碾壓機碾輪軸承損壞原因分析及改造措施

修 云 黃 林 羅立武

（1.岳陽恒忠機械工程技術(shù)有限公司，湖南岳陽414012；2.中石化催化劑長嶺分公司，湖南岳陽414012）

0 引言

碾壓機是一種型砂混制設(shè)備，廣泛應(yīng)用于中小型鑄造車間，亦可推廣應(yīng)用于化工、輕工、建筑材料等行業(yè)混制粉粒狀物料。中石化催化劑長嶺分公司加氫車間使用的碾壓機是S114C型，在使用過程中，由于碾輪軸承經(jīng)常損壞，碾輪運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，不能達到對產(chǎn)品物料的碾壓和揉搓效果，保證不了產(chǎn)品質(zhì)量，頻繁的搶修既增加了檢修工作量和設(shè)備成本，也嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。因此，解決碾輪軸承損壞的問題是消除生產(chǎn)瓶頸和降低勞動強度的關(guān)鍵。

1 S114C型碾壓機的工作原理

1.1 碾壓機結(jié)構(gòu)及工作機理

S114C型碾壓機由機體、傳動機構(gòu)、混碾機構(gòu)三大部分組成，如圖1所示。

圖1 碾壓機結(jié)構(gòu)圖

電機經(jīng)過齒輪減速箱減速，其輸出端小斜齒輪與中軸大斜齒輪嚙合再次減速，中軸以34 r/min的速度帶動機體內(nèi)的混碾機構(gòu)（包括十字頭機架、曲臂、碾輪、內(nèi)外刮板）圓周運轉(zhuǎn)。近噸重的一對碾輪通過碾輪軸聯(lián)接在曲臂上，曲臂軸又將曲臂和十字頭機架連接在一起。這樣，混碾機構(gòu)的十字頭機架轉(zhuǎn)動帶動碾輪一起繞中軸（立柱）回轉(zhuǎn)，碾輪由于和物料的摩擦開始滾動碾壓物料，曲臂可繞曲臂軸自行轉(zhuǎn)動調(diào)整，以便碾輪隨物料厚度變化自由起落，碾輪與底板可根據(jù)物料所需壓力保持一定的間隙，由調(diào)節(jié)螺栓來控制。對產(chǎn)品進行碾壓、揉搓，獲得催化劑產(chǎn)品特殊的物化性質(zhì)，全靠碾輪的重量給物料以壓力來完成[1]。

1.2 碾輪結(jié)構(gòu)及工作機理

碾輪的結(jié)構(gòu)如圖2所示，一對圓錐滾子軸承30315（分離型軸承）背對背裝配在碾輪兩端內(nèi)，通過碾輪軸將碾輪安裝在曲臂上，由兩個對頂圓螺母將碾輪固定在軸上及控制軸承的竄量。竄量是由圓螺母與軸承內(nèi)圈間保留間隙來獲得，間隙要合適（太小將碾輪夾死，轉(zhuǎn)動不活；太大則軸承的滾珠與外圈的圓錐面滾道相分離，不對中，軸下墜，運轉(zhuǎn)精度喪失），平常竄量可以在0.10～0.15 mm內(nèi)，但離心力作用下產(chǎn)生預(yù)緊，其工作竄量變大。所以竄量控制在0.1 mm內(nèi)，工作竄量才合適，運行精度較高。

圖2 碾輪結(jié)構(gòu)圖

2 碾輪軸承工作失效的原因

碾輪軸承能夠長周期平穩(wěn)運行，需滿足三方面要求，即：制造安裝精度滿足要求，配件強度滿足要求，保持精度能力強（防松性能滿足要求）。下面分別對這三方面要求進行分析。

2.1 制造安裝精度方面的檢測

機械設(shè)備各部件的制造加工精度及裝配精度，決定了該設(shè)備的工作運行精度。碾壓機各配件是機加工出來的，性能直接由機加工精度來保證。對碾壓機傳動機構(gòu)各部件的同軸度、垂直度、平行度進行檢測，測量各部尺寸，檢驗各部配合間隙，均合格，裝配精度完全符合設(shè)計使用要求。

2.2 強度方面的檢測

統(tǒng)計歷次更換的配件清單發(fā)現(xiàn)，失效原因主要是軸承損壞、曲臂軸臺肩磨損及碾輪軸頭螺紋磨損，下面分別進行分析。

2.2.1 軸承損壞

軸承損壞的原因主要有兩個：一是承載強度不夠；二是軸承潤滑不當(dāng)，密封形式不合適或密封失效。

2.2.1.1 對軸承進行受力分析

如圖3所示，每個碾輪重近300 kg，兩軸承承受的徑向力N徑為碾輪重量G與底料對其的托力N兩者的合力，即N徑=G-N，N徑最大可達到300 kg，則每個為150 kg（約1.47 kN），而軸向力N軸來自于碾輪的離心力F與物料對碾輪徑向阻力N阻的合力，N軸=F-N阻，最大可達到F，F(xiàn)=mv2r，計算出每個碾輪可產(chǎn)生約232 kg（約2.27kN）的離心力，圓錐滾子軸承只能承受一個方向的軸向載荷，碾輪軸向力由外端軸承全部承受，即外端軸承的軸向力為232 kg，內(nèi)端軸承不承受軸向力。

圖3 軸承受力圖

下面計算軸承所受載荷[2]（Fr=1.47 kN，F(xiàn)a=2.27 kN）：

當(dāng)量動載荷：

從滾動軸承徑向、軸向載荷系數(shù)，得知X=0.4，Y=1.733。

軸承徑向動載荷：

式中，100℃以下溫度系數(shù)fT=1.0；載荷系數(shù)中等沖擊下fF=1.0～1.2；每天8 h工作軸承壽命Lh=12 000～20 000；滾子軸承壽命指數(shù)e=10/3。

30315型軸承的徑向額定動載荷Cr為252 kN，遠大于33.4 kN，同時，歷次壞的都是受力小的內(nèi)端軸承，外端的從未壞過，這都說明軸承完全滿足強度要求。

2.2.1.2 對潤滑和密封進行分析

潤滑和密封對軸承使用壽命很重要，潤滑是為了減少摩擦與磨損及冷卻降溫，密封的目的是防止灰塵、水分等進入及潤滑劑流失。碾壓機碾輪自轉(zhuǎn)速度低（3.14×D/V=3.14×d/v，v=1 200×34/800=51 r/min=2.14 m/s），其速度因數(shù)dn=80×51=4 080＜＜（1.5～2）×105mm·r/min，選擇潤滑脂是合理的。

碾輪軸承密封有兩處，一是碾輪外端軸承的端面靜密封點，蓋板與碾輪間有橡膠墊子密封，防止?jié)櫥瑒┰陔x心力作用下甩向外端流失。該處靜密封效果很好，從沒流失潤滑劑和進入過物料。二是碾輪內(nèi)端軸承因有軸穿過的緣故，該處軸封屬動密封點，選用的是油封密封，油封的唇邊朝外，防止灰塵、雜物進入，能滿足碾輪速度及使用環(huán)境要求。密封失效的原因是油封損壞，分正常磨損和非正常磨損，正常磨損是油封在軸承端蓋里隨碾輪平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，油封內(nèi)唇邊彈性抱著軸相對轉(zhuǎn)動，兩者的同軸度很高，跳動很小，油封的橡膠唇邊對軸的磨損很少，彈性唇邊能自動補償微量的磨損，粘附在該處的少許物料是不會進入的。

可見，潤滑、密封的選用方面沒問題，正常情況下，完全滿足使用要求。

2.2.2 曲臂軸臺肩磨損

曲臂軸臺肩磨損是由于軸承損壞引起的，其外形尺寸設(shè)計滿足受力強度要求。

2.2.3 碾輪軸頭螺紋磨損

碾輪產(chǎn)生的離心力通過外端軸承作用在圓螺母上，最后由碾輪軸來承受，碾輪軸直徑為75 mm，軸頭細(xì)牙螺紋為M70×1.5，軸的強度薄弱處是螺紋部位。螺紋的主要失效形式有：第一，螺栓拉斷；第二，螺紋的壓潰和剪斷；第三，經(jīng)常裝拆時會因磨損而發(fā)生滑扣現(xiàn)象。螺紋與螺栓的螺紋牙及其他各部尺寸是根據(jù)等強度原則及使用經(jīng)驗規(guī)定的，采用標(biāo)準(zhǔn)件時，這些部分都不需要進行強度計算，所以螺栓連接的強度計算主要是確定螺紋小徑d1，然后按照標(biāo)準(zhǔn)選定螺紋公稱直徑（大徑）d及螺距p等。查表可知，該尺寸的螺紋能承受幾十噸的力，強度完全能夠達到要求，因而該螺紋失效原因就是第三點了，即螺紋磨損。多次拆裝螺紋或是螺紋副加工不精確，間隙過大，都會導(dǎo)致螺紋副磨損，使其緊固強度降低，在周期性的滾碾運轉(zhuǎn)振動和離心力的作用下滑扣。

2.3 防松性能方面的檢測

碾輪上螺紋聯(lián)接固定采用的是雙螺母防松方式，是由兩個細(xì)牙圓螺母對頂擰緊，使螺紋壓緊，螺栓始終受到附加的拉力和附加的摩擦力，結(jié)構(gòu)簡單，可用于低速重載場合[3]。細(xì)牙螺紋升角小、小徑小、自鎖性能好、強度高，但不耐磨、易滑扣。多次的檢修拆裝，對螺紋磨損明顯，大大降低了螺紋的強度和防松性能；同時，圓螺母的緊固方法存在問題：在檢修中，雙圓螺母對頂后要保證與軸承內(nèi)圈間有0.10 mm間隙，很難控制得到，圓螺母需要使用專用工具對頂才能得到0.10 mm間隙，而維修工沒有專用工具時通常用扁鏨將第二個圓螺母緊固，將第一個壓住以實現(xiàn)對頂，由于第一個圓螺母沒有卡住不動，被第二個帶著轉(zhuǎn)動，這樣對頂效果就差些，防松也差，間隙值易變小，使碾輪轉(zhuǎn)動不活。為保證轉(zhuǎn)動靈活，維修工就先給大一點的間隙，再扁鏨將第二個圓螺母緊固對頂，以得到小一點的間隙，這樣是很難得到0.10 mm間隙的。間隙大了所受沖擊還會變大，運行中，軸承內(nèi)圈會產(chǎn)生脈動性沖擊，沖擊鎖緊螺母，導(dǎo)致其松動，影響防松效果。

綜合上述分析，可判斷碾輪軸承損壞的過程是：軸承與鎖緊螺母間的間隙以及多次裝拆使螺紋磨損，導(dǎo)致產(chǎn)生軸向沖擊使螺母松動，軸承竄量變大，圓錐滾動軸承錐面滾道與滾珠相分離，軸心相對外圈下墜不對中，碾輪運轉(zhuǎn)跳動，使軸的密封失效，導(dǎo)致物料進入，物料的進入加劇了軸承損壞，直至軸承不能運轉(zhuǎn)，最后導(dǎo)致檢修；多次裝拆又導(dǎo)致螺紋磨損，使軸承與鎖緊螺母的間隙產(chǎn)生軸向沖擊，造成螺母松動，形成惡性循環(huán)。通過以上分析可知，碾輪軸承損壞的根本原因是螺紋易松動。產(chǎn)生松動的原因主要有兩個方面：軸承與鎖緊螺母間有間隙、多次拆裝易造成螺紋磨損。

3 S114C型碾壓機改造措施

針對碾輪軸承損壞的原因，采取了以下改造措施：

3.1 兩軸承間加定位鋼套

碾輪軸承的螺紋連接，是一種可拆的固定連接，固定連接必須符合使軸上零件緊固可靠并使旋轉(zhuǎn)靈活的原則。從碾輪結(jié)構(gòu)可知，該處鎖緊螺母與軸承內(nèi)圈間有0.10 mm的間隙，鎖緊螺母并沒有將軸承與軸緊固成一體，只滿足了旋轉(zhuǎn)靈活，卻沒滿足緊固條件，存在軸承軸向定位缺陷。這種裝配方式下，軸承軸向未作固定，不可避免地存在沖擊，周期性地沖擊載荷，最終使螺母松動。

對于這一缺陷，采取的改造方法是：在兩軸承間安裝定位鋼套（圖4），其長度L=L4+Δ=L1-（L2+L3)。此時鎖緊螺母將軸承緊固死，這種方式下，既保證了軸承與軸緊固為一體，也保證了0.10 mm的軸向間隙，使碾輪裝配牢固緊湊又轉(zhuǎn)動靈活。

圖4 軸承定位改造圖

3.2 采用開口銷與槽型螺母防松方式

改造前軸承是雙螺母螺紋防松，螺紋連接防松的根本問題在于防止螺紋副的相對轉(zhuǎn)動。螺紋常用的防松方法有：（1）利用摩擦防松，如雙螺母防松、彈簧墊圈防松、自鎖螺母防松；（2）機械防松，如開口銷與槽形螺母防松、止動墊片防松、圓螺母用帶翅墊圈防松、串聯(lián)鋼絲防松等，各用于不同的使用場合。

碾壓機的工況是重載、低速、沖擊振動，符合這情況的防松方式有雙螺母防松、自鎖螺母防松、開口銷與槽形螺母防松三種。前兩種屬利用摩擦防松，在多次檢修拆裝、螺紋磨損間隙變大后，其防松性能大大降低，而第三種是機械防松，它是利用開口銷阻止螺栓和螺母相對轉(zhuǎn)動，一般用于較大沖擊和振動的高速機械中，且螺紋螺旋升角的力學(xué)作用，使軸向力分解到螺紋切線方向的力極小（旋松力），開口銷的剪切強度遠大于此力，防松能力滿足，同時，使用開口銷的槽形螺母厚度比普通圓螺母大，螺紋聯(lián)接強度也大些，選用開口銷與槽形螺母完全滿足要求。

3.3 碾輪兩端加擋料板

通過給碾輪兩端面加裝擋料板，可以避免物料直接接觸密封和減少粘附到密封處的粉塵與物料數(shù)量，形成頭道密封，使油封接觸較少的物料，大幅提高其密封性，并延長軸承壽命，也可在不正常情況下（軸承有故障）延緩軸承的損壞。

擋料板是兩瓣拼接安裝的，板孔與碾輪配鉆加工，以保證最后安裝擋料板時，擋料板與碾輪軸的間隙均勻（圖5）。

圖5 碾輪改造圖

除采取以上三個方面的改造措施外，還要注意以下事項：必須采用專用工具緊固螺母，控制預(yù)緊力的大小，防止過大滑扣或過小緊固不夠；定期拆下附屬件擋料板清除積料，延長密封壽命；定期檢查軸承磨損情況，及時調(diào)整磨損變大的間隙，以保持碾輪運轉(zhuǎn)精度。

4 碾壓機改造效果

通過對碾輪的改造，從根本上消除了碾輪軸承易損壞的因素，使碾輪軸承的壽命恢復(fù)到正常水平，杜絕了惡性循環(huán)帶來的大量非正常檢修；采取定期檢查的預(yù)防性措施，及時恢復(fù)軸承工作精度，可使碾壓機運行周期大大延長。

小改造，大效果。中石化催化劑長嶺分公司加氫車間的S114C型碾壓機M1201，改造前，2014—2015年兩年之間，軸承損壞、大修了9次，而改造后，從2016年至今軸承沒壞過，只定期每半年清料和檢查調(diào)整間隙（工作量很小），大幅減少了維修工作量，節(jié)省了大量的人工檢修成本和設(shè)備配件成本，并減少了碾壓機檢修引起的非計劃性停工及給生產(chǎn)裝置帶來的重大經(jīng)濟損失。

[1]楊可楨，程光蘊，李仲生，等.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].6版.北京：高等教育出版社，2013.

[2]劉釗，王秋生.材料力學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[3]金尚年，馬永利.理論力學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社，2002.