輥磨減速機的發(fā)展及應(yīng)用

介紹了輥磨減速機國內(nèi)外的發(fā)展與技術(shù)現(xiàn)狀，對輥磨減速機采用的關(guān)鍵技術(shù)進行了簡要說明，分析了輥磨減速機不同傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，進而從齒輪技術(shù)、新型傳動形式、在線監(jiān)測及故障診斷技術(shù)等方面對輥磨齒輪減速機的發(fā)展進行了展望。

輥磨；減速機；傳動結(jié)構(gòu)

1 輥磨齒輪減速機結(jié)構(gòu)與特點

輥磨減速機國外公司起步早，技術(shù)相對成熟，如RENK、FLENDER、MAAG、SEISA等。其結(jié)構(gòu)形式主要有三種：圓柱齒輪減速機、立式行星減速機、多點邊緣驅(qū)動。

從圖1可以看出，輥磨減速機位于整個輥磨的最下部，輸出盤與磨盤剛性連接，減速機不僅要承受物料、磨輥的重力，還要承受磨輥所施加的巨大壓力。輥磨減速機作為核心動力裝置，在磨機系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

1.1 圓柱齒輪減速機

輥磨減速機早期采用三級圓柱齒輪傳動形式，一級為螺傘，二級、三級為平行軸，結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種減速機齒輪為調(diào)質(zhì)齒輪，后期有采用硬齒面齒輪，體積大、重量重、技術(shù)相對落后，只用于小功率場合，現(xiàn)在基本上不采用此類結(jié)構(gòu)形式。

1.2 立式行星減速機

輥磨用立式行星減速機國內(nèi)外公司的產(chǎn)品類型主要有如下幾種：兩級傳動結(jié)構(gòu)、三級傳動（1+1+1）結(jié)構(gòu)、三級雙分流結(jié)構(gòu)、三級雙行星結(jié)構(gòu)。

（1）兩級傳動結(jié)構(gòu)

該傳動形式為一級螺傘+二級行星，結(jié)構(gòu)如圖3所示。此類結(jié)構(gòu)減速機速比通常＜38，錐齒輪副和行星齒輪副均需較大速比。對于大功率輥磨減速機來講，其所需錐齒輪的模數(shù)大、直徑大和齒寬大，因而需要大型錐齒輪加工設(shè)備，但齒輪各項精度無法保證較高要求，這樣對其傳動來講就會存在不平穩(wěn)，噪音大，易形成沖擊造成震動，所以該結(jié)構(gòu)主要用于200～2000kW中小功率范圍。

（2）三級傳動（1+1+1）結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)在原兩級傳動基礎(chǔ)上增加了一級平行軸齒輪副，將原需一級大速比、大規(guī)格傘齒輪副傳遞的力矩合理分配給兩級齒輪副，并且行星部分速比也可釋放給平行，錐齒輪的模數(shù)、直徑和齒寬都會因速比減小而減小，行星機構(gòu)也如此，這樣既可以避免上述錐齒輪存在的弊端，同時也可提高行星機構(gòu)的精度及強度。結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

該結(jié)構(gòu)增加一級圓柱齒輪，對減速機結(jié)構(gòu)影響有限，當減速機功率超過3000kW，若仍然采用三級傳動結(jié)構(gòu)，其螺旋傘齒輪依然較大。

（3）三級雙分流結(jié)構(gòu)

雙分流結(jié)構(gòu)是在原三級傳動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行變形設(shè)計，總體原理是將功率先分流再匯流，在滿足輥磨減速機總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，合理利用空間，實現(xiàn)將功率分流再匯流的功能。結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

此結(jié)構(gòu)將一副大規(guī)格傘齒輪所要傳遞的功率分配給兩副小規(guī)格傘齒輪來傳遞，從而避免采用大規(guī)格傘齒輪帶來的弊端。國內(nèi)企業(yè)已生產(chǎn)出5400kW減速器。但均載不易解決，并應(yīng)提高整個傳動鏈的可靠性。

（4）三級雙行星結(jié)構(gòu)

三級雙行星結(jié)構(gòu)為一級錐齒輪副再加兩級行星機構(gòu)。該傳動形式可進一步優(yōu)化各級傳動比，減小錐齒輪的尺寸，充分發(fā)揮行星傳動高承載能力的優(yōu)勢。結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

該結(jié)構(gòu)減速機結(jié)構(gòu)緊湊，第二、三級內(nèi)齒圈可完全相同便于加工，符合輥磨減速機大型化的要求。

1.3 多點邊緣驅(qū)動

隨著生產(chǎn)設(shè)備大型化趨勢越來越明顯，輥磨主驅(qū)動裝置的功率也越來越大，如目前最大規(guī)格輥磨傳遞功率已達12000kW，如仍采用傳統(tǒng)齒輪箱，不僅給設(shè)計、制造、運輸及安裝等帶來極大困難，而且減速機本身的體積也十分龐大，造價昂貴。

為適應(yīng)輥磨大型化的需要，一種新型多點邊緣驅(qū)動裝置應(yīng)運而生，其結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

將多個構(gòu)造完全一致的傳動模塊分別安裝于磨機回轉(zhuǎn)體上的大齒圈周圍，借助于傳動模塊中齒輪箱上的小齒輪驅(qū)動大齒圈實現(xiàn)對磨機的驅(qū)動。每一傳動模塊均由電機、聯(lián)軸器、齒輪箱和滑動軌道組成，所用傳動模塊的數(shù)目依據(jù)總的傳遞功率決定，一般可為3～6組。

1.3.1 多點邊緣驅(qū)動的優(yōu)點

（1）單個傳動模塊結(jié)構(gòu)簡單、輕便，易于制造、運輸、安裝及檢修。齒輪裝置中采用了螺旋錐齒輪、圓柱齒輪等磨機傳統(tǒng)的傳動零部件，且尺寸不大，設(shè)計制造容易，使用經(jīng)驗豐富，發(fā)生故障的概率較小。

（2）單一傳動模塊發(fā)生故障時不會影響磨機整機的運行，此時只需減小喂料量，降低產(chǎn)量運行即可。同時可將故障部件沿軌道移出處理，待處理完畢后將其安裝歸位，對生產(chǎn)的影響較小。

（3）齒輪箱殼體不再承受來自磨盤的巨大壓力，大大降低了殼體的設(shè)計制造要求，同時也消除了由于殼體變形或開裂而對傳動副中齒輪嚙合的影響。

（4）可通過控制各驅(qū)動變頻電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)各點輸入載荷的均載，輸出小齒輪和大齒圈的齒向載荷均布問題，可通過鼓形齒均載技術(shù)實現(xiàn)。

（5）造價低、節(jié)省投資，也有利于提高整機的市場競爭力。

1.3.2 價格優(yōu)勢

以MVR4750BC型輥磨為例，采用傳統(tǒng)齒輪箱傳動，單齒輪箱重量就達110t，再加上電機、聯(lián)軸器及軌道，總重會超過180t。采用多點邊緣驅(qū)動裝置單套重約20t，三套共計60t，若再加上齒圈重量，總重約70t。若再綜合考慮殼體支承等因素，采用新的傳動型式的整體造價仍可節(jié)省20%～30%，隨著功率的進一步加大，這一比例將會顯著上升。

1.3.3 應(yīng)用

2009年法國Valdeseine粉磨站安裝了MPS4750BC輥磨。該磨共采用三個驅(qū)動單元，每個單元的傳遞功率為1450kW，用于粉磨水泥時的產(chǎn)量為120t/h。粉磨礦渣時的產(chǎn)量為130t/h。

印度Balaji的一個水泥廠一臺MVR5600-4輥磨，共有4個磨輥，粉磨水泥產(chǎn)量為310t/h?？傭?qū)動功率為6600kW，采用了4個驅(qū)動單元，每個單元的傳遞功率為1650kW。

由國內(nèi)某重機廠設(shè)計制造的多點邊緣驅(qū)動的輥磨正在安裝調(diào)試中，這將成為國內(nèi)首臺采用這種傳動型式的磨機。圖8中為Pfeiffer公司輥磨上使用的多點邊緣驅(qū)動裝置的一個單元的現(xiàn)場應(yīng)用照片。

2 輥磨減速機的設(shè)計要求

根據(jù)輥磨的工況和現(xiàn)場使用情況提出如下要求：

（1）減速機能夠長期在粉塵、多風、有雨、有雪的惡劣環(huán)境下可靠工作；

（2）減速機能夠承受巨大的、變化的垂直動、靜負荷；

（3）減速機能夠帶載啟動；

（4）減速機體積要小、重量盡可能輕，特別是高度尺寸要小；

（5）減速機承載能力要大，特別是要有足夠的抗沖擊的安全系數(shù)，一般要求其AGGM服務(wù)系數(shù)大于2.5；

（6）減速機整機設(shè)計使用壽命20年以上；

（7）減速機應(yīng)具有全面的監(jiān)測和保護手段，如振動、溫度、流量的監(jiān)測和報警。

3 輥磨減速機未來發(fā)展方向

輥磨減速機性能要求高技術(shù)難度大，前期以國外公司產(chǎn)品為主，但使用中陸續(xù)出現(xiàn)不少問題和事故，需要進一步研究。針對使用中出現(xiàn)的問題和為適應(yīng)輥磨大型化、提高使用可靠性、降低生產(chǎn)成本等要求，對輥磨從設(shè)計、生產(chǎn)到使用維護均應(yīng)深入地分析。筆者認為應(yīng)在以下四個方面有所加強：產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)平臺、新型傳動結(jié)構(gòu)、更高的齒輪技術(shù)、在線檢測與故障診斷。

3.1 產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)平臺

（1）齒輪設(shè)計

當前對齒輪設(shè)計較為先進的計算分析軟件有：Romax、KISS soft、Gear等。該類軟價不但能對齒輪、軸承、軸等零部件進行計算，還能進行整機建模，對減速機整機性能進行分析。圖9、10為KISS soft/sys軟件計算界面。

（2）軸承計算

早期傳統(tǒng)的計算方法很難模擬軸承的實際使用情況，計算中對油的品質(zhì)、載荷情況很難納入計算，計算結(jié)果較為粗糙。隨著技術(shù)的發(fā)展和國外先進軟件的引入，當前對滾動軸承的計算軟件較為成熟，如Romax、KISS soft等均有軸承計算單元，軟件界面如圖11所示。但滑動軸承的計算較為復雜，雖有眾多軟件可以計算，但運算方法差別較大，大部分企業(yè)均采用自己開發(fā)的軟件。在軟件的設(shè)計中應(yīng)充分考慮載荷的沖擊及偏載時對最小油膜厚度的影響，并確保最經(jīng)濟的潤滑流量。

（3）行星架等結(jié)構(gòu)件設(shè)計

傳統(tǒng)的力學計算方法很難對箱體和行星架等復雜部件進行較為準確的計算，采用 ANSYS、ABAQUS、MSC等有限元分析軟件不但能對這些部件的強度和剛度進行精確的性能分析，還能對軸系和減速機整機動態(tài)性能等進行動態(tài)性能分析[3]。行星架和太陽輪有限元分析如圖12、13所示。

3.2 新傳動形式

（1）雙行星雙輸出結(jié)構(gòu)

當輥磨主傳動功率大于4000kW時，當前立式行星減速機的結(jié)構(gòu)均較大。中國重型院在吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了新型雙行星雙輸出結(jié)構(gòu)，并申報了國家發(fā)明專利。該結(jié)構(gòu)為一級錐齒輪副再加兩級行星機構(gòu)，第一級行星機構(gòu)的行星軸和第二級行星機構(gòu)的內(nèi)齒圈同時輸出。結(jié)構(gòu)顯示如圖14所示。

雙行星雙輸出特點：

a傳動比范圍大，遠遠超過上述雙行星結(jié)構(gòu)；

b兩級行星同時輸出，提高了承載能力和可靠性。第一級行星輸出約30%的扭矩，第二級行星輸出約70%的扭矩，實現(xiàn)了扭矩分流，傳動效率高，承載能力大。

（2）多行星輪的柔性銷均載機構(gòu)

MAGG公司已將多行星輪柔性均載機構(gòu)用于電力行業(yè)的行星減速器中。多行星輪結(jié)構(gòu)，提高了承載能力，減小了體積、重量，降低了加工難度；行星輪采用柔性銷均載技術(shù)，通過柔性行星軸的彈性變形來實現(xiàn)齒輪嚙合表面載荷的均勻，最大化實現(xiàn)了載荷均載。其原理和結(jié)構(gòu)形式如圖15所示。

3.3 更高的齒輪技術(shù)

將有限元法運用于齒輪的設(shè)計中，從靜強度校核到瞬態(tài)沖擊、動力學分析，從機械性能分析到熱應(yīng)力和機械應(yīng)力耦合的分析。

對整個齒輪箱系統(tǒng)進行建模，從靜、動態(tài)載荷特性出發(fā)，利用靜力學、動力學、疲勞、噪音等分析方法進行全面分析，同時引入熱應(yīng)力對機械強度的影響；獲得減速機的合理結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)變形確定齒輪的修形，確保齒輪擁有更優(yōu)異的性能。

齒輪采用深層滲碳技術(shù)，提高齒輪的耐磨性和壽命，齒根進行噴丸處理，降低熱處理的殘余應(yīng)力，提高齒輪的強度[4]。

采用齒輪超精研磨工藝，提高齒輪表面粗糙度；精確的齒輪修形，降低齒面載荷；選用專用抗微點蝕的合成齒輪油等方法來降低微點蝕的危害。

3.4 在線監(jiān)測及故障診斷技術(shù)的應(yīng)用

機械設(shè)備在運行時會發(fā)生振動和噪音，當運行部件中存在故障隱患時，往往會使振動、噪音、溫度等物理參數(shù)發(fā)生某種變化，這種變化僅僅靠人的感官是很難發(fā)現(xiàn)的，一旦發(fā)現(xiàn)，往往是在比較嚴重和危險的階段。為了保證設(shè)備的正常工作，防止突發(fā)性事故的發(fā)生，需要利用在線監(jiān)測及故障診斷技術(shù)[5]。

在線檢測就是通過長期安裝在關(guān)鍵設(shè)備上的測量設(shè)備檢測運行中的振動、位移、轉(zhuǎn)速、溫度和電流等參數(shù)信號，借助于計算機和診斷技術(shù)進行分析處理，從而提取各種信號中的有用信息。系統(tǒng)的硬件由傳感器、信號調(diào)理箱、采集監(jiān)測計算機構(gòu)成。軟件部分由輥磨齒輪減速機的在線監(jiān)測模塊與分析診斷模塊構(gòu)成。檢測系統(tǒng)的構(gòu)成如圖16所示。

對檢測到的信息利用知識庫中的專家知識，采用模糊識別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模型對設(shè)備的狀態(tài)進行自動識別，達到狀態(tài)檢測、趨勢分析、故障診斷和輔助維修決策的目的。信號處理與決策如圖17所示。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，各形式輥磨減速機都有各自的特點、獨到的技術(shù)和風格，代表了國內(nèi)外輥磨減速機的世界水平，同時在使用中也陸續(xù)出現(xiàn)不少問題和事故。輥磨用齒輪減速機作為輥磨的核心動力裝置，應(yīng)深入分析，對減速機的設(shè)計制造提出更高要求。

筆者認為應(yīng)在設(shè)計原理、制造技術(shù)、在線檢測等方面加大力度，希望有更多創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)、先進的技術(shù)應(yīng)用到輥磨減速機上，制造出成本更低、性能更可靠穩(wěn)定的產(chǎn)品。

[1]李濤平.輥磨在現(xiàn)代水泥工業(yè)中的應(yīng)用[J].中國水泥，2002（11）39-43.

[2]徐鴻鈞,葛延,姜永濤.LXZM46礦渣輥磨的研制[J].重型機械，2010（6）2-3.

[3]張朝暉.ANSYS 11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]郁明山.齒輪手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001：25-28.

[5]中國機械工程學會設(shè)備與維修工程分會.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)及其工程應(yīng)用[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2010：54-56.

徐鴻鈞，謝春普，姜永濤，趙玉良，李國莉

Development and Application for Gear Reducer of Roller Mill

XU Hong-jun,XIE Chun-pu,JIANG Yong-tao,ZHAO Yu-liang,LI Guo-li
(China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd,Xi’an 710032,China)

The article introduces the development and key technology of the roller mill gear reducer,analyzes the characters of different drive system.Then point out the development tendency of the gear reducer from gear technology,new drive form,online-observation,accident diagnosis technology and so on.

Roller Mill;Gear Reducer;Drive System

TQ172.632.9

A

1001-6171（2012）02-0021-05

通訊地址：中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032；

2011-10-25；

呂 光