輥壓機主傳動系統的設計選型與性能分析

王宇航，許 寧，龐杭洲，崔 冬，趙銅劍

(1．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．SEW－傳動設備(天津)有限公司，天津 300458;3．西安西電開關電氣有限公司，陜西 西安 710077)

0 前言

自上世紀80年代中期，輥壓機在我國水泥工業應用以來，增產降耗效果十分明顯。與球磨機相比，粉磨每噸物料可節省3～8 kWh電能，產量提高近一倍，又能壓出20%～30%的成品細粉，因此得以快速普及與推廣。目前我國新建與改造的干法水泥生產線水泥粉磨的前端都大量采用了輥壓機預粉碎工藝。

輥壓機主要由液壓系統、電控系統、主傳動系統、下料裝置及框架、軸承座等組成。其中主傳動系統是輥壓機的核心部件，為整機提供動力，并在擠壓輥和液壓缸的聯合作用下將物料擠壓成所需松散料餅。因此，主傳動系統的性能優劣直接影響整機的工作性能。有資料表明，在輥壓機的工作故障中，因主傳動系統的失效占近60%。因此，合理設計、制造與選擇主傳動系統，對整機的安全、高效運行有著十分重要的作用。

1 輥壓機主傳動系統的組成及主要性能

輥壓機主傳動系統是整個輥壓機的核心部件主要由擠壓輥、主軸承、減速機、傳動軸(萬向聯軸器)組成。

1.1 擠壓輥

輥壓機的規格關系著產量、功率、所需擠壓力的大小，一般都以擠壓輥的直徑與寬度來表示，設計中一般都以寬徑比—B/D的值來確定其大小。B/D值的選取有很多種如德國的KHD公司B/D值為0.4～1.15;美國的FULLER公司B/D值為0.5～0.65;德國的Koppern公司B/D值為0.4～0.7。

B/D值大的輥子，對物料的擠壓效果較好，從節能、降低成本、減輕機重的觀點出發，小輥徑的輥子較為有利。

B/D值小的輥子，因為輥徑大，對物料的牽入作用好，活動輥的歪斜作用會小，輥子直徑加大也意味著中心距加大，因而主軸承規格加大，其壽命會增加。此外，大直徑的輥子輥面磨損也會小些。

輥子的結構型式與耐磨性能也是決定整機使用壽命的重要指標。在輥壓機應用于工業生產的初期，其擠壓輥大多是分體式的，即在心軸外部熱裝上輥套，然后在輥套上堆焊耐磨層。這種分體式輥子在使用中經常出現問題，由于受熱裝形式、熱應力等的影響，有的輥套會開裂、輥套與心軸也會相對滑動，可靠性較低，影響整機使用。取而代之的是整體鍛造輥子的出現，即采用中碳合金鋼(40Cr，42CrMo，40CrNiMo等)整體鍛造成型，整體輥具有很好的強度與剛性，使用壽命大為提高。

擠壓輥輥面磨損問題是影響生產的一個重要因素，多年來備受開發商與用戶的關注。擠壓輥輥面的磨損為高應力磨損，其抗磨性能取決于所堆焊耐磨材料的硬度、韌性以及花紋形式。

恰當的輥面花紋形式有助于延長輥面的使用壽命，提高擠壓效率。主要花紋形式如圖1所示。

輥面耐磨花紋增大了對物料的咬合角，可加大對物料的牽入力度;提高擠壓效率，有效的形成料餅;提高耐磨性，磨損首先從花紋開始，可對輥體進行有效的保護。

根據輥面的工作條件及磨損機理，要求輥面硬度高、耐磨性好、抗剝落性好、內部的韌性好。要達到此要求，除了輥子的選材與結構型式外，還要正確選擇表面堆焊材料及堆焊工藝。根據輥子的工作情況，輥面堆焊一般分為打底層、過渡層、耐磨層和表面花紋等四層進行。如圖2所示。

打底層的作用是保證堆焊層與母材的充分融合，防止整個堆焊層剝落，同時能夠有效阻止輥面的焊接裂紋和疲勞裂紋向輥體發展、延伸，保護輥體不受破壞;過渡層的作用是對耐磨層有良好的支撐，過渡層的硬度要高于打底層;耐磨層要求堆焊材料具有高的焊態硬度和抗磨損性能，硬度要高于過渡層;表面花紋是直接工作面，要求耐磨粒磨損和抗擠壓綜合性能比耐磨層更加優異，硬度要求最高。堆焊完后，焊層的硬度從內到外呈梯度分布，逐漸升高，這樣既能保證表面耐磨，又能保證內部具有良好的韌性，保證能承受強大的沖擊載荷。

1.2 主軸承

輥壓機主軸承的型式最常用的主要有雙列調心滾子軸承和四列圓柱滾子軸承。調心滾子軸承主要用于中小規格輥壓機。四列圓柱滾子軸承與調心滾子軸承相比具有承載力高、壽命長及密封性好等優點，壽命可比調心滾子軸承高數倍。大型輥壓機常用四列圓柱滾子軸承。

由于大型滾動軸承價格昂貴，更換困難，因此正確選型與使用可以提高輥壓機的運行可靠性，降低維護成本。為此要注意以下幾點:

(1)設計要留有足夠的安全裕度。要對工作過程中的脈動載荷與最大載荷準確評估，使輥壓機在最大載荷的70%～80%之下運轉，軸承壽命可延長一倍以上。

(2)注意附加軸向力對軸承的影響。在工作過程中，由于輥子的熱膨脹及浮動輥在寬度方向上由于載荷不均出現的偏擺，會引起支撐跨距的變化，設計上在軸承座內一端預留軸向間隙來補償此變化。當采用調心滾子軸承時，附加軸向力由此軸承承受;當采用四列圓柱滾子軸承時，附加軸向力由外加的推力軸承承受。

(3)溫度的影響。由于混合物料的溫度及擠壓、摩擦產生的熱量，均會使軸、軸承溫度升高。軸承若長期在高溫下工作，其壽命會打折扣;反之，在正常溫度范圍內，軸承溫度每降20℃，壽命會增加一倍以上。為了使軸承工作溫度保持在50℃左右，除了良好的潤滑以外，也會在軸承座內通循環冷卻水;當物料溫度高于70℃時，在擠壓軸內部竄循環冷卻水降溫。

(4)有效的密封。物料在擠壓粉碎過程中會產生大量的粉塵，這些粉塵磨粒若進入軸承內部會加速軸承的磨損，進而損壞軸承。除傳統的密封方式外，對于活動輥應采用能隨同輥軸一起擺動的特殊密封裝置，使接觸面始終垂直于軸心線。為了有效防止粉塵侵入軸承內，應采用電動干油脂泵定時自動供潤滑脂于密封唇處，并有微量的潤滑脂溢出，從而防止粉塵侵入。

1.3 減速機

1.3.1 減速機的型式與配置方式(圖3)

主電機的動力通過減速機將扭矩放大后，才能帶動擠壓輥工作，因此減速機也是整個輥壓機的核心部件之一。從輥壓機進入工業化生產使用至今，減速機的型式與配置均發生了很大的變化。

方案1減速機為平行軸分流式，地腳安裝，減速機和輥子之間是通過兩個重型聯軸節傳遞扭矩。用于大功率輥壓機時減速機和聯軸節都很笨重，體積龐大，因此僅在小功率時應用。

方案2減速機采用行星傳動方式(行星減速機)是輥壓機傳動系統的發展潮流。行星減速機懸臂插裝在輥壓機輥軸上，并通過鎖緊盤鎖緊，傳動中產生的反力矩由扭力支架承受，電機安裝在減速機上方，通過皮帶傳遞動力。這種方式適用于小功率的輥壓機。

方案3活動輥的行星減速機安裝方式同方案2，而定輥的行星減速機則安裝在地面上。

圖3 減速機型式與配置方式Fig.3 Drive and configuration modes of reducer

方案4安裝同方案3，只是活動輥的減速機固定在地面上，并且輸出軸側裝有可作橫向運動的重型聯軸節。

方案5兩臺行星減速機均懸臂安裝，鎖緊及承受反力矩的方式同方案2，減速機輸入側通過兩個萬向聯軸節同電機聯接，動輥一側的減速機和聯軸節可隨動輥做橫向移動。該方案是目前采用的最廣泛、最成熟的配置方法，適用于任何功率段。

中國重型機械研究院有限公司設計、制造的輥壓機專用大功率重載行星減速機整體配置方式如方案5所示，每臺行星減速機均配備自潤滑油站，對減速機進行強制冷卻潤滑，確保減速機的長期可靠運行。行星減速機與輥軸采用插裝式聯接，即把行星減速機的輸出軸做成薄壁空心件直接套在輥軸上，通過縮套(鎖緊盤)箍緊，反力矩由專設的抗扭支撐(扭力臂)承受，防止減速機整體反轉。這種連接方式緊湊，無需另設基礎或重型萬向接軸，易于安裝。該行星減速機已在國內外數百家水泥公司的輥壓機中應用，并獲得好評，其主要性能參數如下:

功率范圍/kW 220～1250

公稱傳動比 i=40、45、56、63、71、80

公稱輸入轉速r/min 1000，1500

額定輸出轉矩/kN·m 200～1050

工作噪聲/dBA ＜80(滿負荷，距離1 m處)

傳動效率 η=0.96～0.98

設計壽命/萬h 10

1.3.2 減速機空心軸的設計要求

行星減速機的輸出軸做成薄壁空心件，對空心軸的材料性能提出了較高的要求。可用屈服強度σ0.2≥360 MPa的鋼、鑄鋼或球鐵，并經熱處理。

鎖緊盤擰緊后，在空心軸上產生多向應力，軸向應力可忽略。其切向及徑向應力可按“厚壁筒”公式計算。其內部承受壓強pN為

式中，f為摩擦系數，取f=0.15;d0為空心軸內徑，d為外徑。

其外部承受壓強為

式中，E為彈性模量;Δd0為軸與套的配合間隙。

最大應力發生在內徑處，則切向正應力σtN為

合成應力必須小于空心軸材料的屈服強度 σ0.2。

1.3.3 鎖緊盤的使用

中小功率輥壓機行星減速機的懸臂安裝多采用機械式鎖緊盤，通過擰緊鎖緊盤周向高強度螺栓，產生強大的摩擦力矩而傳遞扭矩。大功率的輥壓機已開始采用液壓式鎖緊盤，液壓鎖緊盤設定力矩準確，拆卸方便，節省勞力，縮短拆卸時間，但價格比機械式要貴。

鎖緊盤是輥壓機傳動系統的重要零件，正確選型與使用才能保證力矩的準確傳遞。如今鎖緊盤已形成系列并有標準產品直接選用。

(1)鎖緊盤的選定方法。以設計軸徑為依據，從標準系列中選定合適的規格，并校核最大轉矩是否滿足工作需求。以需要傳遞的轉矩為依據，選定合適的規格。在計算需要傳遞的轉矩時，應考慮安全系數。如果工作中既傳遞轉矩又承受軸向力，則應計算合成轉矩，再由系列表中選定鎖緊盤。

鎖緊盤選定后，應對輥壓機軸及減速機空心軸的尺寸及強度進行核算。

(2)鎖緊盤的安裝與防護。操作人員應對鎖緊盤的聯接原理有基本的了解，并在聯接表面涂不含二硫化鉬的潤滑脂。鎖緊盤聯接螺栓在安裝前應全部松開，各聯接件的相對位置測量符合安裝要求后方可擰緊鎖緊盤聯接螺栓。用力矩扳手對角交叉逐漸擰緊鎖緊盤聯接螺栓，每次用1/4的額定力矩值擰緊，逐漸達到要求的額定力矩值。安裝完畢，應對外露部分涂上防銹油。處于露天或惡劣環境作業時，應定期涂防銹油，并在可能的情況下加裝防護裝置。

1.4 軟起動安全聯軸器的使用

輥壓機轉動部分自重較大，其轉動慣量一般在800～4500 kgm2(特別在大功率段)時靜摩擦系數較大，此類設備為大慣量啟動設備，其驅動電動機的啟動為帶載啟動。有必要在傳動系中加裝軟啟動安全保護聯軸器，以實現設備的軟啟動及過載保護。

液力偶合器作為電動機軟啟動裝置，已應用多年，但其缺點是質量大，尺寸大，對減速器的軸伸及電動機的軸伸有時是無法承受的。

鋼球式軟啟動安全聯軸器由于其質量輕，尺寸小，易實施改造，維護工作少(基本上免維護)，已成為輥壓機軟啟動的首選。

軟啟動安全聯軸器通過鋼球的離心壓力產生的摩擦力傳遞轉矩，通常將聯軸器主體部分裝在電機端。當電機啟動時，由于轉速很低，離心力很小，其產生的摩擦力也很小，聯軸器打滑，主動側隨電機旋轉，被動側(減速器一側)靜止，電機為近似空載啟動。隨著轉速的增加，摩擦力逐漸增大，聯軸器的被動側帶動工作機(減速器入軸)開始旋轉，直到與主動側同步旋轉，電機的整個啟動過程是一個平穩的逐漸加載的過程，實現了電機的“軟”啟動，改變了普通聯軸器聯接時的“硬”啟動方式。

當輥壓機過載或卡死時，由于轉矩超過了設計摩擦力可傳遞的轉矩(設定轉矩)，聯軸器打滑，防止了機械部件的損壞及電動機的燒毀。

軟啟動安全聯軸器的結構如圖4所示。

圖4 軟啟動安全聯軸器結構示意圖Fig.4 Structure of safety coupling for soft start

聯軸器的工作過程為:主動軸帶動轉子旋轉，轉子上的葉片將殼體內的空腔分成2～6等份，葉片推動空腔中的鋼球作圓周運動，鋼球由于離心力作用沿聯軸器半徑方向運動，逐漸貼緊在殼體內壁，并沿殼體內壁滑動，隨著轉速的升高，鋼球與殼體內壁間的摩擦力達到一定值時，鋼球帶動殼體旋轉，達到同步狀態。殼體通過銷軸組件帶動半聯軸器旋轉，將動力傳遞到工作機。

軟啟動安全聯軸器的主要特點:

(1)軟啟動性好。原動機啟動時，聯軸器處于打滑狀態，可將帶載啟動變為近似空載啟動，實現原動機的軟啟動;

(2)可靠的過載保護并可調節。當工作機過載或卡死時，聯軸器打滑，限制了功率的增加，當異步電動機因過載導致轉速下降時，聯軸器可傳遞功率隨轉速迅速下降，有效保護電動機不被堵轉。增減鋼球的填充量，可調節過載保護功率值;

(3)減振性好。鋼球在傳力過程中相互間的彈性運動可吸收傳動系統的振動;

(4)節省能源與設備費用。由于實現了軟啟動，降低了啟動電流，縮短了峰值時間，降低了能耗，同時減小了設備的啟動沖擊，節省設備維修費用;

(5)安裝拆卸方便，工作可靠，運行中無需維護，承載能力大，外形尺寸小。(注意事項:長時間打滑發熱嚴重，不適用于頻繁啟動或頻繁換向的場合)。

2 主傳動系統的維護

主傳動系統是整個輥壓機的“心臟”，因此做好日常的維護工作對整機的高效運行有重要作用，為此應注意以下幾點:

(1)每日都應檢查擠壓輥的輥面磨損情況，并注意有無異物進入輥縫(這一現象應堅決避免);

(2)注意主軸承的工作溫度是否正常，每天定時給主軸承供潤滑脂，確保良好的潤滑與密封;

(3)定期用扭矩扳手檢查鎖緊盤的擰緊螺栓是否在額定力矩下，保證減速機空心軸與擠壓輥在結合面處不產生相對轉動(這一點很有必要，否則會在結合面局部產生錯位、粘連現象，造成日后拆卸困難);

(4)每日應檢查減速機的運行情況，觀察有無異常振動、噪聲，工作溫度是否正常(油溫不應超過80℃);

(5)檢查擠壓輥內部的循環冷卻水流量及水溫(不要高于28℃)是否正常;

(6)每日都應檢查主電機工作電流，定子溫度是否正常;

(7)日常維護、保養工作到位，可將一些故障消滅在萌芽狀態，提高系統的運轉率，延長使用壽命。

3 結束語

輥壓機在投入工業化應用的二十多年里，其產品性能與相應的生產工藝都發生了很大的變化。其中傳動系統的設計理念、結構形式、配置方式也有不少改進。擠壓輥基本上均采用合金鋼整體鍛造工藝，使用壽命大為增加;減速機基本上已全部國產化，而且向著大功率、重載荷方向發展，使用性能已接近國外先進水平;其它配套件如軸承、密封、耐磨件等都上升到比較高的水平。可以預見，隨著相關技術的不斷進步，必將使輥壓機的應用更加廣泛和普遍。

［1］ 王宇航，趙玉良．輥壓機行星減速器的使用［J］．水泥技術，2010(5)．

［2］ 呂波，鄭久耐．TRP140輥壓機輥軸密封的改進［J］．水泥 ，2004(9)．

［3］ 趙玉良，王宇航．大中型輥式擠壓成型機傳動系統的特點［J］．磷肥與復肥，2010(3)．