王坷剛，陳 波，孫永生

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

輥壓機(jī)自 20 世紀(jì) 80 年代問(wèn)世以來(lái)，在水泥行業(yè)得到快速的推廣應(yīng)用，由于其在破碎領(lǐng)域顯著的節(jié)能效果，且隨著產(chǎn)品技術(shù)的不斷發(fā)展，在國(guó)內(nèi)金屬礦物破碎、冶金球團(tuán)領(lǐng)域迅速擴(kuò)大應(yīng)用[1]。由于礦物種類繁多，物料性質(zhì)差異極大，因此對(duì)輥壓機(jī)的可靠性提出了更高的要求。

擠壓輥主軸承是輥壓機(jī)的核心部件，其故障率及使用壽命直接影響到輥壓機(jī)的質(zhì)量。目前大部分輥壓機(jī)采用調(diào)心滾子軸承做為擠壓輥主軸承，常州現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中這種軸承的使用壽命大約為 1～2 a。軸承損壞后會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕、剝落，甚至?xí)霈F(xiàn)滾動(dòng)體和內(nèi)外圈開(kāi)裂等問(wèn)題[2]。軸承損壞會(huì)直接導(dǎo)致輥壓機(jī)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，而且軸承損壞后維護(hù)工作量大，特別是傳動(dòng)側(cè)軸承更換時(shí)，還需要拆除減速器等部件，更換時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 3 d，更換費(fèi)用高昂且影響生產(chǎn)。

1 工況條件

1.1 軸承受力條件

輥壓機(jī)由一對(duì)相向旋轉(zhuǎn)、水平放置的擠壓輥組成。具有一定料壓的物料在整個(gè)擠壓輥寬度方向被擠壓輥連續(xù)地帶入輥間進(jìn)行破碎。擠壓輥及軸承受力如圖 1 所示。在運(yùn)行過(guò)程中，由于物料顆粒形狀存在差異，并且物料沿?cái)D壓輥寬度方向會(huì)有一定的偏析，所以擠壓輥間兩側(cè)輥縫會(huì)出現(xiàn)偏差，使擠壓輥在承受徑向力的同時(shí)還會(huì)受到軸向力作用，并發(fā)生一定角度的偏擺，偏擺角度可達(dá)到 0.5°。因此，輥壓機(jī)軸承既要承受主載荷徑向力，同時(shí)還要進(jìn)行調(diào)心并承受軸向力。

圖1 擠壓輥及軸承受力示意Fig.1 Force sketch of squeezing roller and bearing

通常采用比壓力衡量輥壓機(jī)的擠壓力，

式中：P為擠壓輥受到的比壓力，MPa；F為擠壓輥受到的徑向擠壓力，kN；D為擠壓輥直徑，m；B為擠壓輥寬度，m。

目前輥壓機(jī)運(yùn)行的比壓力通常為 3～5 MPa。以RP120-80 輥壓機(jī)為例，在破碎物料時(shí)擠壓輥受到的徑向力達(dá)到 2.88～4.80 MN。擠壓輥由 2 個(gè)軸承進(jìn)行支承，單個(gè)軸承徑向受力達(dá)到 1.44～2.40 MN，同時(shí)由于輥偏等原因，徑向擠壓力還會(huì)產(chǎn)生最大約 10%的軸向分力。

調(diào)心滾子軸承采用徑向當(dāng)量動(dòng)載荷對(duì)軸承的負(fù)載進(jìn)行計(jì)算[3]。

式中：Pr為徑向當(dāng)量載荷，kN；Fr為徑向載荷，kN；Y1為載荷計(jì)算系數(shù)，Y1取 1.8～1.9；Fa為軸向載荷，kN。

1.2 軸承潤(rùn)滑密封要求

1.3 軸承冷卻

由于潤(rùn)滑脂的散熱能力較差，在高載荷作用下軸承摩擦發(fā)熱量大，而軸承溫度過(guò)高又會(huì)引起潤(rùn)滑脂黏度降低，潤(rùn)滑效果下降，而且溫度過(guò)高對(duì)軸承材料性能也會(huì)有一定的影響，會(huì)降低軸承的使用壽命。因此需要對(duì)主軸承進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，降低其工作溫度。

2 軸承失效分析

目前國(guó)內(nèi)大部分輥壓機(jī)采用調(diào)心滾子軸承作為擠壓輥主軸承，并采用 V 形或 J 形密封圈對(duì)軸承進(jìn)行密封，同時(shí)設(shè)計(jì)有多種軸承座冷卻水道形式對(duì)軸承進(jìn)行強(qiáng)制水冷。

2.1 軸承結(jié)構(gòu)

調(diào)心滾子軸承本身具有承受軸向力、徑向力及調(diào)心的多重功能，作為主軸承能夠滿足輥壓機(jī)的工況要求。調(diào)心滾子軸承為便于拆卸均采用錐面配合，對(duì)軸承內(nèi)圈及其配合的加工精度要求較高。

2.2 軸承密封

軸承密封如圖 2 所示，在靠近擠壓輥破碎物料的區(qū)域布置有 2 道橡膠密封。輥壓機(jī)采用調(diào)心滾子軸承時(shí)，在輥偏狀態(tài)下擠壓輥與軸承座會(huì)產(chǎn)生偏角，擠壓輥在偏擺方向一側(cè)對(duì)密封圈進(jìn)行局部擠壓，而在另一側(cè)又會(huì)使密封與擠壓輥的配合間隙變大，會(huì)造成擠壓側(cè)密封局部磨損使，密封壽命及密封性能降低，同時(shí)在非擠壓側(cè)由于間隙變大，粉塵會(huì)進(jìn)入軸承中導(dǎo)致密封失效。

圖2 軸承密封Fig.2 Bearing sealings

2.3 軸承冷卻

輥壓機(jī)主軸承的冷卻是在軸承座上加工冷卻水道進(jìn)行強(qiáng)制水冷。

(1)環(huán)套式冷卻如圖 3 所示，在軸承座內(nèi)孔鑲嵌環(huán)套對(duì)軸承進(jìn)行整圓冷卻。環(huán)套式冷卻前期冷卻效果好，但由于冷卻水中污染物會(huì)堵塞水道，無(wú)法對(duì)污染物直接進(jìn)行清理導(dǎo)致冷卻效果下降。由于環(huán)套為薄壁環(huán)，長(zhǎng)期受力下環(huán)套易發(fā)生變形，造成軸承外圈接觸不良導(dǎo)致軸承損壞。

圖3 環(huán)套式冷卻Fig.3 Annular cooling

(2)局部冷卻如圖 4 所示，在軸承座受力端加工冷卻水孔，對(duì)主要發(fā)熱部位進(jìn)行冷卻[5]。在軸承座受力端加工貫通的冷卻水孔，在水道堵塞時(shí)能夠直接疏通清理，不會(huì)發(fā)生堵塞。但由于只有局部冷卻，熱量會(huì)隨著軸承的旋轉(zhuǎn)傳導(dǎo)到軸承座其他部位，造成整體冷卻效果不佳。

圖4 局部冷卻Fig.4 Local cooling

3 改進(jìn)方案

RP120-80 輥壓機(jī)在改造前，由于輥面局部磨損、物料偏析造成輥偏較大，軸承受到的復(fù)合載荷較大，同時(shí)密封效果不好，軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂經(jīng)常污染，冷卻水道堵塞，軸承運(yùn)行溫度 ＞55 ℃，造成軸承經(jīng)常損壞。

3.1 軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn)

組合式軸承及密封如圖 5 所示。采用圓柱滾子軸承+推力軸承的組合式軸承結(jié)構(gòu)取代原有的調(diào)心滾子軸承結(jié)構(gòu)。圓柱滾子承載徑向力，推力軸承承載軸向力，軸承座上配備關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行調(diào)心，使軸承的復(fù)合載荷分流為單一載荷，改善軸承受力條件。

圖5 組合式軸承及密封Fig.5 Combined bearing and sealings

式中：C為軸承額定載荷；Pr為當(dāng)量載荷；P為壽命公式指數(shù)，滾子軸承為。

由式 (3)可知，軸承額定壽命與當(dāng)量載荷Pr的次方成反比。采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)后，圓柱滾子軸承僅承載徑向力，軸承受到的當(dāng)量載荷Pr＝Fr，與調(diào)心滾子軸承相比，其當(dāng)量載荷降低了 18%～19%。

3.2 密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)

軸承密封采用徑向與軸向綜合密封結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)密封效果。由于軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在輥偏時(shí)軸承座隨擠壓輥一起偏擺，使密封圈的內(nèi)外圈始終處于同軸狀態(tài)，避免了密封圈局部受壓及漏粉的現(xiàn)象，提高了軸承的密封性能。

3.3 冷卻結(jié)構(gòu)改進(jìn)

綜合環(huán)套式冷卻和局部冷卻的優(yōu)點(diǎn)，軸承座冷卻采用三面直通式冷卻水道，如圖 6 所示。相比局部冷卻，該冷卻方案在軸承座內(nèi)孔上下兩側(cè)增加了冷卻水道以提高冷卻效果，同時(shí)在水道發(fā)生堵塞時(shí)能夠直接疏通清理，從而能保證長(zhǎng)期良好的冷卻效果。經(jīng)改進(jìn)后該 RP120-80 輥壓機(jī)軸承溫度降低至 45 ℃ 以下。

圖6 三面直通式冷卻水道Pig.6 Three-way through cooling channel

4 改進(jìn)效果

自2014 年始陸續(xù)完成了 3 臺(tái)輥壓機(jī)的全部改造，通過(guò)改造全面優(yōu)化了軸承的受力狀態(tài)，潤(rùn)滑、密封及冷卻性能，使現(xiàn)場(chǎng)擠壓輥軸承使用壽命由平均 1 a 提高到了 5 a 以上。

5 結(jié)語(yǔ)

輥壓機(jī)作為一種高效、節(jié)能的粉碎設(shè)備，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，提高主軸承的使用壽命對(duì)保障輥壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率具有重要意義。選擇合理的軸承、密封和冷卻結(jié)構(gòu)，能夠有效地提高輥壓機(jī)主軸承的使用壽命。通過(guò)整體更換總成的方式對(duì)輥壓機(jī)進(jìn)行改造優(yōu)化，可提高輥壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率。