出的大齿圈齿数可能为奇数，这时需根据情况调整，因为大齿圈要分为两半安装，故取其齿数为偶数，便于分开。

在此，可根据大齿轮齿数初步确定小齿轮齿数

上述两式中

分别为小齿轮与大齿轮齿数

为大齿轮分度圆直径

m为模数

为大小齿轮传动比

此时取=34

所以=取=22

为保证齿轮不重复啮合，保证磨损均匀和运转平稳，大小齿轮的齿数应互质

为质数，故符合要求。

表2大小齿轮齿数

134

22

2大齿圈的设计

2.1大齿圈与磨体的连接

目前，大齿圈与磨体的链接形式基本上可分为七类：

1.双键链接

a.铆钉外露式双键链接

这种连接的特点是加工面可以制得窄一些。

b.铆钉内涵式的双键链接

这种结构的特点是磨头端盖可以减轻，结构更紧凑

c.无铆钉式的双键链接

这种结构的特点是有一个较大的轮缘，因此加大了磨头端盖的重量。

上述三种链接方式，结构虽然大同小异，但都有共同的缺点

大齿圈的重量一般都比其他类型的链接方式重。

它们是以拧紧大齿圈对口把和螺栓而使其禁锢住磨体。

当磨头端盖受热膨胀时，对口把合螺栓会产生很大的附加应力，因此大齿圈对口的把合螺栓极易发生故障，甚至折断。

因此，此类结构近代已趋向淘汰。

2.螺栓链接

a.单排轴向双联式螺栓链接

此种结构因为结构简单而被广泛应用。

b.单排轴向三联式螺栓链接

此种结构也被大量应用。

c.双排轴向分联式螺栓链接

这种结构的筒体法兰制的特别大，大齿圈的对口把合螺栓少，很容易松动或者出现故障，现在很少采用。

d.双排径向式螺栓链接

这种结构因为其加工困难，安装困难，磨头端盖质量大等原因，现在已遭到淘汰。

通过对比分析，本次设计采用螺栓连接的单排轴向双联式螺栓链接。

2.2大齿圈的形状

2.2.1大齿圈的截面形状

大齿轮的截面形状有以下四种：

a.口字形截面形状

b.工字形截面形状

c.T字形截面形状

d.字形截面形状

其中1和4截面形状为双辐板结构，2和3截面形状为单辐板结构，其中口字形截面形状与工字形截面形状大齿圈的重量太大，近代早已不用。

当大齿圈的齿宽大于600mm时，应采用形箱型结构，鉴于此次设计大齿圈齿宽为345mm，故不采用此种类型。

此次设计采用T字形截面形状，如下图所示。

图3大齿轮截面图

2.2.2大齿圈的端面形状

大齿圈的端面形状主要有两种：

1.法兰式带豁口的结构

此种结构主要为了克服消除变形应力，现在已不再采用。

2.法兰式不带豁口整体式结构

此种结构对于防止齿圈变形，增大齿圈刚度，减少加工量或者方便加工等都有好处。

此次设计便采用法兰式不带豁口整体式结构。

如下图所示。

图4大齿圈结构图

2.2.3大齿圈的对口连接结构

大齿圈从使用角度要求有良好的整体性，而从铸造运输安装等方面要求大齿圈分辨，但连接起来必须牢固。

先有如下几种方式:

a.螺钉定位

这种结构有如下优点：

1.简单可靠。

2.加工方便，，轴向进刀，而且直径较小。

3.对口接合面的筋可以不加工。

4.占地位置小，零件也少。

b.锥销定位

此种结构使用效果不是很理想，所以很少利用。

c.矩形键定位

这种结构只能起轴向定位作用，而对轴向毫无约束，并且加工安装很不方便，所以不宜采用。

d.圆柱键定位

此种结构可以起到轴向与径向双重定位效果，但是其轴向定位效果与把合螺栓的拧紧程度有关，无疑会加重拉近螺栓的负载。

所以本次设计不宜采用。

这种结构的特点是眼孔较少，但靠近轮缘的铰孔加工困难，所以本次设计不宜采用。

对比可以看出，本次设计采用螺钉定位。

如下图所示

图5大齿圈对口连接结构图

2.2.4对口连接螺栓的螺母型式

对口链接螺栓有两种形式

1.长型的双头螺柱

2.短型的双头螺柱

2.3.6大齿圈主要部位几何尺寸的确定

大齿圈轮缘厚度的确定

mm（7）

大齿圈辐板厚度的确定

mm（8）

筋板厚度的确定

mm（9）

辐板凸出高度的确定

mm（10）

法兰凸台高度的确定

mm（11）

法兰宽度的确定

mm（12）

其中为齿轮的法向模数

d为法兰链接螺栓的直径

本次设计中。

因是直齿齿轮，故法向齿轮等于端面齿轮为30mm，所以上述尺寸具体数值如下表所示：

表5大齿圈截面几何尺寸

30mm

60mm

60mm

30mm

30mm

30mm

90mm

图7大齿圈几何尺寸图

2.3大齿圈对口连接螺栓的计算

2.3.1大齿圈对口连接螺栓的强度计算

受力螺栓上的拉力计算

N（13）

式中为受力最大螺栓上的拉力，

分别为螺栓至基点o的距离，

n为对口螺栓的排数。

此次设计中，输入到小轴上的功率为

式中，为电机功率，分别为联轴器与减速器效率，取联轴器效率，减速器效率，所以可知=1000**0.98951kw，

根据公式

（14）

式中n为转速（r/min）（此处n=88.5r/min）

可知T=102622N·m所以圆周力P==54.91KN

此外，式（5）中l=48cm，=16cm，=27cm。

求得=35449.3N

2.3.2螺栓直径的确定

为了减少螺栓规格和安全起见，螺栓均采用同一直径。

其值按下式计算：

cm（15）

式中d为螺栓螺纹的内径，

为受力最大螺栓上的力，对于本次设计，=，

为螺栓拉伸的许用应力，

对于45号钢，取=1960N/cm

对于35siMn，取

求得螺栓直径为d=4.8cm。

3小齿轮设计

3.1小齿轮位置的确定

在设计小齿轮位置时应考虑如下几个原则：

小齿轮的转向磨机转向确定后，小齿轮必须安放在使大小齿轮都向上翻转的一侧。

这样可以防止落入螺栓，螺母等杂物将齿轮挤坏，避免事故。

另外，还能够减轻主轴承和小齿轮传动轴承地脚螺栓的载荷。

1.安装和拆卸方便

根据经验公式

（16）

式中a为大小齿轮中心距

r为小齿轮传动轴的滚动轴承外圈半径

由此式求得，小齿轮的位置角必须小于或者等于式中所给出的角度值，小齿轮才可以沿着大齿轮滚入或者滚出。

2.基础合理

小齿轮的位置过高，与小齿轮轴相连的减速器和电动机的基础就要随之增高，这样，不仅基础重量不必要的增大和复杂，而且维护也不方便，应该尽量使得小齿轮轴承基础与主轴承一样高。

3.2小齿轮轴与传动轴轴承的设计计算

3.2.1小齿轮轴的设计与计算

（1）.两轴承间跨距的确定

两轴承之间的跨距L可按下式确定

（17）

式中，B为齿轮罩子在小齿轮轴附近的最大宽度一般情况下，可由下式确定

（18）

B为小齿轮宽度，本次设计中小齿轮宽度为355mm。

K为齿轮罩子宽度的附加值。

此处取k=200mm。

δ为齿轮罩子在小齿轮轴处的最大宽度，此处取δ=100mm。

l为滚动轴承的宽度。

如图所示

图8小轴图

此次设计中，求得两轴承间跨距为L=875mm。

（2）.作用在小齿轮轴上力的计算

此时，作用于小齿轮上的正压力为：

KN（19）

式中，为作用在小齿轮上的圆周力，按下式计算：

KN（20）

N为电动机的功率，KW;

为小齿轮的转速，r/min；

为小齿轮的节圆半径，cm；

f为齿轮的质量系数，取f=1.2；

为啮合角，=20。

作用于小齿轮上的铅垂力为：

KN（21）

式中，为齿轮的安装角度。

作用于小齿轮的水平力为：

KN（22）

作用在小齿轮轴上的铅锤方向上的力有半联轴节的重量,小齿轮和轴的重量，由小齿轮传过来的铅锤方向的作用力。

现令（23）

于是可得，

垂直支反力：

KN（24）

水平支反力：

KN（25）

合成支反力为：

KN（26）

（3）.小齿轮轴弯矩的计算

a.小轴轴中点的弯矩为：

KN·cm（27）

b.小轴轮轴的扭矩：

KN·cm（28）

c.小轴轮轴上的当量弯矩：

KN·cm（29）

式中，为修正系数，对于45号钢，其：

=0.58

（4）.按弯扭合成应力校核轴的强度

截面C当量弯矩最大，故C可能为危险截面。

=60MPa

MPa（30）

经计算，轴的设计符合强度要求。

图9小轴弯矩图

（4）.小齿轮轴中间轴径的计算

轴的直径可根据扭转强度法计算，即

（31）

式中，p为轴传递的功率。

n为轴的转速。

本次设计中，取C为110，取d=220mm。

3.2.2传动轴承的计算

由于滑动轴承渐渐被淘汰，本次设计采用滚动轴承。

（1）滚动轴承的选择由于本次设计采用直齿齿轮，理论上无轴向力，但因为安装误差，齿形加工误差等原因，此次设计采用了双列向心球面滚子轴承，它们有自我调心的性能，故可以符合此次设计要求。

（2）滚动轴承的选择计算：

轴承动载荷为：

N（32）

式中，P为当量动载荷。

对于直齿传动，p=。

为速度系数。

本次设计中，取,求得C=154020.99N

故本次设计的传动轴承型号为3003644/3113644。

辅助传动

4.1辅助传动的作用

1.使磨体能准确的停在所要求的任何位置上

磨机在停转之时或在检修当中，常常要求磨体的某一处停在一定的方位上。

如果没有辅助传动装置，就必须开启主传动。

因为主传动速度较快再加上研磨体及物料重心的影响，停止方位是很不容易对准的。

有时需要反复多次连续而短暂的启动磨机才能对准，这不仅使机构受到冲击，接触器的触头加速损坏，而且还会使电网的电压产生很大的波动。

另外，为了科学的管理墨迹，工艺人员需要定期的从磨门进入磨机，检测研磨体的级配是否合理，廖免得、高度的变化规律是否确当，温度是否适宜等，这样也需要磨门迅速而准确的停在方便之处。

2.使磨机慢速转动

a.再装衬板时，是磨机缓缓转动。

既便于操作又能提高工作效率。

特别是在装设镶砌的衬板时，根本不允许开机主传动，在这种情况下，如果没有辅助传动装置，则比较困难。

b.为了保护齿轮，在开启主传动前也应该开启辅助传动，，使所有啮合齿面紧密贴合，因而在启动时可减免由于齿隙所造成的巨大冲击，减少打齿事故。

3.保护磨体减少停磨后的变形

磨机停转以后，由于下部的研磨体和物料有很大的热量，导致上部和下部的冷却速度不同，必然产生热弯曲。

磨机越大，齿圈越大，齿宽愈大，则对啮合齿面的接触影响越大。

为了消除这种热变形，每隔15分钟或者30分钟将磨体翻转180是很有必要的。

开动辅助传动装置是非常容易达到的，否则就很男实现。

由上述原因来看，对于功率在600kw以上的大中型磨机来说，辅助传动是很有必要的。

本次设计传动功率为1000kw。

故应设计辅助传动装置。

4.2辅助传动装置的构造与选型

（1）辅助传动装置包括一下几个部分

1.辅助电动机。

2.辅助传动减速器。

3.辅助传动电动机与辅助传动减速器相接的联轴器。

4.辅助传动减速器与主减速器相接的离合器。

（2）辅助传动装置的选型

一般而言，辅助传动装置的电动机的功率约为主电动机的1.2%~1.78%。

本次设计采用电机为42-8型电机，功率为16kw，符合要求。

减速器选用四级平行轴圆柱齿轮减速器ZS65，速比为199.787。

当开动辅助传动装置时，此时磨机以0.44r/min的速度运转。

联轴器采用FLUDEX型液力联轴节。

离合器采用PLANOX型离合器。