料機回轉軸承低壽命原因分析及處理方法

張棟 賈方俊 孫建福 李寧

摘要：鋼鐵行業原料堆場大量采用堆取料機作業，該設備為重大型設備，大部分企業料機的回轉軸承使用壽命不超過一年，回轉軸承使用壽命短成為全行業共性問題，由于回轉軸承更換安全風險高，導致耗費企業大量的工時和財力;為解決懸臂式堆取料機回轉軸承使用周期短的問題，本文摒棄原有的稱重法，采用力矩平衡幾何作圖法精確計算增加配重，同時運用有限無分析對回轉軸承的主應力及主變形進行分析，通過增加支撐環的方法解決應力過載問題，提高了回轉軸承的使用壽命。

Abstract： The iron and steel industry raw material yard of material piling and taking machine is used in great quantities in the operation， the equipment is heavy large equipment， most of the enterprise of the slewing bearing service life is no more than one year， short service life of rotary bearing become common problems， the industry due to their high slewing bearing replacement security risks， leading to a lot of time and money consuming enterprises; To solve the cantilever type stacker reclaimer slewing bearing use of short cycle， abandon the original weighing method， this paper USES the geometric mapping method of moment balance calculation to increase weight， and there is no analysis of slewing bearing on finite analysis of the principal stress and deformation of the main stress overload problem by using the method of increase support ring， improve the service life of the slewing bearing.

關鍵詞：料機;配重;回轉軸承;支撐圈

Key words： feeding machine;weight;rotary bearing;support ring

中圖分類號：TF31 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0100-03

0 ?引言

鋼鐵行業原料堆場大量采用堆取料機堆取原燃料，堆取料機為重大型設備，機身重量一般為800-1500T，作業能力一般為800-2500t/h。某鋼廠綜合煤場1#、2#、3#取料機回轉軸承為LYC洛軸產品，采用三排滾柱式回轉軸承結構，投入使用后的六年內，回轉軸承的平均使用壽命不足1年，回轉軸承壽命低基本成為行業共性問題。以鋼廠3#取料機為例，綜合煤場3#取料機于2014年9月下旬更換了懸臂及回轉軸承，2015年3月20日回轉軸承就出現使用異常，檢查發現主推力輥子的保持架已發現損壞，回轉時軸承有明顯的異聲及振動。回轉軸承直徑一般為3-6m，更換需要大型吊機配合，料機上部結構整體頂升方可更換，耗費大量人力財力，同時頂升過程存在巨大的傾翻風險，安全風險極高。

1 ?原因分析

1.1 料機上部結構件不平衡產生偏載

綜合煤場3#取料機采用三排圓柱滾子組合轉盤軸承，料機的回轉軸承在使用過程中，為保證料機作業的安全性，前端力矩要求必須大于配重力矩，才不會發生翹頭事故;根據料機出廠設計說明，懸臂在水平狀態的油缸承壓壓力應為8-10MPa，但料機使用過程中由于無法避免懸臂積料的原因，經現在測量料機在水平狀態時油缸承壓全部高于出廠設定值20-30%，導致前端力矩遠超配重力矩，從而引起回轉軸承不同程度的偏載，軸承的偏載引起的傾翻力矩大于其許用力矩，是造成回轉軸承的使用壽命低主要原因。

1.2 料機上部結構件與回轉軸承的接觸面不足降低了回轉軸承的支撐剛度

在反復的檢查中，發現料機上部結構件與回轉軸承接觸片的圓環直徑均比回轉軸承上表面的直徑小100mm，且其厚度為30mm，并沒有做到全直徑大小的接觸，本文通過有限元模擬負載發現，接觸面不足，導致回轉軸承棍子存在嚴重的應力過載情況，從而降低了料機回轉軸承的支撐剛度。料機回轉軸承在堆取料作業過程中承受非常大的動載荷沖擊，加之料機上部結構不平衡產生的偏載，由于接觸面不足，動載荷和偏心載荷無法均勻作用于回轉軸承，很容易引起局部主推力滾子受力過于集中而過早出現損壞，經拆檢更換下來的回轉軸承統計發現，軸承損壞部位全部為料機懸臂下方的棍子和保持架，因此回轉軸承接觸面不足是其使用壽命低的主要原因。

2 ?處理方法

2.1 采用力矩平衡作圖法精確增加配重消除偏載對平衡的影響

料機在使用過程中出現的偏載大小在設計時，很難準確計算。制造廠家一般是在料機安裝完成后，通過吊機稱重的方式測量懸臂的前端接地壓力的方法來確定料機上部結構件的重心位置，以此為結論對料機上部結構件的配重進行調整，并判斷回轉軸承的偏載情況，稱重方式需要采用大型吊機作業，安全風險較高，同時這種稱重的方式受料機關節軸承阻力的影響較大，這些誤差會造成配重的計算不準確，影響料機回轉軸承的使用壽命。國內外，對回轉軸承的設計，一般均以靜承載能力的計算為主，動載荷在實際使用中，因堆取料流量的變化，物料比重變化待影響，所以一般不進行動載能力計算。

為避免配重計算量出現較大的偏差，本處理方法不采用懸臂前端稱重，測量前端接地壓力的方式來調整配重，而是通過力矩平衡幾何做圖法，對料機上部結構件幾何尺寸及位置關系做圖，利用力矩公式，計算增加配重對料機平衡的具體改善情況。本文以鋼廠煤場3#取料機為例，在不影響上部結構件的整體受力情況及其它的安全前提下，具體計算方法如下：

根據料機出廠設計依據，料機水平狀態下油缸承壓能力為8-10MPa，我們計算取其安全值較大的值10MPa，將料機停至水平位置，有桿腔壓力釋放為零，無桿腔壓力為12.4MPa，△p=2.4MPa，根據公式：p=（料機為雙油缸）油缸直徑250mm，

得出△F1=2.4×2×3.14×125×125=235500（N）

通過料機原始圖紙分析做圖，給出取料機的整體結構及上部結構件主要力點的位置關系。

圖1所示為3#料機結構及其主要尺寸，前臂水平狀態時，取料頭距回轉中心51.5m;平衡配重距回轉中心21m;俯仰油缸距回轉中心線4.6m;回轉軸承直徑3.55m。根據力矩平衡方程式△F1×L1=△F2×L2，已知，F1=23.55噸，圖1所示，L1=4.6m，L2=21m，可得△F2=△F1×L1/L2=23.55×4.6/21≈5.16噸，由于配重塊通常制作為整數值，所以取整數值5噸。

增加5噸的配重方案實施前，現場油缸負載情況測試結果如下：

懸臂水平時，無桿腔壓力12.4MPa，有桿腔為0。

增加5噸配重后俯仰油缸的負載情況測試結果如下：

懸臂水平時，無桿腔的壓力降為9.9MPa，有桿腔為0。

壓力變化值為12.4-9.9=2.5MPa，與計算值基本一致。

壓力測試結果說明，上述計算結果正確，增加5噸的配重，料機懸臂水平時依然承受9.9MP壓力，符合料機出廠安全使用規范（水平狀態時8-10MP的許用壓力），增加配重對料機回轉軸承偏心負載降低，對料機上部結構件的平衡情況有明顯的改善。

2.2 增加支撐環減少回轉軸承的應力集中

2.2.1 回轉軸承結構及安裝與受力分析

綜合煤場的斗輪取料機回轉機構采用大型的滾子軸承作為支承，以實現多方位的取料和堆料等功能。回轉軸承由于長期受到取料機上部重量的擠壓和工作中產生的摩擦，容易產生負荷變大、沖擊異常、棍子損壞、滾道磨損和噪音增大等故障[2]。

如圖2所示，回轉軸承安裝在取料機門架和上部結構件之間，用以對上部結構件起支撐及回轉的作用。

如圖2所示，對回轉軸承區域進行放大，可見，取料機的上部結構件與回轉軸承結合時，上部結構件的結合面的直徑小于回轉軸承內圈上表面的直徑。造成三排滾柱式回轉回轉軸承的直徑50mm的主推力輥沒有在全長方向受力。這是造成綜合煤場取料機回轉軸承壽命短的主要原因。

改進方案為，在兩結合面之間加一支撐圈，其加工圖如圖3所示，該支撐圈的直徑大于上部結構件結合面處直徑，使回轉軸承的直徑50mm的主推力輥在全長方向受力，可以很大程度減小應力集中現象。加裝支撐圈后的示意圈如圖4所示。

2.2.2 通過建模，對加裝支撐圈前后，進行應力及變形情況對比分析

針對上述分析，對取料機圖2所示處增加一支撐圈，該支撐圈的長徑大于上部結構件與回轉軸承結合處的圓盤直徑，其形狀如圖4所示，并建模分析。（圖5）

通過建模，對回轉軸承與料機上部結構件之間加裝支撐圈后進行應力及變形分析，分析結構如圖6和圖7所示，主應力減小19%，主變形減小16%，通過安裝大直徑、大厚度支撐圈的方式進行改善，提高了上部結構件與回轉軸承接觸受力面的面積和剛度，有效改善了回轉軸承受力集中。

3 ?實施后的效果

3.1 通過準確計算配重量的方法，計算出配重調整量的實施效果

2015年5月9日對3#取料機后配重增加5噸后，對其上部結構件的重心位置基本靠前的現狀沒有改變，即俯仰油缸始終受壓不受拉，取料機上部結構件處于重心偏前的安全狀態沒有改變，但俯仰油缸的負載可減少23.55噸;無桿腔的壓力減少2.5MPa。說明，增加了配重后，有利于改善俯仰油缸的負載及液壓系統的運行狀況，有利于改善回轉軸承的負載情況，特別是對減少回轉軸承前端的負載有利。

3.2 通過增加支撐環的方法，改善環轉軸承受力的實施效果

2015年5月至9月，按計劃進行了實施，對配重進行了調整，支撐圈加工完畢，支撐圈的厚度大于50mm，支撐圈的直徑與回轉軸承的支撐面直徑等同。安裝完成后，50mm主推力輥的主應力減小19%，主變形減小16%，提高了上部結構件與回轉軸承接觸受力面的面積，有效改善了回轉軸承受力集中現象。

4 ?結束語

1#、2#及3#取料機的回轉軸承于2015年5月9日至2016年9月3日更換至現在，通過調整配重和安裝支撐圈的方式改造后，三臺回轉軸承使用正常，沒有任何劣化的現象。截止目前，三臺取料機回轉軸承均安全使用了四年無故障，僅維修費一項產生的經濟效益超過300萬元，為企業節省大量資金和維修力量。同時該料機回轉軸承使用壽命短的原因分析及處理方法也可為其它類型回轉支撐結構的設備故障分析提供借鑒。

參考文獻：

[1]雷洪林，鄭偉，周奇才.臂架式起重機配重的精確計算[J].起重運輸機械，2012（8）：27-31.

[2]曹金普，李文龍.堆取料機配重的安裝與維護[J].港口科技，2011（1）：18-21.

[3]趙俊峰.淺析斗輪機回轉軸承故障診斷[J].數字通信世界，2021，01.