Khớp nối cho lò quay xi măng: Thiết kế hệ thống truyền động không ngừng nghỉ

Khớp nối bánh răng – lựa chọn chủ đạo cho hệ truyền động chính của lò quay xi măng – hoạt động dựa trên nguyên lý ăn khớp răng bánh răng có gờ giữa hai ống lót bánh răng bên trong và hai moayơ bánh răng bên ngoài. Mỗi moayơ được gắn vào một đầu trục, trong khi cụm ống lót nối liền hai moayơ. Việc tạo gờ cho răng bánh răng, tức là tạo hình lồi có chủ đích cho mỗi răng dọc theo chiều rộng mặt răng, là đặc điểm hình học giúp bù trừ sự lệch trục. Khi hai trục không hoàn toàn thẳng hàng – điều hầu như luôn xảy ra trong hệ truyền động lò nung – các răng có gờ sẽ lắc lư so với răng của ống lót theo một cung nhỏ, làm nghiêng vùng tiếp xúc ăn khớp mà không tạo ra tải trọng cạnh quá lớn như trường hợp bánh răng thẳng trong cùng điều kiện. Hình dạng răng này, kết hợp với một lớp màng bôi trơn đặc liên tục giữa các bề mặt ăn khớp, cho phép khớp nối duy trì khả năng truyền mô-men xoắn tối đa ngay cả khi sự lệch trục thay đổi động trong quá trình quay của lò nung.

Mô-men xoắn được truyền qua ứng suất cắt trong màng bôi trơn và sự tiếp xúc trực tiếp giữa các răng ăn khớp đồng thời, phân bổ tải trọng mô-men xoắn khổng lồ mà hệ truyền động lò nung tạo ra. Ở tốc độ sản xuất tối đa, hệ truyền động lò nung ướt hiện đại có thể tạo ra mô-men xoắn duy trì từ 200.000 đến 500.000 N·m tại khớp nối, với tải trọng đỉnh tức thời trong quá trình khởi động hoặc tăng đột biến lượng nguyên liệu đạt từ 2,5 đến 3 lần mô-men xoắn định mức. Khớp nối phải truyền tải các tải trọng đỉnh này mà không làm bong tróc răng, nứt ống lót hoặc hỏng bu lông mặt bích, đồng thời trở lại hoạt động ổn định một cách trơn tru mà không để lại hư hại dư thừa trong khớp bánh răng.

Trục bánh xe bằng thép hợp kim (42CrMo4)

Các moayơ bánh răng của khớp nối chịu tải lò nung được chế tạo từ thép hợp kim crom-molypden tôi và ram, thường tuân theo tiêu chuẩn 42CrMo4 hoặc AISI 4140. Hợp kim này có độ bền kéo từ 900 đến 1.100 MPa sau khi xử lý nhiệt, với độ cứng Brinell từ 250 đến 300 HB, cung cấp độ bền chân răng cần thiết để chịu được mô-men xoắn cực đại mà không bị biến dạng dẻo. Hàm lượng molypden trong hợp kim góp phần vào khả năng tôi cứng sâu, đảm bảo rằng quá trình tôi cứng có lợi lan rộng vào bên trong tiết diện răng chứ không chỉ ở lớp bề mặt.

Răng tôi cacbon và tôi cứng bề mặt

Các răng bánh răng được tôi cacbon hóa, sau đó làm nguội có kiểm soát để tạo ra lớp tôi cứng có độ sâu từ 0,8 đến 1,5 mm, với độ cứng bề mặt đạt từ 58 đến 62 HRC. Lớp tôi cứng này chống lại sự trượt vi mô do mài mòn xảy ra giữa các răng có gờ trong quá trình bù sai lệch, một cơ chế mài mòn làm hỏng các khớp nối không được tôi cứng trong vòng vài tháng khi sử dụng trong lò nung. Hàm lượng austenit còn lại được kiểm soát ở mức dưới 15% để ngăn ngừa sự mềm dần dưới chu kỳ nhiệt hoạt động, điều này sẽ làm giảm khả năng chống mài mòn và cho phép các vết nứt mỏi lan truyền từ bề mặt được tôi cứng vào lõi mềm hơn.

Chất bôi trơn có độ nhớt cao, chịu áp suất cực cao

Chất bôi trơn được giữ lại bên trong khoang ống nối không phải là loại mỡ công nghiệp tiêu chuẩn. Các khớp nối dùng trong lò nung yêu cầu loại mỡ có độ nhớt cao, chịu áp suất cực cao, được pha chế với chất làm đặc phức hợp lithium hoặc polyurea và các chất phụ gia EP (chịu áp suất cực cao) như các hợp chất lưu huỳnh-phốt pho. Mỡ phải chịu được sự tách lớp ly tâm ở tốc độ ngoại vi điển hình của khớp nối lò nung từ 3 đến 8 m/s, không được oxy hóa hoặc cứng lại dưới nhiệt bức xạ từ vỏ lò nung, và phải duy trì độ bền màng dưới tải trọng tiếp xúc dao động do bù sai lệch gây ra. Chu kỳ bôi trơn lại mỡ trên các khớp nối lò nung được bịt kín tốt thường dao động từ 6 đến 18 tháng, một lợi thế vận hành đáng kể trong các cơ sở như những cơ sở phục vụ chuỗi cung ứng vật liệu xây dựng của Sheffield, nơi lịch bảo trì được lên kế hoạch chặt chẽ.

Ống nối mặt bích bằng thép rèn

Các ống lót ngoài được rèn từ thép cacbon trung bình, được xử lý giảm ứng suất sau khi gia công để loại bỏ các ứng suất dư thừa trong quá trình sản xuất có thể gây ra các vết nứt mỏi trong quá trình tải trọng chu kỳ nặng. Khớp nối mặt bích bằng bu lông nối hai nửa ống lót sử dụng các bu lông cường độ cao được siết chặt theo thông số tải trước chính xác, tạo ra một khớp nối ma sát truyền một phần mô-men xoắn ngoài sự ăn khớp bánh răng. Trên các khớp nối lò nung lớn, các bu lông mặt bích này có thể là loại M48 hoặc M56 cấp 12.9, được siết chặt bằng bộ căng bu lông thủy lực theo tải trước được tính toán để ngăn ngừa sự trượt tương đối giữa các mặt bích dưới mô-men xoắn cực đại trong trường hợp xấu nhất, bao gồm cả các quá tải tạm thời xảy ra trong quá trình khởi động lò nung với vỏ nguội.

01

Ứng dụng thực tế: Cơ cấu truyền động bánh răng chính cho lò quay xi măng.

02

Kịch bản ứng dụng: Hệ thống truyền động lò nung phụ trợ

03

Ứng dụng thực tế: Hệ thống truyền động cho máy nghiền nguyên liệu thô và máy nghiền xi măng.

Quy trình sản xuất xi măng bao gồm các máy nghiền quay cỡ lớn — máy nghiền nguyên liệu thô trước lò nung và máy nghiền xi măng sau khi xả clinker — đặt ra các yêu cầu về khớp nối có liên quan nhưng khác biệt với hệ thống truyền động chính của lò nung. Các máy nghiền nằm ngang này được dẫn động bằng động cơ vòng hoặc hệ thống bánh răng và hộp số tương tự như lò nung, nhưng tải mô-men xoắn được đặc trưng bởi việc khởi động thường xuyên dưới quán tính cao, sự thay đổi tải trọng khi khối lượng nguyên liệu nghiền bên trong máy dịch chuyển, và tải trọng va đập không thường xuyên khi nguyên liệu cứng đi qua máy nghiền. Do đó, các khớp nối bánh răng trong ứng dụng máy nghiền phải kết hợp khả năng bù sai lệch cần thiết cho các vỏ quay lớn với khả năng hấp thụ va đập và bảo vệ quá tải phù hợp với điều kiện khởi động nặng không liên tục.

Các nhà máy xi măng ở Anh hoạt động trong vùng đá vôi từ Derbyshire xuống Cotswolds đến Kent thường yêu cầu thiết kế khớp nối cho hệ thống truyền động máy nghiền bao gồm các lỗ xả nhiệt — các đường dẫn giảm áp nhỏ trong ống khớp nối cho phép chất bôi trơn nóng thoát ra và không khí mát đi vào trong chu kỳ gia nhiệt, ngăn ngừa sự tích tụ áp suất bên trong ống có thể đẩy chất bôi trơn qua các vòng đệm. Tính năng thiết kế này kéo dài đáng kể tuổi thọ của vòng đệm trong môi trường nhiệt độ cao của nhà máy xi măng, giảm thiểu sự thất thoát chất bôi trơn và ô nhiễm khu vực hố truyền động xung quanh.

04

Ứng dụng thực tế: Quạt làm mát lò nung và bộ điều khiển quạt hút khí.

Khớp nối dầm linh hoạt

Được thiết kế để kết nối trục chính xác trong các ứng dụng tải trọng trung bình trong hệ thống phụ trợ nhà máy xi măng, khớp nối dầm linh hoạt hấp thụ rung động và điều chỉnh độ lệch góc và song song nhờ cấu trúc dầm rãnh xoắn ốc. Được chế tạo từ thép không gỉ hoặc hợp kim nhôm cao cấp, nó mang lại hiệu suất ổn định trong môi trường nhiều bụi và nhiệt độ thay đổi thất thường điển hình của các nhà máy chế biến xi măng. Đặc tính không có độ rơ của nó làm cho nó đặc biệt phù hợp với các thiết bị phụ trợ điều khiển vị trí trong dây chuyền sản xuất xi măng.

Xem khớp nối dầm linh hoạt →

Khớp nối đĩa

Khớp nối đĩa là lựa chọn tuyệt vời cho các hệ thống truyền động quạt lò nung và hệ thống phụ trợ nhà máy xi măng, nơi yêu cầu hoạt động tốc độ cao, độ cứng xoắn cao và khả năng truyền mô-men xoắn mà không cần bôi trơn. Bộ đĩa kim loại mỏng, linh hoạt kết nối hai mặt bích của khớp nối đồng thời bù trừ sai lệch góc và trục thông qua sự biến dạng của đĩa, mà không cần tiếp xúc trượt vi mô như ở các khớp nối bánh răng cần bôi trơn. Đặc tính không cần bảo dưỡng này giúp giảm chi phí vận hành cho các hệ thống truyền động tốc độ cao và loại bỏ nguy cơ ô nhiễm chất bôi trơn thường gặp ở các khớp nối bôi trơn bằng mỡ hoạt động gần các thiết bị nhạy cảm về chất lượng của nhà máy xi măng.

Xem khớp nối đĩa →

Nghiên cứu trường hợp | Sản xuất xi măng | Clitheroe, Lancashire, Vương quốc Anh

Một nhà máy sản xuất xi măng lớn ở Clitheroe, Lancashire, vận hành hai lò quay ướt cung cấp clinker cho các nhà sản xuất bê tông trên khắp vùng Tây Bắc nước Anh, đang gặp phải tình trạng hỏng khớp nối lặp đi lặp lại trên hệ thống truyền động chính của Lò số 2. Khớp nối – một loại khớp nối bánh răng do một nhà sản xuất châu Âu cung cấp – bị hỏng ở mức răng, với hiện tượng rỗ vi mô trên bề mặt răng và bong tróc dần trong vòng 12 đến 18 tháng sau khi lắp đặt. Mỗi lần hỏng hóc đều yêu cầu phải ngừng hoạt động toàn bộ lò trong khoảng 36 giờ để tháo và thay thế khớp nối, với tổng chi phí do mất sản lượng và chi phí nhân công bảo trì khẩn cấp ước tính khoảng 90.000 bảng Anh mỗi sự cố. Với hai đến ba sự cố xảy ra mỗi lò mỗi năm, tổng chi phí thiệt hại đang đạt đến mức cần thiết phải tiến hành một cuộc điều tra kỹ thuật toàn diện.

Nhóm kỹ thuật độ tin cậy của nhà máy đã liên hệ với Ever Power sau khi được giới thiệu từ một nhà máy chị em ở Birmingham, nơi trước đó đã giải quyết một vấn đề tương tự với sự hỗ trợ của Ever Power. Các kỹ sư ứng dụng của chúng tôi đã đến hiện trường, xem xét các bản vẽ khớp nối hiện có, kiểm tra một bộ khớp nối bị lỗi và tiến hành xem xét chi tiết dữ liệu vận hành của lò nung, bao gồm nhật ký dòng điện động cơ truyền động, cho thấy các xung quá dòng định kỳ tương ứng với các vị trí quay cụ thể của lò nung. Phân tích này đã dẫn đến việc xác định hai yếu tố góp phần: vỏ lò nung đã bị biến dạng hình bầu dục nhẹ sau nhiều năm hoạt động, tạo ra sự thay đổi mô-men xoắn gấp đôi mỗi vòng quay mà việc lựa chọn khớp nối ban đầu không tính đến; và bán kính đỉnh răng được chỉ định của khớp nối không đủ lớn để xử lý sự kết hợp giữa sai lệch nhiệt và sự thay đổi mô-men xoắn động này mà không gây ra hiện tượng mỏi bề mặt.

Ever Power đã thiết kế một bộ khớp nối thay thế với cấu hình đỉnh răng được sửa đổi — sử dụng hình dạng đỉnh răng hình cầu thay vì hình trụ như thiết kế ban đầu — giúp phân bổ tải trọng tiếp xúc đồng đều hơn trên bề mặt răng dưới sự lệch góc và lệch hướng tâm kết hợp của hệ thống lắp đặt cụ thể này. Chúng tôi cũng đã chỉ định công thức mỡ EP có độ nhớt cao hơn để duy trì độ dày màng bôi trơn dưới áp suất tiếp xúc cao hơn do sự thay đổi mô-men xoắn động. Bộ khớp nối thay thế đã được lắp đặt trong đợt bảo trì định kỳ hàng năm vào tháng 3, và kể từ đó nhà máy đã hoạt động liên tục trong 22 tháng mà không xảy ra sự cố nào liên quan đến khớp nối. Nhóm bảo trì của nhà máy báo cáo rằng phân tích chất bôi trơn của khớp nối mới vẫn sạch sẽ sau 12 tháng, không có hàm lượng hạt kim loại nào vượt quá mức nền.

“Bộ khớp nối do Ever Power cung cấp cho hệ thống truyền động chính của Lò nung số 2 của chúng tôi đã hoạt động được gần hai năm mà không gặp bất kỳ sự cố nào. Điều gây ấn tượng nhất với chúng tôi là sự phân tích chuyên sâu mà các kỹ sư của họ đã thực hiện trước khi đặt hàng — họ đã xác định được sự không khớp về độ dày răng mà nhóm của chúng tôi không phát hiện ra, và thiết kế được sửa đổi mà họ đề xuất đã giải quyết hoàn toàn vấn đề bong tróc răng tái diễn, vốn đã gây thiệt hại hàng chục nghìn bảng Anh cho mỗi lần xảy ra sự cố. Đối với một bộ phận quan trọng như vậy, sự tham vấn kỹ thuật cũng quan trọng không kém gì chính sản phẩm.”

“Chúng tôi đã lựa chọn khớp nối Ever Power cho việc đại tu hệ thống truyền động máy nghiền nguyên liệu và máy nghiền xi măng trong đợt cải tạo lớn nhà máy năm 2023, dựa trên khuyến nghị từ các đối tác trong ngành sản xuất tại Birmingham. Các chứng nhận vật liệu và báo cáo kiểm tra răng được cung cấp kèm theo mỗi khớp nối đều đầy đủ và chính xác đáp ứng yêu cầu của bộ phận kiểm soát chất lượng của chúng tôi. Thời gian giao hàng được đáp ứng, hồ sơ đầy đủ và các khớp nối đã hoạt động không gặp sự cố kể từ khi đưa vào sử dụng. Vì vậy, chúng tôi đã bổ sung chúng vào danh sách linh kiện được phê duyệt cho các lần mua hàng trong tương lai.”

“Hệ thống truyền động phụ trợ lò nung của chúng tôi trước đây thường xuyên gặp sự cố hỏng khớp nối đàn hồi mà chúng tôi cho là do môi trường nhiệt độ cao trong hố truyền động. Nhóm kỹ thuật của Ever Power đã xem xét hệ thống lắp đặt của chúng tôi và đề xuất một loại hợp chất đàn hồi khác với định mức nhiệt độ hoạt động tối đa cao hơn, đồng thời điều chỉnh đường kính lỗ lắp khớp nối để giảm độ lệch khi vận hành trong hệ thống truyền động phụ trợ. Chi phí sửa đổi là tối thiểu so với việc thay thế tiêu chuẩn, và chu kỳ hỏng hóc đã được kéo dài từ 8 tháng lên hơn 18 tháng trong quá trình vận hành hiện tại. Tôi khuyên bạn nên liên hệ với nhóm kỹ thuật của họ ngay từ giai đoạn đầu của quá trình lập đặc tả kỹ thuật.”