滑履磨夾板磨損原因分析及自定位滑履軸承設計

賁道春，儲小虎，王冬生，韓　楷，許友娟

(江蘇鵬飛集團股份有限公司，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計

賁道春，儲小虎，王冬生，韓楷，許友娟

(江蘇鵬飛集團股份有限公司，江蘇 海安 226623)

從大型滑履磨夾板磨損的現狀及對磨機運行的影響入手，剖析夾板磨損的力學機理，提出了解決夾板磨損問題的自定位滑履軸承結構設計；通過力學平衡實例解算，解決了自定位滑履軸承設計的關鍵技術—滑履托瓦傾角的確定；運用比照法對自定位滑履軸承的設計技術進行效益評估，得出結論：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，解決滑履磨不宜使用斜齒輪傳動的問題，提高斜齒輪傳動在滑履磨上傳動平穩性和承載能力，提高粉磨效益。

滑履磨；斜齒輪；夾板；磨損；自定位

球磨機最初采用中空軸主軸承支承和直齒輪傳動。隨著球磨機規格的不斷增大，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。大型球磨機大多采用單側或雙側斜齒輪傳動，提高齒輪傳動的可靠性是大型球磨機的關鍵技術之一[1]。管磨機斜齒輪邊緣傳動會產生軸向力。齒輪螺旋角的取值范圍主要考慮到重合度、傳動平穩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，通常在磨機小齒輪傳動側的滑履軸承兩側面設置夾板限位。當磨機回轉筒體產生軸向竄動不至于使夾板損壞時，螺旋角的取值可以大一些[2]。但是在實際運行時，由于設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這種重載設備運轉時磨機不產生軸向竄動，并磨損夾板。如山東棗莊某水泥廠的邊緣傳動雙滑履水泥磨φ3.5m×14m、陜西堯柏特種水泥廠的中心傳動雙滑履水泥磨φ4m×13m和湖北世紀新峰水泥廠的φ4.6m×9.5m+3.5m中心傳動中卸烘干雙滑履磨等，均出現過夾板嚴重磨損現象。其中有因無法解決問題將斜齒輪傳動改成直齒輪傳動的，有8個月換4次夾板的，有不到20d夾板磨損量達20～23mm的等等情況[3]。

滑履磨夾板磨損，表證磨體軸向竄動，表證磨機齒輪傳動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。輕則傳動效率下降，粉磨能耗增加，重則傳動齒輪和滑履支承損壞失效，釀成重大設備事故。分析滑履磨夾板的磨損原因，并從根本上避免這種磨損，成為滑履磨的技術升級刻不容緩之事。

1　夾板磨損機理剖析

1.1典型的滑履軸承結構

大型邊緣傳動滑履磨進出料端各有對稱的支承滑履軸承。支承夾角為60°，見圖1(a)。靠近傳動端小齒輪一側的滑履軸承依靠夾板軸向固定筒體以防止竄動，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或滑動，稱為活動滑履軸承，見圖1(b)和1(d)、圖1(e)?；妮S承由滑環、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筒體的軸向竄動。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)，標準規定硬度分別為60～65HB[4]和90～110HB[5]。這兩種材料作為滑動軸瓦或軌道面使用時一般通過靜壓或導油隙形成油膜達到理想的使用效果。但由于空間的限制，夾板接觸磨損面是寬度只有20～25mm的較窄環狀面；由于夾板寬度較窄，工作時不能形成理想的油膜，因此受軸向力影響磨損比較嚴重。表1是以齒輪螺旋角β為4°的幾種常見磨機傳動參數和傳動軸向力理論值。

表1　幾種滑履磨傳動參數和理論軸向力(β=4°)

圖1　滑履軸承和傳動位置、滑履軸承結構型式

1.3其他原因導致的夾板磨損

即使理論上夾板的接觸應力小于許用壓力，但是設備運轉中的振動和沖擊也會使夾板造成不正常磨損。振動和沖擊產生的磨損可能是正常磨損的數倍甚至數百倍。齒輪變形特征是哈夫面處向外擴張，哈夫面處齒槽寬和節距變大，導致齒輪工作時出現周期性振動[6]。對于管磨機邊緣傳動齒輪，振動現象的造成可能分別出現在設計、制造、安裝或使用階段[7]。

中心傳動滑履磨主減速機出軸的軸承游隙、齒形聯軸器補償作用、刮研原因造成的托瓦傾斜等原因都會造成夾板磨損[3]。GB/T27976-2011《水泥工業管磨機裝備》國家標準規定回轉筒體安裝后有關零件(如齒輪)的同軸度檢測都是以兩個滑環外圓為測量基準，但對兩個滑環本身外圓面的同軸度沒有明確的規定[8]。兩滑環不同軸是否有導致筒體竄動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不同軸也是導致筒體竄動和夾板磨損的因素。

2　自定位滑履軸承設計

2.1自定位滑履軸承結構

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。同樣，成對使用的帶錐角的滑動軸承也具有同樣的功能和效果。對于滑動軸承使用錐面結構早有先例，例如機床轉臺底部的定心銅套廣泛應用于立式車床、滾齒機等設備上。

基于上述機理構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筒體的軸向力。

圖2　自定位滑履軸承結構

和機床的V形軌道一樣，自定位滑履軸承具有良好的軸向定位效果，能平衡傳動及其他原因產生的軸向力。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。滑履軸承的大面積的接觸支承面具有強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斜齒輪傳動產生的軸向力

以Φ3.2m×17.5m斜齒輪傳動滑履磨為例進行分析：已知磨機滿負荷功率P=2250kW，電機轉速740r/min，減速機速比5.6，其小齒輪轉速n=132.1r/min。如圖4(d)所示，根據扭矩T的計算公式(T=9550P/n)和小齒輪嚙合圓半徑R(根據齒輪參數算出)?？梢缘玫酱簖X輪的切向受力f的計算式，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的軸向分力計算見式(2)。

f1=ftgβ

(2)

即f1=376.5tg4°=26.3(kN)。

2.2.2托瓦傾角的計算與取值

如圖3(a)所示，已知回轉部分總重力G為3700kN，分解到兩端支承點的重量分別為G1和G2，見圖3(b)。G1分解到出料端兩個滑履軸承的支承壓力分別為G1＇，出料端兩個滑履軸承托瓦的總支承力∑G1＇=2G1＇。無論運轉時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料端重力分力多一些，但進料端的研磨體和物料重力分力比出料端重力分力多一些，因此可以認為進出料兩端的滑履軸承載荷基本相當，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的關系式見式(4)。

(4)

軸向不竄動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的計算式，見式(5)。

(5)

則α=arctg(26.3/2136.2)≈0.71°。

即α為0.71°時，斜齒輪傳動軸向力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、過載、振動、制造和安裝誤差等諸多因素產生的其他軸向力，可以將α的取值適當加大，建議安全系數ψ取1.2～1.3。

歸納上述計算過程，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，取1.2～1.3；P為主電機功率，kW；β為齒輪螺旋角，°；G為磨機回轉部分總重力，kN；n為小齒輪轉速，r/min；R為小齒輪嚙合圓半徑，mm。

表2是幾種常見規格滑履磨托瓦傾角的α計算值。可以看出，β為4°和8°時不同規格磨機的α計算值的范圍分別為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計算值和設計取值

用錐面或弧面結構的滑環，材料厚度比原先增加5mm和10mm(表3)，滑環材料成本約增加5%～10%。厚度增加對于筒體剛度有益無害。管磨機筒體均在大型落地車床上加工滑環外圓面，原先在粗加工后通過測量外圓面兩端的直徑差來調整和控制床身與機床回轉中心線的平行度，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整和控制床身與機床回轉中心線的夾角，以保證加工錐角大小。可以說滑環錐面不增加任何加工難度。對于弧面滑環的弧面加工則需要落地車床的床身具有數控走刀功能。

表3　兩種常見規格滑履磨滑環前后厚度

2)自定位結構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別。

3.2使用效益評估

夾板不正常磨損帶來的危害比較嚴重。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，而且很難分析和糾正；從使用角度分析，停機更換一次夾板需要2天，磨損嚴重時1～2個月需要更換一次，消耗人力和物力，從滑履磨的結構、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構構想。通過軸向平衡力的實例計算，得到了滑履托瓦傾角的確定方法。并進行了滑環和托瓦的制造成本、制造可行性和使用效果評估。得出結論：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的問題，并可以增大齒輪螺旋

角，提高重合度；可以避免運行中任何軸向力對夾板造成的不正常磨損，提高滑履磨的運轉率；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于原先的滑履軸承。

表4是幾種規格滑履磨不同螺旋角齒輪滑動率差Δη≈0時的重合度比較。磨機邊緣傳動齒輪的螺旋角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。使磨機邊緣傳動代替中心傳動成為可能，以減少巨額投資。

表4　幾種規格滑履磨不同螺旋角齒輪重合度比較(滑動率差Δη≈0時)

4　結　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，解決斜齒輪傳動不宜在滑履磨使用的問題，并可提高斜齒輪傳動的傳動平穩性和承載能力，提高粉磨效益。

[1]張利輝.基于Kriging模型的球磨機齒輪傳動可靠性優化設計[D].長春：吉林大學，2007.

[2]賁道春，王冬生，王復光，等.管磨機齒輪變位系數與螺旋角的設計研究與探討[J].機械傳動，2016，40(1)：165-168.

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

[4]全國鑄造標準化技術委員會.GB/T 1176-2013鑄造銅及銅合金[S].北京：中國標準出版社，2014：1-18.

[5]全國鑄造標準化技術委員會.GB/T 1175-1997鑄造鋅合金[S].北京：中國標準出版社，1997：1-8.

[6]賁道春，王復光，陳黎東，等.大型齒圈加工工藝的研究與探討[J].機械設計與制造，2015(8)：170-173.

[7]賁道春，王冬生，儲小虎，等.管磨機邊緣傳動齒輪振動原因分析與預防控制[J].礦山機械，2015，43(11)：84-89.

[8]全國建材裝備標準化技術委員會.GB/T27976-2011水泥工業管磨機裝備[S].北京：中國標準出版社，2012：1-13.

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

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

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

TH122；TH123

A

1004-4051(2016)10-0146-04