浮選機回轉支承傳動系統設計及校核

蔡志勇

摘 要：浮選機是選礦廠實現浮選過程的重要設備。葉輪轉速是影響浮選機工藝性能的重要參數，而傳統浮選機的皮帶傳動形式對葉輪轉速的影響較大。通過齒輪傳動形式可以有效彌補皮帶傳動的不足。因此，本文提出使用齒輪與軸承融為一體的回轉支承作為傳動部件，在實現齒輪傳動的同時減少軸承的使用，使傳動結構更加緊湊。通過幾種回轉支承的對比，選擇了較好的回轉支承形式，并且對回轉支承進行選型和壽命校核，隨后也對齒輪副進行強度校核。最后對該設計的優點進行總結。

關鍵詞：浮選機;回轉支承;齒輪傳動

中圖分類號：TH133.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0076-04

Abstract： Flotation machine is an important equipment to realize flotation process in concentrator. The impeller speed is an important parameter which affects the process performance of the flotation machine. Through the gear transmission form can effectively make up for the lack of belt transmission. Therefore， this paper proposed to use the rotating support which integrated the gear and bearing as the transmission component， to reduce the use of bearings while realizing the gear transmission， so as to make the transmission structure more compact. By comparing several kinds of slewing bearings， a better form of slewing bearings was selected， and the type and life of slewing bearings were checked， and then the strength of gear pairs was checked. Finally， the advantages of the design were summarized.

Keywords： flotation machine;slewing bearing;gear transmission

浮選是選礦工藝中應用較為廣泛的工藝，浮選機是浮選工藝中應用最多的設備。浮選機的工作原理[1]：當葉輪旋轉時，進入浮選槽體內的礦漿從四周經槽底由葉輪下端吸入葉輪葉片間，同時，由鼓風機吹入的低壓空氣經風道、空氣調節閥、空心主軸進入葉輪腔的空氣分配器中，通過分配器周邊的孔進入葉輪葉片間，礦漿與空氣在葉輪葉片間進行充分混合后，從葉輪上半部周邊斜上方排出，排出的礦漿再通過安裝在葉輪四周斜上方的定子穩定定向后，再次進入整個槽體內形成礦化氣泡，最后上升到槽體表面形成泡沫，通過刮板裝置或推泡裝置自流到泡沫槽中，后礦漿再次流回到葉輪區進行再循環。

影響浮選機工藝性能的參數有很多，其中葉輪的形狀、轉速以及通氣量[2]對浮選效果的影響較大。有學者通過實驗研究了葉輪轉速對精礦產率的影響，得出結論：葉輪轉速增大可以提高精礦的品位和回收率，但過大的轉速會影響礦粒和氣泡的有效黏附，增大脫落概率，不利于浮選。因此，對浮選機葉輪轉速的精準控制對浮選具有重要意義。

1 傳統浮選機的傳動形式

目前，大部分浮選機采用皮帶傳動（如圖1所示），電機輸出的轉矩依次通過小皮帶輪、皮帶、大皮帶輪傳遞給主軸及葉輪。在實際運行中存在以下問題：傳動裝置外部尺寸大，當電機升檔后，電機裝置容易與橫梁及踏板干涉;三角皮帶易打滑、丟轉，傳動比不準確，不利于對葉輪轉速的精確控制;皮帶易老化，故障率高，效率較低，需要較大的啟動和運行電流。

2 回轉支承結構的分析和選型

回轉支承是一種滾珠或滾柱式支撐回轉裝置，采用齒輪傳動，一般適用于轉速較低的傳動結構。回轉支承是在普通滾動軸承的基礎上發展起來的，結構上相當于放大了的滾動軸承，因而又被稱為“大型（或特大型）滾動軸承”。但是，其具有不同于常見軸承的特性：能同時承受較大的軸向力、徑向力和傾覆力矩，由于轉速低，因而滾道上接觸點的載荷循環次數少。而作為最為廣泛的傳動形式之一的齒輪傳動，能保證瞬時傳動比恒定，平穩性高，傳遞運動準確可靠;傳遞的功率和速度范圍較大;結構緊湊，工作可靠，可實現較大的傳動比;傳動效率高，使用壽命長。這些優勢可以有效彌補皮帶傳動的不足。

考慮到浮選機的傳動軸應同時具有吸入空氣作為風道和傳動的功能，本文提出采用齒輪與軸承融為一體的回轉支承作為浮選機傳動結構的一部分，在實現齒輪傳動的同時減少軸承的使用，使傳動結構更加緊湊。

采用回轉支承的浮選機傳動結構主要有電動機、小齒輪、回轉支承和回轉機構等。空心軸與回轉機構用螺栓連接，回轉支承的外座圈與回轉機構用螺栓連接，內座圈與減速箱體用螺栓連接，內外座圈之間設有滾動體。主軸產生的垂直載荷、水平載荷和傾覆力矩通過回轉機構、回轉支承的外座圈、滾動體、內座圈傳給減速箱體。小齒輪與回轉支承外圈的大齒輪相嚙合，電機軸輸出的轉矩通過小齒輪傳遞給大齒輪，然后通過回轉機構傳遞給空心主軸。采用回轉支承的浮選機傳動結構如圖2所示。

2.1 回轉支承的分類

按滾動體形狀排列方式，回轉支撐裝置可分為以下四種結構[3]。

①單排四點接觸球式。該結構如圖3（a）所示，由2個座圈組成，為圓球形滾動體和圓弧形曲面滾道，滾道端面半徑R與滾珠直徑d間的關系一般為R=0.52d。滾道端面的中心偏向滾珠的中心，與滾珠內切于4點，作用力與水平的夾角即接觸角[α]一般為45°，可以同時承受不同方向的軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩。座圈可分為剖分式和整體式兩種。其中，整體式座圈具有成本低和剛度大的優點。為了便于將滾珠安裝入滾道，座圈上開有徑向的裝填孔，待滾珠全部裝入后用擋銷塞住。

②單排交叉滾柱式。該結構如圖3（b）所示，由2個座圈組成，為圓柱形或圓錐形滾動體，相鄰滾動體之間的軸線交叉排列，平面滾道，接觸角與單排四點接觸球式一樣，一般也為45°，同樣可以傳遞不同方向的軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩。這種回轉支承裝置承載力更大，但制造精度高且裝配間隙小，故其安裝精度要求較高。

③雙排異徑球式。該結構如圖3（c）所示，有3個座圈，采用開式裝配，上下兩排布置滾珠。上排滾珠要比下排滾珠大，這主要是因為上排滾珠載荷大，下排滾珠載荷小。接觸角[α]可自由移動90°，使得其能承受較大的軸向載荷和傾覆力矩。

④三排滾柱式。該結構如圖3（d）所示，與雙排異徑球式類似，有3個座圈，有上下滾道和徑向滾道，且各自分開。上下兩排滾珠呈水平平行排列，同時承受軸向載荷和轉矩。徑向的滾珠垂直于上下第一排和第二排滾珠，主要用來傳遞徑向載荷。此種形式是這四種形式中承載能力最大的，主要用于載荷大、直徑較大的大型回轉機構。

綜上所述，單排四點接觸球式、雙排異徑球式和單排交叉滾柱式是目前應用最廣泛的三種回轉支承形式。

2.2 回轉支承的選型計算

技術性能指標[aG]：

[aG=M/G] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

經濟性能指標[aE]：

[aE=S/M] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[M]是回轉支承允許承受的最大傾覆力矩;G是回轉支承自重;S是回轉支承的制造價格。綜合考慮技術性能指標和經濟性能指標并進行比較，可選擇單排四點接觸球式回轉支承[4]。在上述的三種常用形式的回轉支承中，單排四點接觸球式可同時承受載荷，靜容量大大超過其他形式。

2.2.1 按靜態工況選型。以KYF-130型浮選機作為研究對象，回轉支承所承受的最大靜態載荷如表1所示。

回轉支承當量中心軸向力為：

[F′a=1.225Fa+2.676Frfs=96.16kN] ? ? ? ? ? ?（3）

回轉支承當量傾翻力矩：

[M′=1.225Mfs=14.21kN·m] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，[fs]為回轉支承靜態工況下的安全系數，根據單排四點接觸球式回轉支承在浮選工況下的系數值，取[fs]=1.45。

根據上述計算結果，初步選擇型號為011.30.630的外齒式單排四點接觸球回轉支承。

2.2.2 回轉支承壽命校核。按動態工況進行校核的公式為：

[F′a=1.225Fa+2.676Frfd] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

[M′=1.225Mfd] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中：[fd]為回轉支承動態工況下的安全系數，根據單排四點接觸球式回轉支承在浮選工況下的系數值，取[fd]=2.05。

用以上計算得到的[F′a]和[M′]值在所選回轉支承的承載能力曲線圖中找點，當該點位于承載能力曲線以下時，說明該回轉支承滿足要求。型號011.30.630回轉支承的承載能力曲線如圖4所示，可以得出回轉支承滿足其承載能力要求。

軸承基本額定壽命計算公式：

[Lh=10660·nCPs=54 155h] ? ? ? ? （7）

式中：[C]表示基本額定動載荷計算值（N）;[P]表示當量動載荷（N）;s表示壽命因數。

在工作轉速112r/min下，軸承的計算壽命相當于54 155h，即在正常工況下連續運轉6年以上，與皮帶傳動相比能減少備件的更換頻率，降低了現場檢修成本。

3 齒輪副的強度校核

浮選機傳動系統采用回轉支承裝置，以齒輪傳動作為其傳動方式，為保證齒輪傳動的可靠性，要對齒輪的疲勞強度進行校核[5]。

根據回轉支承選型，初步確定齒輪副參數：傳遞的額定功率P=160kW;小齒輪齒數[Z1]=28，齒厚[b1]=80mm，齒輪材料20CrMnMo，滲碳，淬火硬度54～58HRC，齒輪精度等級7級;大齒輪齒數[Z2]=126，齒厚[b2]=60mm，齒輪材料42CrMo，調質，硬度55～60HRC，齒輪精度等級8級;模數m=6，螺旋角[β]=0，中心距a=480mm。

3.1 齒面接觸強度核算

輪齒工作時，其工作表面的接觸應力不斷地從零到最大值進行著往復循環變化，在過高的接觸應力的多次重復作用下，容易產生點蝕的危險，因此需要對齒面接觸強度進行校核[6]。

在嚙合瞬間，大、小齒輪的接觸應力總是相等的。齒面最大接觸應力一般出現在齒輪單對齒嚙合區的某一節點處，基于節點區域系數可計算得出該節點處接觸應力的基本值：

[σH0=ZHZEZεZβFtdbu+1u] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

式中：[ZH]表示節點區域系數;[ZE]表示彈性系數（[N/mm2]）;[Zε]表示重合度系數;[Zβ]表示螺旋角系數;[Ft]表示端面內分度圓上的名義切向力;[d]表示分度圓直徑（mm）;[b]表示齒輪副中較小齒厚（mm）;[u]表示齒數比。其中[Ft]可由功率、轉速和分度圓直徑得出：

[Ft=2 000Td=2 0009 549Pnd] ? ? ? ? ? （9）

再將[σH0]代入得出計算接觸應力：

[σH=ZBσH0KAKVKHβKHα] ? ? ? ? ?（10）

式中：[ZB]表示齒輪單對齒嚙合系數;[σH0]表示點處計算接觸應力的基本值（N/mm2）;[KA]表示使用系數;[KV]表示動載系數;[KHβ]表示表示齒向載荷分布系數;[KHα]表示齒間載荷分配系數。

接觸極限應力：

[σHG=σHlimZNTZLZVZRZWZX] ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

式中：[σHlim]表示接觸疲勞極限（N/mm2）;[ZNT]表示壽命系數;[ZL]表示潤滑劑系數;[ZV]表示速度系數;[ZR]表示粗糙度系數;[ZW]表示齒面工作硬化系數;[ZX]表示尺寸系數。

以接觸極限應力和計算接觸應力的比值作為計算安全系數為：

[SH=σHGσH=1.87] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

上述計算結果大于高可靠度時最小安全系數[SHmin=1.50～1.60]，滿足高可靠度要求。

3.2 輪齒彎曲強度核算

輪齒單側工作時，根部彎曲應力一側為拉伸，而另一側應為壓縮，輪齒脫離嚙合后，彎曲應力為零，齒輪在不停地嚙合和脫離嚙合的狀態，載荷反復作用，當彎曲應力超過彎曲持久極限時，齒根部分易產生疲勞折斷，因此需要對輪齒彎曲強度進行校核。

以載荷作用側的齒廓根部的最大拉應力作為名義彎曲應力，可通過計算得出齒根應力的基本值：

[σF0=FtbmnYFαYSαYεYβ] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

式中：b表示工作齒厚（mm）;[mn]表示法向模數（mm）;[YFα]表示載荷作用于齒頂時的齒形系數;[YSα]表示載荷作用于齒頂時的應力修正系數;[Yε]表示重合度系數;[Yβ]表示螺旋角系數。

再將[σF0]代入得出計算齒根應力：

[σF=σF0KAKVKFβKFα] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （14）

式中：[KA]表示使用系數;[KV]表示動載系數;[KFβ]表示齒向載荷分布系數;[KFα]表示齒間載荷分配系數。

將彎曲疲勞極限應力作為許用齒根應力：

[σFG=σFlimYSTYNTYδrelTYRrelTYX] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（15）

式中：[σFlim]表示齒根彎曲疲勞極限（N/mm2）;[YST]表示應力修正系數;[YNT]表示壽命系數;[YδrelT]表示相對齒根圓角敏感系數;[YRrelT]表示相對齒根表面狀況系數;[YX]表示尺寸系數。

以許用齒根應力和計算齒根應力的比值作為計算安全系數為：

[SF=σFGσF=5.61] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（16）

計算結果大于高可靠度時最小安全系數[SFmin=2.00]，滿足高可靠度要求。

4 本文設計的優勢

①回轉支承是融軸承和齒輪為一體的傳動結構，軸承外座圈既是軸承體又是齒輪，所以結構緊湊簡單、體積較小且質量較輕。回轉支承一般由軸承制造廠家進行系列化生產，且生產周期短，價格便宜且質量優良。

②采用回轉支承的浮選機改變了傳統的皮帶傳動浮選機的設計思路，使傳動裝置結構簡化、零件數量減少、承載能力大，其結構尤其適合用在大型浮選機上。

③采用回轉支承的浮選機是傳統皮帶傳動式浮選機的較好的替代品之一。其能克服傳統皮帶傳動的缺點，減少了因皮帶打滑、磨損致使系統傳動效率降低的現象，不僅省去了更換損耗皮帶的次數及數量，而且降低了現場工作人員的勞動強度和安全性;同時，也能避免由于電機升檔造成橫梁尺寸的改變，降低加工錯誤的概率。

④采用回轉支承的浮選機功率損失較小，可較好地傳輸動力，發揮齒輪傳動效率高、平穩性高、壽命長等優點。對長期連續運轉的浮選機設備而言，更具有經濟性意義。

參考文獻：

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[6]胡愛萍，劉善淑，陳權.標準直齒圓柱齒輪傳動接觸強度計算的研究[J].機械設計，2008（11）：45-48.