碾壓機碾輪軸承損壞原因分析及改造措施

修 云 黃 林 羅立武

（1.岳陽恒忠機械工程技術有限公司，湖南岳陽414012；2.中石化催化劑長嶺分公司，湖南岳陽414012）

0 引言

碾壓機是一種型砂混制設備，廣泛應用于中小型鑄造車間，亦可推廣應用于化工、輕工、建筑材料等行業混制粉粒狀物料。中石化催化劑長嶺分公司加氫車間使用的碾壓機是S114C型，在使用過程中，由于碾輪軸承經常損壞，碾輪運轉不平穩，不能達到對產品物料的碾壓和揉搓效果，保證不了產品質量，頻繁的搶修既增加了檢修工作量和設備成本，也嚴重影響了正常生產。因此，解決碾輪軸承損壞的問題是消除生產瓶頸和降低勞動強度的關鍵。

1 S114C型碾壓機的工作原理

1.1 碾壓機結構及工作機理

S114C型碾壓機由機體、傳動機構、混碾機構三大部分組成，如圖1所示。

圖1 碾壓機結構圖

電機經過齒輪減速箱減速，其輸出端小斜齒輪與中軸大斜齒輪嚙合再次減速，中軸以34 r/min的速度帶動機體內的混碾機構（包括十字頭機架、曲臂、碾輪、內外刮板）圓周運轉。近噸重的一對碾輪通過碾輪軸聯接在曲臂上，曲臂軸又將曲臂和十字頭機架連接在一起。這樣，混碾機構的十字頭機架轉動帶動碾輪一起繞中軸（立柱）回轉，碾輪由于和物料的摩擦開始滾動碾壓物料，曲臂可繞曲臂軸自行轉動調整，以便碾輪隨物料厚度變化自由起落，碾輪與底板可根據物料所需壓力保持一定的間隙，由調節螺栓來控制。對產品進行碾壓、揉搓，獲得催化劑產品特殊的物化性質，全靠碾輪的重量給物料以壓力來完成[1]。

1.2 碾輪結構及工作機理

碾輪的結構如圖2所示，一對圓錐滾子軸承30315（分離型軸承）背對背裝配在碾輪兩端內，通過碾輪軸將碾輪安裝在曲臂上，由兩個對頂圓螺母將碾輪固定在軸上及控制軸承的竄量。竄量是由圓螺母與軸承內圈間保留間隙來獲得，間隙要合適（太小將碾輪夾死，轉動不活；太大則軸承的滾珠與外圈的圓錐面滾道相分離，不對中，軸下墜，運轉精度喪失），平常竄量可以在0.10～0.15 mm內，但離心力作用下產生預緊，其工作竄量變大。所以竄量控制在0.1 mm內，工作竄量才合適，運行精度較高。

圖2 碾輪結構圖

2 碾輪軸承工作失效的原因

碾輪軸承能夠長周期平穩運行，需滿足三方面要求，即：制造安裝精度滿足要求，配件強度滿足要求，保持精度能力強（防松性能滿足要求）。下面分別對這三方面要求進行分析。

2.1 制造安裝精度方面的檢測

機械設備各部件的制造加工精度及裝配精度，決定了該設備的工作運行精度。碾壓機各配件是機加工出來的，性能直接由機加工精度來保證。對碾壓機傳動機構各部件的同軸度、垂直度、平行度進行檢測，測量各部尺寸，檢驗各部配合間隙，均合格，裝配精度完全符合設計使用要求。

2.2 強度方面的檢測

統計歷次更換的配件清單發現，失效原因主要是軸承損壞、曲臂軸臺肩磨損及碾輪軸頭螺紋磨損，下面分別進行分析。

2.2.1 軸承損壞

軸承損壞的原因主要有兩個：一是承載強度不夠；二是軸承潤滑不當，密封形式不合適或密封失效。

2.2.1.1 對軸承進行受力分析

如圖3所示，每個碾輪重近300 kg，兩軸承承受的徑向力N徑為碾輪重量G與底料對其的托力N兩者的合力，即N徑=G-N，N徑最大可達到300 kg，則每個為150 kg（約1.47 kN），而軸向力N軸來自于碾輪的離心力F與物料對碾輪徑向阻力N阻的合力，N軸=F-N阻，最大可達到F，F=mv2r，計算出每個碾輪可產生約232 kg（約2.27kN）的離心力，圓錐滾子軸承只能承受一個方向的軸向載荷，碾輪軸向力由外端軸承全部承受，即外端軸承的軸向力為232 kg，內端軸承不承受軸向力。

圖3 軸承受力圖

下面計算軸承所受載荷[2]（Fr=1.47 kN，Fa=2.27 kN）：

當量動載荷：

從滾動軸承徑向、軸向載荷系數，得知X=0.4，Y=1.733。

軸承徑向動載荷：

式中，100℃以下溫度系數fT=1.0；載荷系數中等沖擊下fF=1.0～1.2；每天8 h工作軸承壽命Lh=12 000～20 000；滾子軸承壽命指數e=10/3。

30315型軸承的徑向額定動載荷Cr為252 kN，遠大于33.4 kN，同時，歷次壞的都是受力小的內端軸承，外端的從未壞過，這都說明軸承完全滿足強度要求。

2.2.1.2 對潤滑和密封進行分析

潤滑和密封對軸承使用壽命很重要，潤滑是為了減少摩擦與磨損及冷卻降溫，密封的目的是防止灰塵、水分等進入及潤滑劑流失。碾壓機碾輪自轉速度低（3.14×D/V=3.14×d/v，v=1 200×34/800=51 r/min=2.14 m/s），其速度因數dn=80×51=4 080＜＜（1.5～2）×105mm·r/min，選擇潤滑脂是合理的。

碾輪軸承密封有兩處，一是碾輪外端軸承的端面靜密封點，蓋板與碾輪間有橡膠墊子密封，防止潤滑劑在離心力作用下甩向外端流失。該處靜密封效果很好，從沒流失潤滑劑和進入過物料。二是碾輪內端軸承因有軸穿過的緣故，該處軸封屬動密封點，選用的是油封密封，油封的唇邊朝外，防止灰塵、雜物進入，能滿足碾輪速度及使用環境要求。密封失效的原因是油封損壞，分正常磨損和非正常磨損，正常磨損是油封在軸承端蓋里隨碾輪平穩轉動，油封內唇邊彈性抱著軸相對轉動，兩者的同軸度很高，跳動很小，油封的橡膠唇邊對軸的磨損很少，彈性唇邊能自動補償微量的磨損，粘附在該處的少許物料是不會進入的。

可見，潤滑、密封的選用方面沒問題，正常情況下，完全滿足使用要求。

2.2.2 曲臂軸臺肩磨損

曲臂軸臺肩磨損是由于軸承損壞引起的，其外形尺寸設計滿足受力強度要求。

2.2.3 碾輪軸頭螺紋磨損

碾輪產生的離心力通過外端軸承作用在圓螺母上，最后由碾輪軸來承受，碾輪軸直徑為75 mm，軸頭細牙螺紋為M70×1.5，軸的強度薄弱處是螺紋部位。螺紋的主要失效形式有：第一，螺栓拉斷；第二，螺紋的壓潰和剪斷；第三，經常裝拆時會因磨損而發生滑扣現象。螺紋與螺栓的螺紋牙及其他各部尺寸是根據等強度原則及使用經驗規定的，采用標準件時，這些部分都不需要進行強度計算，所以螺栓連接的強度計算主要是確定螺紋小徑d1，然后按照標準選定螺紋公稱直徑（大徑）d及螺距p等。查表可知，該尺寸的螺紋能承受幾十噸的力，強度完全能夠達到要求，因而該螺紋失效原因就是第三點了，即螺紋磨損。多次拆裝螺紋或是螺紋副加工不精確，間隙過大，都會導致螺紋副磨損，使其緊固強度降低，在周期性的滾碾運轉振動和離心力的作用下滑扣。

2.3 防松性能方面的檢測

碾輪上螺紋聯接固定采用的是雙螺母防松方式，是由兩個細牙圓螺母對頂擰緊，使螺紋壓緊，螺栓始終受到附加的拉力和附加的摩擦力，結構簡單，可用于低速重載場合[3]。細牙螺紋升角小、小徑小、自鎖性能好、強度高，但不耐磨、易滑扣。多次的檢修拆裝，對螺紋磨損明顯，大大降低了螺紋的強度和防松性能；同時，圓螺母的緊固方法存在問題：在檢修中，雙圓螺母對頂后要保證與軸承內圈間有0.10 mm間隙，很難控制得到，圓螺母需要使用專用工具對頂才能得到0.10 mm間隙，而維修工沒有專用工具時通常用扁鏨將第二個圓螺母緊固，將第一個壓住以實現對頂，由于第一個圓螺母沒有卡住不動，被第二個帶著轉動，這樣對頂效果就差些，防松也差，間隙值易變小，使碾輪轉動不活。為保證轉動靈活，維修工就先給大一點的間隙，再扁鏨將第二個圓螺母緊固對頂，以得到小一點的間隙，這樣是很難得到0.10 mm間隙的。間隙大了所受沖擊還會變大，運行中，軸承內圈會產生脈動性沖擊，沖擊鎖緊螺母，導致其松動，影響防松效果。

綜合上述分析，可判斷碾輪軸承損壞的過程是：軸承與鎖緊螺母間的間隙以及多次裝拆使螺紋磨損，導致產生軸向沖擊使螺母松動，軸承竄量變大，圓錐滾動軸承錐面滾道與滾珠相分離，軸心相對外圈下墜不對中，碾輪運轉跳動，使軸的密封失效，導致物料進入，物料的進入加劇了軸承損壞，直至軸承不能運轉，最后導致檢修；多次裝拆又導致螺紋磨損，使軸承與鎖緊螺母的間隙產生軸向沖擊，造成螺母松動，形成惡性循環。通過以上分析可知，碾輪軸承損壞的根本原因是螺紋易松動。產生松動的原因主要有兩個方面：軸承與鎖緊螺母間有間隙、多次拆裝易造成螺紋磨損。

3 S114C型碾壓機改造措施

針對碾輪軸承損壞的原因，采取了以下改造措施：

3.1 兩軸承間加定位鋼套

碾輪軸承的螺紋連接，是一種可拆的固定連接，固定連接必須符合使軸上零件緊固可靠并使旋轉靈活的原則。從碾輪結構可知，該處鎖緊螺母與軸承內圈間有0.10 mm的間隙，鎖緊螺母并沒有將軸承與軸緊固成一體，只滿足了旋轉靈活，卻沒滿足緊固條件，存在軸承軸向定位缺陷。這種裝配方式下，軸承軸向未作固定，不可避免地存在沖擊，周期性地沖擊載荷，最終使螺母松動。

對于這一缺陷，采取的改造方法是：在兩軸承間安裝定位鋼套（圖4），其長度L=L4+Δ=L1-（L2+L3)。此時鎖緊螺母將軸承緊固死，這種方式下，既保證了軸承與軸緊固為一體，也保證了0.10 mm的軸向間隙，使碾輪裝配牢固緊湊又轉動靈活。

圖4 軸承定位改造圖

3.2 采用開口銷與槽型螺母防松方式

改造前軸承是雙螺母螺紋防松，螺紋連接防松的根本問題在于防止螺紋副的相對轉動。螺紋常用的防松方法有：（1）利用摩擦防松，如雙螺母防松、彈簧墊圈防松、自鎖螺母防松；（2）機械防松，如開口銷與槽形螺母防松、止動墊片防松、圓螺母用帶翅墊圈防松、串聯鋼絲防松等，各用于不同的使用場合。

碾壓機的工況是重載、低速、沖擊振動，符合這情況的防松方式有雙螺母防松、自鎖螺母防松、開口銷與槽形螺母防松三種。前兩種屬利用摩擦防松，在多次檢修拆裝、螺紋磨損間隙變大后，其防松性能大大降低，而第三種是機械防松，它是利用開口銷阻止螺栓和螺母相對轉動，一般用于較大沖擊和振動的高速機械中，且螺紋螺旋升角的力學作用，使軸向力分解到螺紋切線方向的力極小（旋松力），開口銷的剪切強度遠大于此力，防松能力滿足，同時，使用開口銷的槽形螺母厚度比普通圓螺母大，螺紋聯接強度也大些，選用開口銷與槽形螺母完全滿足要求。

3.3 碾輪兩端加擋料板

通過給碾輪兩端面加裝擋料板，可以避免物料直接接觸密封和減少粘附到密封處的粉塵與物料數量，形成頭道密封，使油封接觸較少的物料，大幅提高其密封性，并延長軸承壽命，也可在不正常情況下（軸承有故障）延緩軸承的損壞。

擋料板是兩瓣拼接安裝的，板孔與碾輪配鉆加工，以保證最后安裝擋料板時，擋料板與碾輪軸的間隙均勻（圖5）。

圖5 碾輪改造圖

除采取以上三個方面的改造措施外，還要注意以下事項：必須采用專用工具緊固螺母，控制預緊力的大小，防止過大滑扣或過小緊固不夠；定期拆下附屬件擋料板清除積料，延長密封壽命；定期檢查軸承磨損情況，及時調整磨損變大的間隙，以保持碾輪運轉精度。

4 碾壓機改造效果

通過對碾輪的改造，從根本上消除了碾輪軸承易損壞的因素，使碾輪軸承的壽命恢復到正常水平，杜絕了惡性循環帶來的大量非正常檢修；采取定期檢查的預防性措施，及時恢復軸承工作精度，可使碾壓機運行周期大大延長。

小改造，大效果。中石化催化劑長嶺分公司加氫車間的S114C型碾壓機M1201，改造前，2014—2015年兩年之間，軸承損壞、大修了9次，而改造后，從2016年至今軸承沒壞過，只定期每半年清料和檢查調整間隙（工作量很小），大幅減少了維修工作量，節省了大量的人工檢修成本和設備配件成本，并減少了碾壓機檢修引起的非計劃性停工及給生產裝置帶來的重大經濟損失。

[1]楊可楨，程光蘊，李仲生，等.機械設計基礎[M].6版.北京：高等教育出版社，2013.

[2]劉釗，王秋生.材料力學[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2008.

[3]金尚年，馬永利.理論力學[M].2版.北京：高等教育出版社，2002.