賁道春，儲(chǔ)小虎，王冬生，韓　楷，許友娟

(江蘇鵬飛集團(tuán)股份有限公司，江蘇 海安 226623)

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滑履磨夾板磨損原因分析及自定位滑履軸承設(shè)計(jì)

賁道春，儲(chǔ)小虎，王冬生，韓楷，許友娟

(江蘇鵬飛集團(tuán)股份有限公司，江蘇 海安 226623)

從大型滑履磨夾板磨損的現(xiàn)狀及對磨機(jī)運(yùn)行的影響入手，剖析夾板磨損的力學(xué)機(jī)理，提出了解決夾板磨損問題的自定位滑履軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；通過力學(xué)平衡實(shí)例解算，解決了自定位滑履軸承設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)—滑履托瓦傾角的確定；運(yùn)用比照法對自定位滑履軸承的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行效益評估，得出結(jié)論：采用小錐角自定位滑履軸承，從根本上避免磨體軸向力引起的夾板磨損和磨體竄動(dòng)，解決滑履磨不宜使用斜齒輪傳動(dòng)的問題，提高斜齒輪傳動(dòng)在滑履磨上傳動(dòng)平穩(wěn)性和承載能力，提高粉磨效益。

滑履磨；斜齒輪；夾板；磨損；自定位

球磨機(jī)最初采用中空軸主軸承支承和直齒輪傳動(dòng)。隨著球磨機(jī)規(guī)格的不斷增大，為了提高承載能力和嚙合性能而逐步采用滑履軸承支承和斜齒輪傳動(dòng)。大型球磨機(jī)大多采用單側(cè)或雙側(cè)斜齒輪傳動(dòng)，提高齒輪傳動(dòng)的可靠性是大型球磨機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。管磨機(jī)斜齒輪邊緣傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生軸向力。齒輪螺旋角的取值范圍主要考慮到重合度、傳動(dòng)平穩(wěn)性和附加軸向力對支承的影響。為防止磨體在斜齒輪軸向分力作用下的軸向竄動(dòng)，通常在磨機(jī)小齒輪傳動(dòng)側(cè)的滑履軸承兩側(cè)面設(shè)置夾板限位。當(dāng)磨機(jī)回轉(zhuǎn)筒體產(chǎn)生軸向竄動(dòng)不至于使夾板損壞時(shí)，螺旋角的取值可以大一些[2]。但是在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于設(shè)備制造安裝精度等原因，即便螺旋角只有3～4°的斜齒輪，或者是直齒輪，由于種種原因很難保證球磨機(jī)這種重載設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磨機(jī)不產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，并磨損夾板。如山東棗莊某水泥廠的邊緣傳動(dòng)雙滑履水泥磨φ3.5m×14m、陜西堯柏特種水泥廠的中心傳動(dòng)雙滑履水泥磨φ4m×13m和湖北世紀(jì)新峰水泥廠的φ4.6m×9.5m+3.5m中心傳動(dòng)中卸烘干雙滑履磨等，均出現(xiàn)過夾板嚴(yán)重磨損現(xiàn)象。其中有因無法解決問題將斜齒輪傳動(dòng)改成直齒輪傳動(dòng)的，有8個(gè)月?lián)Q4次夾板的，有不到20d夾板磨損量達(dá)20～23mm的等等情況[3]。

滑履磨夾板磨損，表證磨體軸向竄動(dòng)，表證磨機(jī)齒輪傳動(dòng)嚙合性能的可靠性降低，表證滑履支承條件及油膜條件的損壞。輕則傳動(dòng)效率下降，粉磨能耗增加，重則傳動(dòng)齒輪和滑履支承損壞失效，釀成重大設(shè)備事故。分析滑履磨夾板的磨損原因，并從根本上避免這種磨損，成為滑履磨的技術(shù)升級刻不容緩之事。

1　夾板磨損機(jī)理剖析

1.1典型的滑履軸承結(jié)構(gòu)

大型邊緣傳動(dòng)滑履磨進(jìn)出料端各有對稱的支承滑履軸承。支承夾角為60°，見圖1(a)?？拷鼈鲃?dòng)端小齒輪一側(cè)的滑履軸承依靠夾板軸向固定筒體以防止竄動(dòng)，稱為固定滑履軸承，見圖1(b)和1(c)。其他三組滑履軸承允許筒體自由軸向竄動(dòng)或滑動(dòng)，稱為活動(dòng)滑履軸承，見圖1(b)和1(d)、圖1(e)?；妮S承由滑環(huán)、托瓦、夾板、瓦座等組成，見圖1(c)、圖1(d)和圖1(e)。

1.2軸向力對夾板的磨損影響

夾板的作用是防止回轉(zhuǎn)筒體的軸向竄動(dòng)。夾板采用的材料一般為硬度較低的錫青銅(ZQSn5Pb5Zn5)或鋅合金(ZA27-2)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定硬度分別為60～65HB[4]和90～110HB[5]。這兩種材料作為滑動(dòng)軸瓦或軌道面使用時(shí)一般通過靜壓或?qū)в拖缎纬捎湍み_(dá)到理想的使用效果。但由于空間的限制，夾板接觸磨損面是寬度只有20～25mm的較窄環(huán)狀面；由于夾板寬度較窄，工作時(shí)不能形成理想的油膜，因此受軸向力影響磨損比較嚴(yán)重。表1是以齒輪螺旋角β為4°的幾種常見磨機(jī)傳動(dòng)參數(shù)和傳動(dòng)軸向力理論值。

表1　幾種滑履磨傳動(dòng)參數(shù)和理論軸向力(β=4°)

圖1　滑履軸承和傳動(dòng)位置、滑履軸承結(jié)構(gòu)型式

1.3其他原因?qū)е碌膴A板磨損

即使理論上夾板的接觸應(yīng)力小于許用壓力，但是設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中的振動(dòng)和沖擊也會(huì)使夾板造成不正常磨損。振動(dòng)和沖擊產(chǎn)生的磨損可能是正常磨損的數(shù)倍甚至數(shù)百倍。齒輪變形特征是哈夫面處向外擴(kuò)張，哈夫面處齒槽寬和節(jié)距變大，導(dǎo)致齒輪工作時(shí)出現(xiàn)周期性振動(dòng)[6]。對于管磨機(jī)邊緣傳動(dòng)齒輪，振動(dòng)現(xiàn)象的造成可能分別出現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造、安裝或使用階段[7]。

中心傳動(dòng)滑履磨主減速機(jī)出軸的軸承游隙、齒形聯(lián)軸器補(bǔ)償作用、刮研原因造成的托瓦傾斜等原因都會(huì)造成夾板磨損[3]。GB/T27976-2011《水泥工業(yè)管磨機(jī)裝備》國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定回轉(zhuǎn)筒體安裝后有關(guān)零件(如齒輪)的同軸度檢測都是以兩個(gè)滑環(huán)外圓為測量基準(zhǔn)，但對兩個(gè)滑環(huán)本身外圓面的同軸度沒有明確的規(guī)定[8]。兩滑環(huán)不同軸是否有導(dǎo)致筒體竄動(dòng)的潛在隱患不得而知。另外，筒體的撓度引起的彎曲造成的滑環(huán)不同軸也是導(dǎo)致筒體竄動(dòng)和夾板磨損的因素。

2　自定位滑履軸承設(shè)計(jì)

2.1自定位滑履軸承結(jié)構(gòu)

眾所周知，成對使用的圓錐滾子軸承既能承載徑向載荷，又能承載軸向載荷，還能防止軸向竄動(dòng)。同樣，成對使用的帶錐角的滑動(dòng)軸承也具有同樣的功能和效果。對于滑動(dòng)軸承使用錐面結(jié)構(gòu)早有先例，例如機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)底部的定心銅套廣泛應(yīng)用于立式車床、滾齒機(jī)等設(shè)備上。

基于上述機(jī)理構(gòu)思的自定位滑履軸承具有帶雙錐面的托瓦或弧面托瓦。如圖2所示，利用錐面的托瓦或弧面托瓦的支承分力平衡回轉(zhuǎn)筒體的軸向力。

圖2　自定位滑履軸承結(jié)構(gòu)

和機(jī)床的V形軌道一樣，自定位滑履軸承具有良好的軸向定位效果，能平衡傳動(dòng)及其他原因產(chǎn)生的軸向力。原先固定滑履軸承夾板的功能被錐面或弧面托瓦的功能所代替，原固定端滑履軸承夾板成為多余?；妮S承的大面積的接觸支承面具有強(qiáng)大的支承能力和抗磨損性能，因此自定位滑履軸承的使用能從源頭上解決夾板磨損問題。

2.2自定位滑履軸承的軸向受力分析

2.2.1斜齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的軸向力

以Φ3.2m×17.5m斜齒輪傳動(dòng)滑履磨為例進(jìn)行分析：已知磨機(jī)滿負(fù)荷功率P=2250kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速740r/min，減速機(jī)速比5.6，其小齒輪轉(zhuǎn)速n=132.1r/min。如圖4(d)所示，根據(jù)扭矩T的計(jì)算公式(T=9550P/n)和小齒輪嚙合圓半徑R(根據(jù)齒輪參數(shù)算出)。可以得到大齒輪的切向受力f的計(jì)算式，見式(1)。

f=9550P/nR

(1)

即f=(9550×2250)/(132.1×0.432)=376.5(kN)。

圖4(c)中的切向力f的軸向分力計(jì)算見式(2)。

f1=ftgβ

(2)

即f1=376.5tg4°=26.3(kN)。

2.2.2托瓦傾角的計(jì)算與取值

如圖3(a)所示，已知回轉(zhuǎn)部分總重力G為3700kN，分解到兩端支承點(diǎn)的重量分別為G1和G2，見圖3(b)。G1分解到出料端兩個(gè)滑履軸承的支承壓力分別為G1＇，出料端兩個(gè)滑履軸承托瓦的總支承力∑G1＇=2G1＇。無論運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)重心位置是否偏離筒體中心線，但滑履軸承托瓦的總支承力∑G1＇不會(huì)改變。

圖3　水平分力平衡分析

齒輪靠近出料端的滑履軸承，因而出料端的齒輪重力分力比進(jìn)料端重力分力多一些，但進(jìn)料端的研磨體和物料重力分力比出料端重力分力多一些，因此可以認(rèn)為進(jìn)出料兩端的滑履軸承載荷基本相當(dāng)，即G1≈G/2。

如圖3(b)所示，G1＇=G/4cos30°，則有式(3)。

(3)

即∑G1＇=3700/2cos30°=2136.2 (kN)。

如圖3(c)所示，∑G1＇作用在托瓦錐面上的支承軸向分力f3與托瓦傾角α的關(guān)系式見式(4)。

(4)

軸向不竄動(dòng)的條件是瓦錐面上的支承軸向分力f3與齒輪軸向分力f1平衡，即f3-f1=0。將式(4)減去式(2)得到托瓦錐面傾角α的計(jì)算式，見式(5)。

(5)

則α=arctg(26.3/2136.2)≈0.71°。

即α為0.71°時(shí)，斜齒輪傳動(dòng)軸向力f1和托瓦錐面上的支承軸向分力f3相互抵消?？紤]安裝高差、物料流動(dòng)、過載、振動(dòng)、制造和安裝誤差等諸多因素產(chǎn)生的其他軸向力，可以將α的取值適當(dāng)加大，建議安全系數(shù)ψ取1.2～1.3。

歸納上述計(jì)算過程，將式(1)代入式(2)，再將式(2)和式(3)代入式(5)得到托瓦錐面傾角α的簡化計(jì)算式，見式(6)。

α=ψarctg(16.54Ptgβ/GnR)

(6)

式中：α為托瓦傾角，°；ψ為安全系數(shù)，取1.2～1.3；P為主電機(jī)功率，kW；β為齒輪螺旋角，°；G為磨機(jī)回轉(zhuǎn)部分總重力，kN；n為小齒輪轉(zhuǎn)速，r/min；R為小齒輪嚙合圓半徑，mm。

表2是幾種常見規(guī)格滑履磨托瓦傾角的α計(jì)算值?？梢钥闯觯聻?°和8°時(shí)不同規(guī)格磨機(jī)的α計(jì)算值的范圍分別為0.85～1.02°和1.70～2.02°。因此，對于齒輪螺旋角為β≤4°和4°<β≤8°的滑履磨，托瓦傾角可以取值為1°和2°。

3　自定位滑履軸承效益評估

3.1制造成本與制造可行性評估

1)對于齒輪螺旋角β分別為4°和8°的滑履磨采

表2　幾種滑履磨錐面托瓦傾角α計(jì)算值和設(shè)計(jì)取值

用錐面或弧面結(jié)構(gòu)的滑環(huán)，材料厚度比原先增加5mm和10mm(表3)，滑環(huán)材料成本約增加5%～10%。厚度增加對于筒體剛度有益無害。管磨機(jī)筒體均在大型落地車床上加工滑環(huán)外圓面，原先在粗加工后通過測量外圓面兩端的直徑差來調(diào)整和控制床身與機(jī)床回轉(zhuǎn)中心線的平行度，以保證圓柱面的圓柱度。同樣，在粗加工后可以通過測量錐面兩端的直徑差來調(diào)整和控制床身與機(jī)床回轉(zhuǎn)中心線的夾角，以保證加工錐角大小?？梢哉f滑環(huán)錐面不增加任何加工難度。對于弧面滑環(huán)的弧面加工則需要落地車床的床身具有數(shù)控走刀功能。

表3　兩種常見規(guī)格滑履磨滑環(huán)前后厚度

2)自定位結(jié)構(gòu)的托瓦在材料使用與原先相比沒有增加。托瓦是在巴氏合金澆鑄后是通過立車加工工作面的，數(shù)控立車具有錐面和圓弧面加工功能。托瓦刮研方法和難度與原先也沒有太大區(qū)別。

3.2使用效益評估

夾板不正常磨損帶來的危害比較嚴(yán)重。從制造和安裝角度分析，原先的圓柱面滑履軸承滑履磨制造安裝容易造成筒體竄動(dòng)，而且很難分析和糾正；從使用角度分析，停機(jī)更換一次夾板需要2天，磨損嚴(yán)重時(shí)1～2個(gè)月需要更換一次，消耗人力和物力，從滑履磨的結(jié)構(gòu)、軸向受力分析和夾板磨損原因分析入手，提出了解決夾板磨損問題的自定位滑履軸承結(jié)構(gòu)構(gòu)想。通過軸向平衡力的實(shí)例計(jì)算，得到了滑履托瓦傾角的確定方法。并進(jìn)行了滑環(huán)和托瓦的制造成本、制造可行性和使用效果評估。得出結(jié)論：采用自定位滑履軸承，可以解決滑履磨不宜使用斜齒輪傳動(dòng)的問題，并可以增大齒輪螺旋

角，提高重合度；可以避免運(yùn)行中任何軸向力對夾板造成的不正常磨損，提高滑履磨的運(yùn)轉(zhuǎn)率；自定位滑履軸承具有定位功能，可以取消原有的夾板；從使用效果和維修成本等方面分析，自定位滑履軸承明顯優(yōu)于原先的滑履軸承。

表4是幾種規(guī)格滑履磨不同螺旋角齒輪滑動(dòng)率差Δη≈0時(shí)的重合度比較。磨機(jī)邊緣傳動(dòng)齒輪的螺旋角β原先取值都較小，一般為3～4°其原因是防止產(chǎn)生過大的軸向力，影響零件的使用壽命。螺旋角的角度增大到8°，重合度比β為4°的斜齒輪提高22%以上，比直齒輪提高60%以上。使磨機(jī)邊緣傳動(dòng)代替中心傳動(dòng)成為可能，以減少巨額投資。

表4　幾種規(guī)格滑履磨不同螺旋角齒輪重合度比較(滑動(dòng)率差Δη≈0時(shí))

4　結(jié)　論

采用小錐角自定位滑履軸承可以取消夾板，從而從根本上避免磨體軸向力引起的夾板磨損和磨體竄動(dòng)，解決斜齒輪傳動(dòng)不宜在滑履磨使用的問題，并可提高斜齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)平穩(wěn)性和承載能力，提高粉磨效益。

[1]張利輝.基于Kriging模型的球磨機(jī)齒輪傳動(dòng)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長春：吉林大學(xué)，2007.

[2]賁道春，王冬生，王復(fù)光，等.管磨機(jī)齒輪變位系數(shù)與螺旋角的設(shè)計(jì)研究與探討[J].機(jī)械傳動(dòng)，2016，40(1)：165-168.

[3]剛梅林.Φ4m×13m雙滑履磨機(jī)銅夾板磨損分析及解決措施[J].水泥，2005(9)：29-31.

[4]全國鑄造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 1176-2013鑄造銅及銅合金[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014：1-18.

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The cause on wear for splint of sliding shoe milland design of self- positioning sliding shoe bearing

BEN Dao-chun，CHU Xiao-hu，WANG Dong-sheng，HAN Kai，XU You-juan

(Jiangsu Pengfei Group Co.，Ltd.，Haian 226623，China)

Starting from the present situation of wear for splint of large sliding shoe mill and its influence on the mill running，the mechanism of splint wear were analyzed，and the structure design of self-positioning sliding shoe bearing were proposed which were solving the problem of splint wear.Through computing the examples of mechanical equilibrium，the key technology of design on self-positioning sliding shoe bearing were solved which were determined for Toba inclination of sliding shoe bearing.And the benefits for self- positioning sliding shoe bearing design technologies were assessed through the use of comparative method.It was concluded that the use of self-positioning sliding shoe bearing of small cone angle which can avoid the splint mill wear and traverse of grinding body caused by the axial force of fundamentally，and solve problems that should not be used to helical gear for the sliding shoe mill.At the same time，it can improve the stability and carrying capacity of helical gears transmission on the sliding shoe wear，and enhance the efficiency of grinding.

sliding shoe mill；helical gears；splint；wear；self-positioning

2015-12-16

國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號：2010GH050609；2013GH050513)

賁道春(1965-)，男，江蘇海安人，高級工程師。主要從事建材機(jī)械、礦山機(jī)械、石油化工機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造。

TH122；TH123

A

1004-4051(2016)10-0146-04