噴漿機輥射裝置發熱研究及改進措施

師忠耀，孫山

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

立式輥射式噴漿機用于立式作業生產預應力鋼筒混凝土管(Prestressed concrete cylinder pipe，簡稱PCCP)，是大型引水、輸水工程建設用預應力鋼筒混凝土管生產的關鍵設備之一。當制作的混凝土管芯外纏繞高強度預應力鋼絲后，噴漿機對管壁外表噴涂混凝土砂漿，形成鋼絲保護層，完成制作PCCP 管的一道主要工序。

輥射裝置是噴漿機最為核心組件，其主要由門框、左門、右門、左右兩組噴射輥輪組成。左、右噴射輥輪分別由各自電動機通過聯軸器（或直連方式）帶動高速旋轉，兩組輥輪轉向相反，將砂漿強力擠壓沿輥輪切線方向高速噴射至待噴管芯表面粘結，從而形成砂漿保護層。

每組噴射輥輪立式放置，通過軸承座、旋轉軸、聯軸器（或直接）與驅動電機相連，軸承座內上、下各布置一只滾動軸承作為支承。從設備運行回饋情況看，此處上下兩只軸承特別容易發熱，軸承長時間在高溫下運行，容易燒毀，從而影響正常作業。解決此處的軸承過熱問題，對于保障設備正常運行、提高設備的使用壽命很有必要。

1 引起輥射裝置軸承溫升因數分析研究

分析輥射裝置軸承溫度升高，主要是由于在單位時間內摩擦力做功產生發熱量大于軸承座釋放熱量，即軸承摩擦發熱功率大于軸承座的導熱速率。隨著軸承溫度升高，軸承座導熱速率增加，當軸承座散熱速率與摩擦功率處于平衡點時，軸承溫度將不再升高。若此平衡點處，軸承溫度在許用范圍內，則可正常使用；若超出，則會使軸承過熱燒毀，對此分析研究軸承發熱和軸承座散熱能力各影響因素很有必要。

從能量轉化守恒定律來分析摩擦力做功轉化熱能，發熱量W 對時間t 求導數得出發熱速率Q發熱即為摩擦力功率P，表示軸承發熱能力程度。

式中，M 為軸承摩擦力矩，N·mm；f 為摩擦力，N；d為軸承內徑，mm；n 為輥射輪轉速，r/min。

對于同時能承受軸向和徑向載荷的軸承，發熱功率為徑向摩擦力fa=Faμa與軸向摩擦力fr=Frμr的產生發熱功率之和。

1.1 載荷F 對發熱的影響

由式(1)中可以得出，軸承發熱功率與摩擦力成正比，

其中摩檫力f=μF

式中，μ 為軸承摩擦因素；F 為軸承所受徑向力Fr和軸向力Fa的合力，即

軸承作高速運動，由于軸承精度選擇不高、上下兩軸承孔加工時不同心以及軸承裝配方法不適當等均會引起振動與沖擊，公式（2）中軸承計算載荷F 時應乘上一個沖擊載荷系數fd。

軸承滾珠或滾子在滾道中應保持恰當的游隙，這是保證軸承輕松自如旋轉的前提，制作精良的軸承其彈性變形較小，游隙均勻且控制較好，運行時受振動的影響也小，軸承的發熱自然就小。當軸承套內或外圈受到擠壓時，如游隙變小明顯，會使軸承滾動體與套圈產生較大的接觸應力，從而會增加軸承摩擦發熱。

機械加工過程中造成軸承發熱的原因，主要為軸承座上下兩端的軸承孔（即軸承安裝位）不是一刀加工而成或加工過程中存在偏差，導致兩軸承孔不同心，從而造成軸承內外圈不平行或兩端軸承不同心等現象而引起額外磨損發熱；另外，為求加工便利，通常軸承裝配設計時，會考慮設置軸承套，軸承套加工與裝配過程中同樣存在產生上述偏差的問題，同時，軸承裝入軸承套，又多一道徑向配合的尺寸鏈誤差。因此，對于保證同軸度來說，取消軸承套，將軸承直接裝入軸承座中更為合適。

軸承的裝配也是一個重要影響環節，裝配軸承時最好用熱套法，用銅棒或通過銅套筒敲擊軸承的內或外圈，實現輕松裝入為宜；要嚴格避免用榔頭直接敲擊軸承內外圈，敲擊可使軸承滾道表面凹凸不平，改變滾道表面的粗造度，增大摩擦系數，增加摩擦力和發熱量。

1.2 軸承潤滑油摩擦因素μ 影響

由軸承潤滑而引起的軸承發熱問題，主要有下列方面的原因。

（1）軸承裝配涂潤滑脂時，沒有把潤滑脂擠嵌進軸承的滾道內或潤滑脂量太少。擠進去的潤滑脂是軸承工作時生成油膜的來源，裝配涂潤滑脂時，要將潤滑脂擠進滾道內，不能只涂滿軸承兩側。

（2）加注油脂量不合適。試驗反映，油脂量過多或過少皆不合適。太多會導致運轉阻力增大，太少則對軸承起不到潤滑作用，兩者均會引起軸承發熱。

（3）潤滑脂沒有保持清潔干凈，變質或混入雜質等情況。即使不小心混進了一顆很小很小的砂粒，運轉時軸承內圈上每隔一滾子圓周周期都可能因擠壓產生凹槽痕跡，這會使滾道的摩擦力增大，導致發熱量增加，長時間的高速運轉會影響軸承使用壽命。

1.3 轉速n 和軸承尺寸d 對軸承發熱影響

由軸承發熱功率式(1)中可以看出軸承發熱速率與轉軸轉速n 和軸承d 成正比，轉速和軸承越大軸承越容易發熱，反之亦然。

2 軸承座散熱能力因素分析

由法國數學家Fourier 總結的導熱定律，導熱速率與散熱面積成正比，與距離成反比。

傅里葉導熱速率的基本公式為:

如圖1 所示，本輥射裝置設備中軸承座為單層圓筒壁，其特點是溫度只沿著半徑方向發生變化(也是一維熱傳導)，導熱面積是半徑的函數，等溫面為同心圓柱面。此類型導熱速率公式由Fourier 導熱定律推導出的公式為：

式中，Q 代表為導熱速率，也就是熱傳導的快慢，W；L為圓筒壁長度，m；r2為圓筒壁外半徑，m；r1為圓筒壁內半徑，即軸承的外圈半徑，m；λ 為材料的熱傳導系數，熱傳導系數類似比熱，但是，又與比熱有一些差別，熱傳導系數與比熱成反比，熱傳導系數越高，其比熱的數值也就越低，此系數由實驗測得或手冊查得，W.m-1.k-1；A 為代表傳熱的面積(或是兩物體的接觸面積)，m2；ΔT 為軸承的溫升，ΔT=t2-t1，oc；ΔL 為則是兩端的距離m。

公式(3)我們可以發現，熱傳遞系數越高、熱傳遞面積越大，傳輸的距離越短，那么，熱傳導的速率就越高，也就越容易帶走熱量從而減小溫升。

圖1 單層圓壁熱傳導示意圖

3 輥射裝置軸承溫度平衡

軸承發熱功率與軸承座導熱速率散熱達到平衡后，溫度將不再升高，此時，溫升由軸承座導熱速率公式（3）和軸承發熱功率公式（1），建立溫升公式得：

為降低輥射裝置軸承的溫升，可以從減少軸承發熱功率和增大軸承座的導熱速率兩方面來考慮；從上述溫升公式（4）中可以看出，從潤滑(μ)、合理選擇軸承(F、d、r1)降低摩擦力值、降低轉速(n)、設計軸座外形(r2、L)、軸承座選擇熱傳導系數(λ)較大的材料等方面可以降低軸承的溫升。

4 應用及改進措施

在某地LGS140-400 立式輥射式噴漿機，在實際的工作中出現了溫升超過40℃，軸承座表面溫度達到72℃以上，導致輥射噴漿機無法長時間工作。

工況情況：輥射裝置有兩組輥射輪，兩組轉速為電機轉速，大小相等，方向相反，我們取出一組進行分析，外載荷F=2800N，G=2000N，l1=680mm，l2=750mm。

4.1 改進軸承支承形式

圖2 改進前

圖3 改進后

圖2 為改進前的采用的軸承組合形式，上軸承為圓錐滾子軸承型號：32319，查得Y=1.7。下軸承為調心滾子軸承型號：22318TN1/W33。

如圖所示，輥射輪處承受一擠壓力F，上軸承為圓錐滾子軸承，上軸承由F 引起的徑向力Fr1，并派生出附加力S1，S1=Fr1/(2Y)=0.75kN；下軸承為調心滾子軸承，徑向力Fa2，沒有派生附加力；

因S1＜G，所以上軸承緊，下軸承松，Fa2=S2=0。

簡要計算如下：

圖3 為改進后的軸承組合形式，上軸承為對背對背安裝角接觸軸承型號：7318B/DB，下軸承為圓柱滾子軸承型號：NU2317。

上軸承兩單角接觸軸承由F 引起的徑向力分別為Fr1.1和Fr1.2，大小為Fr1一半，并各派生出大小相等附加力S1.1和S1.2，由于自重G 的作用，故上軸承中上角接觸軸承緊，下角接觸軸承松；下軸承為圓柱滾子軸承，徑向力Fr2，沒有派生附加力。

上軸承和下軸承的徑向力、軸向力如下列公式計算:（G/Cor=0.012，可查得到e=0.38）

簡要計算如下：

4.2 加注適量潤滑脂，降低摩擦因數μ，減小溫升

若潤滑脂少時，滾動體表面沒有油膜，滾道表面條件差，摩擦因數μ 就高；加入的潤滑脂過多，油脂內部黏阻力的存在導致摩擦因數μ 也變會高。潤滑脂需擠嵌進軸承的滾道內，試驗證明，以加注到軸承室的2/3 左右為佳。另外潤滑脂一定要保持清潔干凈，不得變質或混入雜質，軸承加注潤滑脂前，要檢查油脂是否清潔，清除軸承里面灰塵、顆粒等異物。

4.3 減小軸承所受摩擦力f 措施

軸承內部摩擦力大小不僅僅與軸承所受載荷相關，還與摩擦因素有關，表1 為輥射裝置改進前后所用的軸承類型及其摩擦因數。

表1 部分軸承摩擦因數μ

如表1 所示，選擇角接觸球軸承或圓柱滾子軸承比圓錐滾子軸承的摩擦因數要小，故在軸承承載力滿足的條件下，優先選擇角接觸球軸承或圓柱滾子軸承。

比較改進前圖2 軸承所受載荷和改進后圖3 軸承所受載荷計算結果，結合表1 摩擦力系數μ，計算前后摩擦力結果如表2。

表2 圖1 和 圖2 摩擦力值f /N

表2 表明選擇圖3 軸承組合形式，上、下軸承摩擦力都比圖1 原先要小，摩擦發熱量就比原先的要少，溫升也就比原先小。

4.4 減少振動，減少沖擊系數fd

輥射輪工作時對軸承存在一定的沖擊載荷，考慮外載荷F 時應乘以沖擊系數fd，（參考表3 確定）。

表3 沖擊載荷系數fd

選取優質軸承；確保加工精度，嚴格保證軸承座上下孔同軸度；采用合理裝配工藝，保證裝配精度等措施均可減小對軸承的沖擊，減少振動。如表3 所示若工況從中等沖擊降到輕微沖擊，以中間系數考慮，可減少發熱量(1.5-1.1)/1.5=26.7%，從而可有效降低軸承溫升。

4.5 合理設計軸承座

分析式(4)，加大軸承座的外徑(r2)和增大長度（L），可增大散熱面積；且增大長度L，同時，將增大兩軸承支承距離l2，從而可減小兩軸承的徑向、軸向載荷。通過以上優化，可以減小摩擦力和軸承發熱量，有利于進一步降低軸承溫升。

4.6 軸承座材料選擇

軸承座采用材料熱傳導系數大的碳素鋼焊接件以取代鑄鐵件，有利于熱傳導，加速熱量散發。兩材料的熱傳導系數如表4 所示。

表4 部分材料的熱導系數λ/w.m-1.k-1

5 結語

輥射裝置作為輥射噴漿機重要部件，且需要高速高負荷運作，其內部軸承溫升過高，會嚴重影響軸承使用壽命及設備的正常運行。解決軸承溫升過高，可以從減少軸承發熱功率和增大軸承座的散熱速率兩方面來考慮。

本文論述了為解決噴漿機輥射裝置中軸承溫升的問題，通過優化支承形式、保證軸孔加工與軸承裝配精度、選用類型合適優質軸承、加注潔凈及適量潤滑脂、增加軸承支承距離和選擇導熱率相對較好的碳素鋼為軸承座材料等方面措施，有效降低軸承內部摩擦力、減小對軸承的沖擊。上述措施，在實際設備的改進應用中，成功解決了輥射裝置內置軸承溫升過高的問題，希望給類似的裝置設計和技術改進提供一些經驗和借鑒。