KMP300型磨煤機減速齒輪箱行星齒輪軸承強度校核及改造方案研究

龔峻　戴一鳴　周東　楊建明

（1.江蘇國信揚州發電有限責任公司，江蘇揚州　225131；2.東南大學，江蘇南京　210096）

KMP300型磨煤機減速齒
輪箱行星齒輪軸承強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.江蘇國信揚州發電有限責任公司，江蘇揚州225131；2.東南大學，江蘇南京210096）

KMP300型磨煤機減速齒輪箱的行星減速機構由太陽輪、三個均布行星齒輪、固定的內齒圈和作為輸出軸的行星架構成。此類型齒輪箱在發電廠制粉系統中作為HP型中速磨煤機的驅動裝置，使用過程中多次出現行星齒輪軸承損壞的故障。因此本文重點對該軸承設計的動靜載荷及預期壽命進行校核計算，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計隱患。

磨煤機齒輪箱軸承動靜載荷校核改進方法

某火電廠2臺630MW鍋爐采用冷一次風正壓直吹式制粉系統，每臺鍋爐配置6臺HP1003型中速磨煤機，磨煤機配備Flender KMP300型齒輪箱，兩臺機組于2007年投入商運。Flender KMP300型齒輪箱采用螺旋傘齒輪、行星齒輪兩級減速傳動結構，由一對螺旋傘齒輪的嚙合完成齒輪箱的一級減速，然后通過齒形聯軸器將扭矩傳遞給行星減速機構完成二次減速，其行星齒輪原設計配置FAG 22326E1.C3軸承。該型齒輪箱自2011年以來陸續出現了多臺磨煤機齒輪箱軸承損壞問題，降低了機組運行可靠性，嚴重影響了運行安全。

為準確分析故障成因，并找出解決該型齒輪箱頻繁故障的解決方法，需首先對原制造廠所選FAG 22326E1.C3軸承受力情況及預期壽命進行校核計算。

1　減速箱行星齒輪軸承受力與預期壽命核算

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系統如圖1所示。其中，太陽輪齒數Za=17，內齒圈齒數Zb=103， 行星齒輪齒數Zc=43。

齒輪箱太陽輪與行星輪的受力如圖2所示。在輸入端轉速982rpm、驅動功率520kW下，輸入轉矩為

其中，i1為第一級螺旋傘齒輪速比，P為輸入功率（電動機額定功率kW），n為電機轉速。

行星輪圓周力：

行星輪徑向力：

根據以上各式，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載荷與預期壽命

軸承當量靜載荷：

軸承選型的基本額定動載荷按式［8］壽命因素hf計算，此處，hf：壽命因數；mf：力矩載荷因數；df：沖擊載荷因數；nf：轉速因數；Tf：溫度因數。

對于KMP300型減速箱，行星輪的載荷不大，故力矩載荷因數取fm=1.5；行星輪轉速為79rpm，轉速因數取 fn=0.772；軸承溫度不大于120K，溫度因數取 fT=1.0。

沖擊載荷因數與設備工作的平穩性有關，無沖擊或微沖擊機械fd=1.0～1..22，機床、內燃機、起重機等中等沖擊機械 fd=1.2～1.88，破碎機等強沖擊機械 fd≥1.8。磨煤機理論上屬于破碎機械，但與礦山破碎機械相比，沖擊小得多，故將磨煤機列為中等沖擊機械是恰當的。沖擊因數取值1.2時，據此計算得出原設計選型軸承的預期壽命為24500h，與我公司現場該型齒輪箱實際使用情況基本一致，約為3-4年時間，這也充分說明了我公司該型齒輪箱頻繁故障的真正原因，應該就是齒輪箱設計時選取的動載荷安全裕度不足。

圖3基于［8］給出了軸承的壽命因數與預期壽命間的對應關系。由圖3可見，軸承的預期壽命是壽命因數的二次函數。對于KMP300型齒輪箱，將已確定的參數代入式（6），求得壽命因數與軸承基本額定動載荷、實際動載荷及沖擊因數的關系

由式（7）可知，在沖擊因數一定時，軸承的選型設計，就是在給定的動載荷下，按預定的使用壽命，確定軸承的基本額定動載荷。對我公司磨煤機齒輪箱行星輪軸承的改造，就是要尋找滿足結構要求、基本額定動載荷強于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

對于我公司磨煤機齒輪箱的行星輪軸承改造，軸承壽命因數計算中，實際動載荷取167.15kN，沖擊因數取1.2，則式（7）改寫為

根據Flender KMP300型齒輪箱的內部結構，由于受到齒輪箱各傳動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—行星輪傳動系統接觸強度、彎曲強度安全校核，以及內齒圈—行星輪傳動系統接觸強度、彎曲強度安全校核等因素，包括原設計選型軸承在內僅有四種規格軸承可供選用。

我們對原選用軸承和3個可選型號軸承進行了預期壽命計算，結果顯示：SKF產品目錄中，在行星輪軸承孔徑不大于300mm軸不大于150mm的情況下，FAG軸承系列中，沒有一款軸承的基本額定動載荷高于1250kN。僅22328-E1及同系列軸承的基本額定動載荷較現軸承大，預期壽命計算值比現軸承增加約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，著重點在于軸承軸和軸承孔的擴大。

現有行星架軸承軸的直徑為150mm，選用FAG 22328-E1是可行的。由齒輪箱結構示意圖推斷，行星輪內孔由現 φ280mm擴大到φ300mm 是可行的。如選用FAG 22328-E1軸承作改造，可相對延長行星輪軸承工作壽命16000h，能獲得一定程度的延壽作用。

3　通過運行方式調整延長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計要求，但其基本額定動載荷偏小，壽命因數過低，故投運不足4年就陸續發生了多臺磨煤機齒輪箱失效故障，但至今仍有同類型齒輪箱保持正常運行，這表明失效故障的發生還與運行因素有關，科學調整磨煤機運行工況，也能有效延長齒輪箱的工作壽命。式（7）顯示，軸承的壽命因數與實際載荷和沖擊因數成反比。因此，要延長軸承工作壽命，一是盡可能降低磨煤機的沖擊載荷，避免加載力和給煤量不當造成磨煤機較大振動；二是合理分配各臺磨煤機的負荷，在制粉總電耗不增大的情況下，盡可能降低各臺磨煤機的實際載荷。

由此可見，通過磨煤機的參數調整和運行優化，也可以有效減緩軸承的壽命損耗。目前我公司根據磨煤機出力試驗以及鍋爐制粉系統實際運行狀況，已將原磨煤機設計最大出力60t/h優化為56t/ h，這樣既能保證機組正常帶負荷能力，又改善了磨煤機運行工況，對延長此型磨煤機齒輪箱工作壽命有一定的幫助。

4　結論與建議

（1）我公司二期工程HP1003型立式中速磨煤機，投運4年即發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載荷安全裕量設計過小。因此對現軸承進行改造，對減緩軸承壽命損耗、延長工作壽期是必要的。

（2）齒輪箱行星輪軸承改造的強度可行性研究與論證，應著重于軸承軸及行星齒輪的內孔擴大方面，在行星輪軸承孔不大于300mm情況下，行星輪內孔擴大后輪轂強度經校核計算沒有問題，因此選用比原設計更大規格的FAG 22328-E1軸承是可行的。

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

（4）對于既定磨煤機的齒輪箱，影響軸承工作壽命的主要因素是沖擊載荷和實際動載荷，通過磨煤機負荷和加載力的優化配置，可以減小沖擊和降低動載荷，進而延長軸承的工作壽命。我公司二期工程磨煤機減速箱行星輪軸承固有動載荷安全裕量太小，在行星輪內孔不大于300mm約束下，軸承改造只能減緩壽命損耗。為有效延長磨煤機減速箱軸承的工作壽命，在不影響機組正常帶負荷能力的前提下，可對二期工程磨煤機出力適當降低，以達到減小沖擊和降低動載荷目的，從而使磨煤機齒輪箱軸承壽命得到有效延長。

目前我公司已完成2臺KMP300型齒輪箱采用FAG 22328-E1作為行星輪軸承進行了改造，并投入運行約一年時間，設備運行工況穩定，當然實際改造延壽效果還有待于該設備的長期運行來檢驗。

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

［2］成大先主編.機械設計手冊（第2卷）.第五版，化學工業出版社，2007. 11.

［3］日本精工株式會社.NSK滾動軸承技術手冊，2008.