磨機大小齒輪嚙合調整方法研究

張吉清

（河北寰球工程有限公司，涿州 072750）

磨機大小齒輪嚙合情況直接影響齒輪磨損和使用壽命，若嚙合不好，長時間運行會導致小齒輪軸和軸承損壞[1]。針對齒輪嚙合的調整，一般情況下是根據測量得到的齒側間隙或齒頂間隙來進行調整相應部位[2-3]，有時因為加工偏差或運輸過程中出現嚴重變形，只能采取現場磨齒的方法。但在磨機運行過程中，磨機的狀態和靜止時完全不同，運行中受到許多不平衡力的影響，特別是磨礦介質的拋落對筒體的沖擊，導致在運行之前測得的數據符合設計要求，但在運行過程中卻出現了嚙合不好的情況，這就需要將運行過程中磨機受到的力考慮到影響齒輪變形的因素里。

1 磨機運行中的受力和齒輪嚙合

紅外測溫裝置用于實時監控齒面溫度以掌握大小齒輪嚙合情況，一般在小齒輪齒面上設置三個測溫點，通過三點中的最高溫差來表征齒面的嚙合情況。在未加入磨礦介質之前，齒面溫差較低且滿足要求，齒側間隙也符合設計要求，但磨礦介質加入后溫差增加且超過了要求值，分析其原因主要是，磨礦介質在拋落過程中對筒體的沖擊力導致筒體部位發生了撓曲，在大齒輪齒面上出現了轉角，導致大齒輪與小齒輪的嚙合變差，如圖1所示。

圖1 大小齒輪嚙合和測溫點位置的三維模型

當大齒輪左側向下傾斜時，小齒輪左側齒的受力就會比右側大，從而導致左側的溫度比右側高，故需通過相關力學公式確定大齒輪的偏轉角度，然后通過調整小齒輪軸承座的位置對小齒輪傾斜角度進行相應調整，從而改善大小齒輪的嚙合狀況。

2 小齒輪軸承座移動距離公式推導

磨機主要由進出料端耳軸、筒體和大齒圈組成，這些部件也構成了磨機兩個主軸承座之間的支撐框架。而磨機的這個支撐框架所受的荷載包括進出料端耳軸、筒體、大齒圈、襯板、料漿、磨礦介質和介質拋起對磨機筒體的沖擊力。為便于計算，假設這些荷載均勻作用于磨機兩個主軸承之間。

筒體主要受垂直方向上的荷載，這個方向上的荷載引起了大齒輪的偏移。其中，進出料端耳軸、筒體、大齒圈、襯板、料漿和磨礦介質對磨機支撐框架產生的荷載總和定義為F1。

由于磨機的轉動，磨礦介質抬起一定高度后再自由落體拋出，抬起的高度是影響介質沖擊力的主因。磨礦介質拋起的平均高度與磨礦介質的支取功率有關，根據支取功率公式[4]和相關的做功公式可得所有磨礦介質單次拋起的平均高度：

式中，h為所有磨礦介質單次拋起的平均高度（m）；P為磨礦介質的支取功率（W），即P=1.752m(6.3-5.4VP)Cs，其中，Ds為筒體的有效內徑（m），VP為磨礦介質充填率，m為磨機的臨界轉速率。m為磨礦介質的總重（kg）；g為重力加速度（m/s2）；t′為所有磨礦介質單次拋起所用的總時間（s）。此時間大致為磨機轉一周所用時間的一半，即t′=，其中，v是磨機的轉速，rps。

根據自由落體速度-位移公式和動量定理公式可得到荷載F2的計算公式：

式中，t為每個筒體提升條轉動的時間間隔（s）。此時間與磨機的轉速v和提升條的個數n有關，即t=1/(nv)。

通過式（1）和式（2）可以獲得磨機支撐框架的均布荷載，然后根據簡支梁均布荷載的轉角公式[5]，可以算出磨機大齒輪的轉角θ。

其中，d為筒體內徑，單位m，D為筒體外徑，單位m。

大齒輪的偏轉角度獲得后，就需要調整小齒輪的偏轉角度以與大齒輪匹配。現場通過提升小齒輪右側軸承座的方式改變偏轉角，提升高度為H。

式中，L為小齒輪左右兩側軸承座的中心距，單位m；θ為偏轉角度較小，tanθ≈θ。

在式（4）的推導過程中，做了部分假設，在實際應用過程中需要進一步優化。

雖然根據式（4）可以計算出軸承座的提升高度，但對于小齒輪的軸承和聯軸器的軸承都有允許的偏差要求，故需要根據此要求核算軸承座的最大提升高度，確保提升操作在允許范圍內。

圖2是聯軸器和小齒輪軸承的裝配簡圖，圖3是小齒輪與聯軸器連接部位偏轉后的簡圖。

圖2 聯軸器和小齒輪軸承的裝配簡圖

圖3 小齒輪與聯軸器連接部位偏轉后的簡圖

根據圖2和圖3，將聯軸器的角偏差?s近似定義為：

式中，DL為聯軸器的齒圈直徑；L為小齒輪兩側軸承座中心距；d1為小齒輪左側軸承座與聯軸器右側齒圈中心距；d2為聯軸器兩側齒圈中心距。

小齒輪軸承的角偏差為：

故，在進行小齒輪軸承位置調整時，提升高度必須同時滿足下列條件：

3 小齒輪軸承座位置調整方法的實際應用

某磷礦選礦項目采用棒磨機破碎礦石，其規格大小為Φ4.6m×6.5m，平均處理量為270t/h（濕重），主電機的輸出功率為1750kW。

在磨機加入鋼棒之前，對大小齒輪的齒側間隙進行了測量。將大齒圈圓周均勻分布四個點，通過壓鉛法測得這四個點兩側的齒側間隙，如表1所示。

表1 大小齒輪齒側間隙

由表1可知，齒側間隙基本滿足設計要求，在未加入鋼棒空轉過程中，未出現齒面嚙合不好的現象且齒面溫差都在10℃以下。

此磨機裝配有紅外測溫裝置，三個紅外測溫點平行小齒輪齒面均布排列（見圖1），規定三個測溫點的最高溫差不能超過15℃（此值即為磨機的調停值）。在沒有對小齒輪軸承座調整之前，將磨機運行時的溫度數據進行收集得到圖4。

由圖4可知，齒面溫度從左向右依次遞減，即靠近磨機筒體中心側的溫度最高，這說明兩個齒輪在左側的受力最大，可以確認這是因筒體的彎曲變形導致大齒輪向一側傾斜，從而導致大小齒輪嚙合狀況差。現通過上述齒輪調整方法對小齒輪軸承座進行調整。

此磨機的進出料端耳軸、筒體、大齒圈、襯板和鋼棒總重為398t，故F1為3980kN，其中，鋼棒重m為180t，磨機襯板提升條個數n為30，磨機轉速v為12.7rpm/60=0.21rps，筒體的有效內徑Ds為4.46m，磨礦介質充填率VP為30%，磨機的臨界轉速率Cs為62%，兩個主軸承座中心距1為8.7m，磨機支撐框架材料為碳素鋼，其彈性模量E為204GPa，筒體外徑D為4.66m，內徑d為4.6m，小齒輪兩側軸承座中心距L為1.6m由此，根據式（4）可得小齒輪右側軸承座提升高度為：

基于計算出的提升高度，通過式（6）和（8）來校核此值是否符合要求。磨機的聯軸器型號為ZAPEXZZS505，最大允許角偏差?s為0.7mm，d2為900mm，聯軸器的齒圈直徑DL為400mm；小齒輪軸承型號為SKF-23168CA/W33，最大允許角偏差θmax為3°，小齒輪兩側軸承座中心距L為1600mm，d1為555mm。由此可以獲得最大允許提升的高度：

由此可知，提升高度H同時小于Hmax和Hmax′，故小齒輪軸承按照0.23mm的高度進行調整，因現場墊片厚度限制，按照0.2mm的高度進行調整，調整并運行得到圖5的溫度趨勢。

圖4 調整前的磨機小齒輪齒面溫度數據

圖5 調整后的小齒輪齒面溫度數據

由圖5可知，調整之后，最大溫差從15℃降到了10℃左右，說明這種調整方式可以有效改善大小齒輪的嚙合狀況，在10℃附近基本滿足磨機的正常運行。故，通過式（4）計算出的結果具有參考意義，但齒面的溫度依然是從左向右依次遞減，小齒輪沒有得到完全校正，計算式有待進一步優化。

4 結語

磨機運行過程中出現的齒面溫差過大主要是由于筒體的撓曲導致大齒輪出現了轉角，不能與小齒輪很好地嚙合，通過相關的力學公式推導出調整小齒輪軸承座位置的公式，為磨機的安裝調試提供了參考。同時，在某磷礦選礦廠的棒磨機中得到應用，調整后改善了齒輪嚙合狀況，保證了生產的正常運行。