輥磨減速機的發展及應用

輥磨減速機的發展及應用

介紹了輥磨減速機國內外的發展與技術現狀，對輥磨減速機采用的關鍵技術進行了簡要說明，分析了輥磨減速機不同傳動結構的優缺點，進而從齒輪技術、新型傳動形式、在線監測及故障診斷技術等方面對輥磨齒輪減速機的發展進行了展望。

輥磨；減速機；傳動結構

1 輥磨齒輪減速機結構與特點

輥磨減速機國外公司起步早，技術相對成熟，如RENK、FLENDER、MAAG、SEISA等。其結構形式主要有三種：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，在磨機系統中起著至關重要的作用。

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，結構如圖2所示。這種減速機齒輪為調質齒輪，后期有采用硬齒面齒輪，體積大、重量重、技術相對落后，只用于小功率場合，現在基本上不采用此類結構形式。

1.2 立式行星減速機

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

（1）兩級傳動結構

該傳動形式為一級螺傘+二級行星，結構如圖3所示。此類結構減速機速比通常＜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大、直徑大和齒寬大，因而需要大型錐齒輪加工設備，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，噪音大，易形成沖擊造成震動，所以該結構主要用于200～2000kW中小功率范圍。

（2）三級傳動（1+1+1）結構

該結構在原兩級傳動基礎上增加了一級平行軸齒輪副，將原需一級大速比、大規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、直徑和齒寬都會因速比減小而減小，行星機構也如此，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的精度及強度。結構形式如圖4所示。

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

（3）三級雙分流結構

雙分流結構是在原三級傳動結構的基礎上進行變形設計，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構的基礎上，合理利用空間，實現將功率分流再匯流的功能。結構形式如圖5所示。

此結構將一副大規格傘齒輪所要傳遞的功率分配給兩副小規格傘齒輪來傳遞，從而避免采用大規格傘齒輪帶來的弊端。國內企業已生產出5400kW減速器。但均載不易解決，并應提高整個傳動鏈的可靠性。

（4）三級雙行星結構

三級雙行星結構為一級錐齒輪副再加兩級行星機構。該傳動形式可進一步優化各級傳動比，減小錐齒輪的尺寸，充分發揮行星傳動高承載能力的優勢。結構形式如圖6所示。

該結構減速機結構緊湊，第二、三級內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 多點邊緣驅動

隨著生產設備大型化趨勢越來越明顯，輥磨主驅動裝置的功率也越來越大，如目前最大規格輥磨傳遞功率已達12000kW，如仍采用傳統齒輪箱，不僅給設計、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。

為適應輥磨大型化的需要，一種新型多點邊緣驅動裝置應運而生，其結構形式如圖7所示。

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

1.3.1 多點邊緣驅動的優點

（1）單個傳動模塊結構簡單、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的傳動零部件，且尺寸不大，設計制造容易，使用經驗豐富，發生故障的概率較小。

（2）單一傳動模塊發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）可通過控制各驅動變頻電機的轉速來實現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實現。

（5）造價低、節省投資，也有利于提高整機的市場競爭力。

1.3.2 價格優勢

以MVR4750BC型輥磨為例，采用傳統齒輪箱傳動，單齒輪箱重量就達110t，再加上電機、聯軸器及軌道，總重會超過180t。采用多點邊緣驅動裝置單套重約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 應用

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

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

由國內某重機廠設計制造的多點邊緣驅動的輥磨正在安裝調試中，這將成為國內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動裝置的一個單元的現場應用照片。

2 輥磨減速機的設計要求

根據輥磨的工況和現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，一般要求其AGGM服務系數大于2.5；

（6）減速機整機設計使用壽命20年以上；

（7）減速機應具有全面的監測和保護手段，如振動、溫度、流量的監測和報警。

3 輥磨減速機未來發展方向

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

3.1 產品的設計開發平臺

（1）齒輪設計

當前對齒輪設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、載荷情況很難納入計算，計算結果較為粗糙。隨著技術的發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，大部分企業均采用自己開發的軟件。在軟件的設計中應充分考慮載荷的沖擊及偏載時對最小油膜厚度的影響，并確保最經濟的潤滑流量。

（3）行星架等結構件設計

傳統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性能等進行動態性能分析[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）雙行星雙輸出結構

當輥磨主傳動功率大于4000kW時，當前立式行星減速機的結構均較大。中國重型院在吸收國外技術的基礎上，研發出了新型雙行星雙輸出結構，并申報了國家發明專利。該結構為一級錐齒輪副再加兩級行星機構，第一級行星機構的行星軸和第二級行星機構的內齒圈同時輸出。結構顯示如圖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構；

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

MAGG公司已將多行星輪柔性均載機構用于電力行業的行星減速器中。多行星輪結構，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，通過柔性行星軸的彈性變形來實現齒輪嚙合表面載荷的均勻，最大化實現了載荷均載。其原理和結構形式如圖15所示。

3.3 更高的齒輪技術

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

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

齒輪采用深層滲碳技術，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 在線監測及故障診斷技術的應用

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

在線檢測就是通過長期安裝在關鍵設備上的測量設備檢測運行中的振動、位移、轉速、溫度和電流等參數信號，借助于計算機和診斷技術進行分析處理，從而提取各種信號中的有用信息。系統的硬件由傳感器、信號調理箱、采集監測計算機構成。軟件部分由輥磨齒輪減速機的在線監測模塊與分析診斷模塊構成。檢測系統的構成如圖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網絡等模型對設備的狀態進行自動識別，達到狀態檢測、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、獨到的技術和風格，代表了國內外輥磨減速機的世界水平，同時在使用中也陸續出現不少問題和事故。輥磨用齒輪減速機作為輥磨的核心動力裝置，應深入分析，對減速機的設計制造提出更高要求。

筆者認為應在設計原理、制造技術、在線檢測等方面加大力度，希望有更多創新的結構、先進的技術應用到輥磨減速機上，制造出成本更低、性能更可靠穩定的產品。

[1]李濤平.輥磨在現代水泥工業中的應用[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結構分析工程應用實例解析[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]郁明山.齒輪手冊[M].北京：機械工業出版社，2001：25-28.

[5]中國機械工程學會設備與維修工程分會.設備狀態監測與故障診斷技術及其工程應用[M]，北京：機械工業出版社，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