淺談大型球磨機主軸承設計

杜寄勇 武海亮 張亞東

（濟南重工股份有限公司，濟南 250109）

隨著球磨機的發展，從小直徑球磨機到大直徑球磨機，它的支承裝置發生過多次變動，從小型磨機的普通滑動軸承再到大型球磨機的靜壓軸承，軸承規格多達十幾種，針對不同型號的球磨機，選擇不同的軸瓦，主要依據的是不同型號軸瓦的承載能力，磨機軸承部作為球磨機的關鍵部件，需長期在低轉速、重載荷的條件下連續運行，因此，在設計過程中必須考慮耐用度的因素。設計磨機軸承部，尤其是大型球磨機，必須運用基礎理論知識核算軸瓦的承載能力，然后從原材料的利用度出發，設計改良主軸承結構。

本文主要概述如何設計主軸承的零件和設計過程中比較重要的幾個主參數確定。

1 主要零件結構設計

1.1 軸承座

對于大型磨機的軸承座，為確保安全可靠，一般采用GB979-76中的ZG35-ZG25鑄鋼或用相應的鋼板焊接而成。

為使潤滑油得到充分冷卻和使潤滑油中的雜質沉淀，對只用固定油圈或油勺潤滑軸承座中的油池應有足夠容積，對于不另設油箱而采用集中潤滑的軸承座中的油池容量應不低于輸油泵額定流量的25倍[1]。

1.2 主軸承底板

在基礎部一次灌漿時，需要將主軸承底板埋入混凝土中，通過主軸承底板上的調整螺釘來找正位置，為保證磨機穩定運行，主軸承底板需要具有良好的吸震性。軸承底板以前多用鑄鐵制造，近來用焊接件越來越多。

1.3 球瓦面

1.3.1 結構及其主要尺寸

作用在軸承的外力時固定，因此，球面瓦的承壓角基本是固定在一定范圍內（75°～90°）。為此我國近年來所設計的球面瓦都是100°～120°[2]。

大型磨機球面瓦的冷卻水通道應設計成雙腔式，其冷卻水通道的兩端應是貫通的。

為便于清除型砂，清砂孔的面積應等于或接近于通水道的橫截面積。球面瓦在機加工之后，將清砂孔用蓋板蓋死，此蓋板還作為安裝進出水管之用。蓋板與球面瓦之間墊1mm厚的橡膠墊以避免進水。

1.3.2 軸瓦合金材料

目前，主軸承瓦襯材料主要有兩種：即鉛銻軸承合金和錫銻軸承合金。錫銻軸承合金的摩擦系數大于鉛銻軸承合金。這是因為鉛銻軸承合金的軟基體在常溫時比錫銻軸承合金的軟基體軟得多。因鉛的原子間距比錫大，原子間的吸引力比錫小之故。

錫銻軸承合金的耐磨性能比鉛銻軸承合金高。另外，錫銻軸承合金比鉛銻軸承合金塑性好，不容易破裂，且與球形瓦瓦體貼附性好，可以減輕脫殼現象，雖然錫銻軸承合金價格較貴，但從長遠考慮還是采用錫銻軸承合金作為磨機主軸承球面瓦瓦襯的材料較好。

1.3.3 燕尾槽的開設及軸承合金厚度

為使軸承合金與球形瓦本體很好地結合，在球形瓦的本體上應加工出燕尾槽，燕尾槽應縱橫交錯，其夾角不能小于90°，燕尾槽的間距一般在100～150mm。另外，球形瓦本體的預澆鑄面應加工成粗糙表面，有的在燕尾槽的溝或臺上鉆出多個φ8～10mm、深10～15mm的孔。

澆鑄軸承合金層厚度也是有要求的，過厚或過薄對軸瓦耐用度都會有影響，軸承合金層的厚度一般以11～13mm為宜。

1.3.4 限位機構

為防止軸瓦從軸承座中被中空軸帶出，在軸承座上裝有限制軸瓦過渡移動機構（壓塊或銷軸）。限位機構必須保證軸瓦能自由轉動還不能被中空軸帶出。

1.3.5 測溫點的設置

當潤滑油的性質和數量發生變化滿足不了潤滑要求或冷卻系統發生故障時，以及軸頸與軸瓦之間的間隙過小時，都會引起球面瓦大面積發熱或局部發熱，為能及時掌握主軸承內部溫度變化情況，需要在主軸承內設置測溫裝置。目前對主軸承的測溫方法有三種。

第一，測量主軸承下座內的潤滑油溫度，這種方法只適用于非循環潤滑的主軸承，且不能及時反映軸瓦溫度的變化情況，故這種測量溫度的方法不可取。

第二，測量軸瓦溫度，即在球面瓦體內靠近磨機筒體一側并接近球面瓦的下母線處，沿軸向放置鉑熱電阻，越靠近軸承合金越能及時將軸承合金的溫度反映出來。在選擇溫度計長度時，要使其裝入球面瓦后，其頂端要超過球面瓦中心線，在安裝時應先在其安裝孔中裝入潤滑脂，再將溫度計裝入并固定住。這種測量方法受到溫度計發送部長度的限制，尤其是球瓦面較寬時，不能測出每點溫度，因此，往往發生側漏現象，即溫度高處反而測不到，造成燒瓦現象。

第三，測量中空軸軸頸溫度，即將溫度計發送部裝在用軸承合金制的測溫塊中，測溫塊放在中空軸軸頸上，測溫塊通過鉸接的連桿懸掛在上蓋上。這種方法更能準確地將軸頸表面溫度反映出來。

1.3.6 對球面瓦的技術要求

第一，球面瓦本體機械加工后，澆鑄軸承合金前，冷卻水通道進行0.4MPa的壓力試驗，持續2小時不應有滲漏現象。

第二，球面瓦的球面與軸承座的凹球面的同軸度按表1數據選取，球面瓦裝在軸承座內應轉動靈活。

表1 球面瓦的球面與軸承座的凹球面的同軸度

第三，機械加工后，軸承合金表面不得有裂紋和孔眼，如出現裂紋和孔眼，可將其缺陷部位鏟除，用同樣的成分軸承合金進行焊補。軸承合金與球面瓦體在90°范圍內不允許有離殼現象存在，再次區域外每側脫殼的面積不得超過兩側面積之和的20%。

第四，對裝有高壓油管的球面瓦，要進行高壓試驗，高壓油的壓力按有關文件執行，在1小時連續試壓下不得有滲漏現象。圖1為大型球磨機主軸承三維模型。

圖1 大型球磨機主軸承三維模型

2 主參數的確定

2.1 軸承半徑間隙h0

h0=(0.35 ～ 0.5)×10-3×R

式中：h0—軸徑和軸瓦在半徑方面的間隙，單位mm；R—中空軸軸徑半徑，單位mm。

此間隙只能由機械加工來達到。為能很好地形成靜壓油膜，軸頸表面的粗糙度不能低于Ra=0.8，軸瓦表面的粗糙度不低于Ra=1.6。

2.2 偏心率ε

在計算主軸承時需要引用偏心率ε。計算動壓潤滑時ε=0.9～0.93，計算靜壓潤滑時ε=0.7～0.8[3]。

2.3 靜壓軸瓦的油腔結構[4]

目前，國內外軸瓦靜壓油腔結構根據實用性大致分為兩種型式，設計油腔的目的是在中空軸和軸瓦之間形成液體摩擦潤滑油膜，本文推薦采用長方形結構，因為它不僅加工方便，而且在油腔面積相同的情況下，潤滑油在軸向的泄露途徑最長。再設計長方形靜壓油腔時按照如下原則。

第一，根據油腔的壓力來選取靜壓站的高壓泵壓力，但由于計算難度較大，可根據已經確定高壓油泵的壓力，反算靜壓油腔壓力。

第二，除滿足將磨機浮起所需的靜壓載荷外，還應具有足夠的動壓承載力，在確保在沒有靜壓作用下也能正常運轉。

在滿足上述條件的前提下，選取油腔寬度與軸瓦寬度之比為l1/L=1/9～1/10（取1/9），油腔包角α=16°～20°（取18°），h為油腔深度，一般取3～4mm，靜壓油腔的曲率半徑用下式求出：

3 結語

本文主要講述大型球磨機主軸承如何設計，包括主要零件結構設計和幾個主參數的確定。主要零件包括軸承座、主軸承底板以及軸瓦的設計；主參數包括軸承半徑間隙h0、偏心率ε和靜壓油腔的曲率半徑。整個過程中，理論結合實際，完成整個主軸承部的設計，對大型球磨機主軸承設計來說有很大參考價值。