龔峻　戴一鳴　周東　楊建明

（1.江蘇國信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇揚(yáng)州　225131；2.東南大學(xué)，江蘇南京　210096）

KMP300型磨煤機(jī)減速齒
輪箱行星齒輪軸承強(qiáng)度校核及改造方案研究

龔峻1戴一鳴1周東1楊建明2

（1.江蘇國信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇揚(yáng)州225131；2.東南大學(xué)，江蘇南京210096）

KMP300型磨煤機(jī)減速齒輪箱的行星減速機(jī)構(gòu)由太陽輪、三個(gè)均布行星齒輪、固定的內(nèi)齒圈和作為輸出軸的行星架構(gòu)成。此類型齒輪箱在發(fā)電廠制粉系統(tǒng)中作為HP型中速磨煤機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，使用過程中多次出現(xiàn)行星齒輪軸承損壞的故障。因此本文重點(diǎn)對(duì)該軸承設(shè)計(jì)的動(dòng)靜載荷及預(yù)期壽命進(jìn)行校核計(jì)算，以期找出該型齒輪箱軸承頻繁損壞的共性原因，從而從根本上消除該型齒輪箱存在的設(shè)計(jì)隱患。

磨煤機(jī)齒輪箱軸承動(dòng)靜載荷校核改進(jìn)方法

某火電廠2臺(tái)630MW鍋爐采用冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐配置6臺(tái)HP1003型中速磨煤機(jī)，磨煤機(jī)配備Flender KMP300型齒輪箱，兩臺(tái)機(jī)組于2007年投入商運(yùn)。Flender KMP300型齒輪箱采用螺旋傘齒輪、行星齒輪兩級(jí)減速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，由一對(duì)螺旋傘齒輪的嚙合完成齒輪箱的一級(jí)減速，然后通過齒形聯(lián)軸器將扭矩傳遞給行星減速機(jī)構(gòu)完成二次減速，其行星齒輪原設(shè)計(jì)配置FAG 22326E1.C3軸承。該型齒輪箱自2011年以來陸續(xù)出現(xiàn)了多臺(tái)磨煤機(jī)齒輪箱軸承損壞問題，降低了機(jī)組運(yùn)行可靠性，嚴(yán)重影響了運(yùn)行安全。

為準(zhǔn)確分析故障成因，并找出解決該型齒輪箱頻繁故障的解決方法，需首先對(duì)原制造廠所選FAG 22326E1.C3軸承受力情況及預(yù)期壽命進(jìn)行校核計(jì)算。

1　減速箱行星齒輪軸承受力與預(yù)期壽命核算

1.1行星輪軸承受力分析

KMP300型減速齒輪箱的太陽輪與行星輪的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。其中，太陽輪齒數(shù)Za=17，內(nèi)齒圈齒數(shù)Zb=103， 行星齒輪齒數(shù)Zc=43。

齒輪箱太陽輪與行星輪的受力如圖2所示。在輸入端轉(zhuǎn)速982rpm、驅(qū)動(dòng)功率520kW下，輸入轉(zhuǎn)矩為

其中，i1為第一級(jí)螺旋傘齒輪速比，P為輸入功率（電動(dòng)機(jī)額定功率kW），n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

行星輪圓周力：

行星輪徑向力：

根據(jù)以上各式，可得軸承所受徑向力為：

軸承所受軸向力為Fa=0。

1.2行星輪軸承的基本額定動(dòng)載荷與預(yù)期壽命

軸承當(dāng)量靜載荷：

軸承選型的基本額定動(dòng)載荷按式［8］壽命因素hf計(jì)算，此處，hf：壽命因數(shù)；mf：力矩載荷因數(shù)；df：沖擊載荷因數(shù)；nf：轉(zhuǎn)速因數(shù)；Tf：溫度因數(shù)。

對(duì)于KMP300型減速箱，行星輪的載荷不大，故力矩載荷因數(shù)取fm=1.5；行星輪轉(zhuǎn)速為79rpm，轉(zhuǎn)速因數(shù)取 fn=0.772；軸承溫度不大于120K，溫度因數(shù)取 fT=1.0。

沖擊載荷因數(shù)與設(shè)備工作的平穩(wěn)性有關(guān)，無沖擊或微沖擊機(jī)械fd=1.0～1..22，機(jī)床、內(nèi)燃機(jī)、起重機(jī)等中等沖擊機(jī)械 fd=1.2～1.88，破碎機(jī)等強(qiáng)沖擊機(jī)械 fd≥1.8。磨煤機(jī)理論上屬于破碎機(jī)械，但與礦山破碎機(jī)械相比，沖擊小得多，故將磨煤機(jī)列為中等沖擊機(jī)械是恰當(dāng)?shù)?。沖擊因數(shù)取值1.2時(shí)，據(jù)此計(jì)算得出原設(shè)計(jì)選型軸承的預(yù)期壽命為24500h，與我公司現(xiàn)場(chǎng)該型齒輪箱實(shí)際使用情況基本一致，約為3-4年時(shí)間，這也充分說明了我公司該型齒輪箱頻繁故障的真正原因，應(yīng)該就是齒輪箱設(shè)計(jì)時(shí)選取的動(dòng)載荷安全裕度不足。

圖3基于［8］給出了軸承的壽命因數(shù)與預(yù)期壽命間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖3可見，軸承的預(yù)期壽命是壽命因數(shù)的二次函數(shù)。對(duì)于KMP300型齒輪箱，將已確定的參數(shù)代入式（6），求得壽命因數(shù)與軸承基本額定動(dòng)載荷、實(shí)際動(dòng)載荷及沖擊因數(shù)的關(guān)系

由式（7）可知，在沖擊因數(shù)一定時(shí)，軸承的選型設(shè)計(jì)，就是在給定的動(dòng)載荷下，按預(yù)定的使用壽命，確定軸承的基本額定動(dòng)載荷。對(duì)我公司磨煤機(jī)齒輪箱行星輪軸承的改造，就是要尋找滿足結(jié)構(gòu)要求、基本額定動(dòng)載荷強(qiáng)于FAG 22326E1.C3的軸承。

2　軸承選型方案與可行性分析

2.1軸承選型

對(duì)于我公司磨煤機(jī)齒輪箱的行星輪軸承改造，軸承壽命因數(shù)計(jì)算中，實(shí)際動(dòng)載荷取167.15kN，沖擊因數(shù)取1.2，則式（7）改寫為

根據(jù)Flender KMP300型齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由于受到齒輪箱各傳動(dòng)部件配合尺寸的限制，綜合考慮軸承靜載荷安全校核、太陽輪—行星輪傳動(dòng)系統(tǒng)接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度安全校核，以及內(nèi)齒圈—行星輪傳動(dòng)系統(tǒng)接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度安全校核等因素，包括原設(shè)計(jì)選型軸承在內(nèi)僅有四種規(guī)格軸承可供選用。

我們對(duì)原選用軸承和3個(gè)可選型號(hào)軸承進(jìn)行了預(yù)期壽命計(jì)算，結(jié)果顯示：SKF產(chǎn)品目錄中，在行星輪軸承孔徑不大于300mm軸不大于150mm的情況下，F(xiàn)AG軸承系列中，沒有一款軸承的基本額定動(dòng)載荷高于1250kN。僅22328-E1及同系列軸承的基本額定動(dòng)載荷較現(xiàn)軸承大，預(yù)期壽命計(jì)算值比現(xiàn)軸承增加約68.2%。即FAG 22328-E1是改造唯一可選的軸承。

2.2可行性分析

本次行星輪軸承改造的可行性分析，著重點(diǎn)在于軸承軸和軸承孔的擴(kuò)大。

現(xiàn)有行星架軸承軸的直徑為150mm，選用FAG 22328-E1是可行的。由齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖推斷，行星輪內(nèi)孔由現(xiàn) φ280mm擴(kuò)大到φ300mm 是可行的。如選用FAG 22328-E1軸承作改造，可相對(duì)延長(zhǎng)行星輪軸承工作壽命16000h，能獲得一定程度的延壽作用。

3　通過運(yùn)行方式調(diào)整延長(zhǎng)KMP300型齒輪箱軸承工作壽命可行性分析

由［1］［2］［3］分析已知，KMP300型齒輪箱行星輪軸承的基本額定靜載荷符合設(shè)計(jì)要求，但其基本額定動(dòng)載荷偏小，壽命因數(shù)過低，故投運(yùn)不足4年就陸續(xù)發(fā)生了多臺(tái)磨煤機(jī)齒輪箱失效故障，但至今仍有同類型齒輪箱保持正常運(yùn)行，這表明失效故障的發(fā)生還與運(yùn)行因素有關(guān)，科學(xué)調(diào)整磨煤機(jī)運(yùn)行工況，也能有效延長(zhǎng)齒輪箱的工作壽命。式（7）顯示，軸承的壽命因數(shù)與實(shí)際載荷和沖擊因數(shù)成反比。因此，要延長(zhǎng)軸承工作壽命，一是盡可能降低磨煤機(jī)的沖擊載荷，避免加載力和給煤量不當(dāng)造成磨煤機(jī)較大振動(dòng)；二是合理分配各臺(tái)磨煤機(jī)的負(fù)荷，在制粉總電耗不增大的情況下，盡可能降低各臺(tái)磨煤機(jī)的實(shí)際載荷。

由此可見，通過磨煤機(jī)的參數(shù)調(diào)整和運(yùn)行優(yōu)化，也可以有效減緩軸承的壽命損耗。目前我公司根據(jù)磨煤機(jī)出力試驗(yàn)以及鍋爐制粉系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，已將原磨煤機(jī)設(shè)計(jì)最大出力60t/h優(yōu)化為56t/ h，這樣既能保證機(jī)組正常帶負(fù)荷能力，又改善了磨煤機(jī)運(yùn)行工況，對(duì)延長(zhǎng)此型磨煤機(jī)齒輪箱工作壽命有一定的幫助。

4　結(jié)論與建議

（1）我公司二期工程HP1003型立式中速磨煤機(jī)，投運(yùn)4年即發(fā)生齒輪箱行星輪軸承損壞事故，其根本原因是該軸承的額定動(dòng)載荷安全裕量設(shè)計(jì)過小。因此對(duì)現(xiàn)軸承進(jìn)行改造，對(duì)減緩軸承壽命損耗、延長(zhǎng)工作壽期是必要的。

（2）齒輪箱行星輪軸承改造的強(qiáng)度可行性研究與論證，應(yīng)著重于軸承軸及行星齒輪的內(nèi)孔擴(kuò)大方面，在行星輪軸承孔不大于300mm情況下，行星輪內(nèi)孔擴(kuò)大后輪轂強(qiáng)度經(jīng)校核計(jì)算沒有問題，因此選用比原設(shè)計(jì)更大規(guī)格的FAG 22328-E1軸承是可行的。

（3）在現(xiàn)有行星齒輪上進(jìn)行軸承改造，行星輪軸承孔不大于300mm情況下，采用FAG 22328-E1軸承是獲取延長(zhǎng)工作壽命最大的唯一選擇，可有效減緩軸承壽命損耗，在現(xiàn)有運(yùn)行方式下，預(yù)期工作壽命比原設(shè)計(jì)軸承增加16000h左右。

（4）對(duì)于既定磨煤機(jī)的齒輪箱，影響軸承工作壽命的主要因素是沖擊載荷和實(shí)際動(dòng)載荷，通過磨煤機(jī)負(fù)荷和加載力的優(yōu)化配置，可以減小沖擊和降低動(dòng)載荷，進(jìn)而延長(zhǎng)軸承的工作壽命。我公司二期工程磨煤機(jī)減速箱行星輪軸承固有動(dòng)載荷安全裕量太小，在行星輪內(nèi)孔不大于300mm約束下，軸承改造只能減緩壽命損耗。為有效延長(zhǎng)磨煤機(jī)減速箱軸承的工作壽命，在不影響機(jī)組正常帶負(fù)荷能力的前提下，可對(duì)二期工程磨煤機(jī)出力適當(dāng)降低，以達(dá)到減小沖擊和降低動(dòng)載荷目的，從而使磨煤機(jī)齒輪箱軸承壽命得到有效延長(zhǎng)。

目前我公司已完成2臺(tái)KMP300型齒輪箱采用FAG 22328-E1作為行星輪軸承進(jìn)行了改造，并投入運(yùn)行約一年時(shí)間，設(shè)備運(yùn)行工況穩(wěn)定，當(dāng)然實(shí)際改造延壽效果還有待于該設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行來檢驗(yàn)。

［1］江蘇新中科技股份有限公司，KMP300齒輪箱行星齒輪軸承強(qiáng)度校核與改型方案，2013年5月.

［2］成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第2卷）.第五版，化學(xué)工業(yè)出版社，2007. 11.

［3］日本精工株式會(huì)社.NSK滾動(dòng)軸承技術(shù)手冊(cè)，2008.