輥磨磨輥軸承的選型設(shè)計(jì)

韓有昂

磨輥裝置是輥磨中的關(guān)鍵部件，物料在磨輥的強(qiáng)大壓力下被粉碎。磨輥裝置主要由輥軸、輪轂、輥套、軸承、喇叭套、悶蓋、透蓋等組成。其中軸承是磨輥中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響輥磨的安全性和可靠性。

磨輥軸承的選用必須經(jīng)過嚴(yán)格的壽命計(jì)算，其實(shí)際壽命受磨機(jī)的操作方式、潤滑的效果及磨機(jī)的操作溫度等因素的影響。下面對某型號(hào)輥磨的磨輥軸承的選型和設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 磨輥軸承的選型和壽命計(jì)算

對磨輥軸承進(jìn)行選型設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對輥軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算[1]，然后選擇合適的軸承，合理分布軸承的位置，并結(jié)合軸承的實(shí)際工況計(jì)算出軸承的修正壽命。

磨輥軸承的設(shè)計(jì)通常優(yōu)先采用圓柱滾子軸承和雙列圓錐滾子軸承的組合配置方式。其中圓柱滾子軸承只承受徑向力，作為浮動(dòng)端，可以補(bǔ)償溫度變化產(chǎn)生的線性膨脹；雙列圓錐滾子軸承作為固定端，承受徑向力和軸向力，可以承受很大的軸向力，不會(huì)出現(xiàn)較大的軸向位移。這兩個(gè)軸承通過間隔套定位并相互支撐，分別由磨輥裝置中的透蓋和悶蓋壓緊。

1.1 軸承的載荷計(jì)算

輥磨是通過液壓缸施力，利用杠桿原理使磨輥壓緊磨盤，對料床施壓，實(shí)現(xiàn)物料的粉碎。為簡化計(jì)算，假定磨輥在正常的工況下工作壓力、磨盤轉(zhuǎn)速等恒定。在粉磨過程中，磨輥主要受到垂直于磨盤面向上的壓力、磨輥與物料間產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦力[2]。其中滾動(dòng)摩擦力與磨輥所受正壓力成正比例關(guān)系，比例系數(shù)取0.1。通常采用相對輥壓來代替實(shí)際輥壓，磨輥的投影壓力F為：

式中：

p——磨輥在單位投影面積的輥壓，kN/m2

D——磨輥平均直徑，m

B——磨輥寬度，m

通過坐標(biāo)變換，可得磨輥承受的軸向力FMx、徑向力FMy、切向力FMz分別為：

將輪轂和輥套等作為一個(gè)整體進(jìn)行受力分析，輪轂和輥套等的重力G相對比較大，不應(yīng)被忽略（如圖1所示）。

將輪轂和輥套等作為研究對象，以軸承A處為力矩中心，進(jìn)行XY平面受力分析，列平衡方程：

圖1 受力分析

式中：

FAy——輪轂和輥套等在軸承A處y方向的載荷

FBx、FBy——輪轂和輥套等在軸承B處x、y方向的載荷

將輪轂和輥套等作為研究對象，以軸承A處為力矩中心，進(jìn)行XZ平面受力分析，列平衡方程：

式中：

FAz——輪轂和輥套等在軸承A處z方向的載荷

FBz——輪轂和輥套等在軸承B處z方向的載荷

軸承B處受軸向力為：

軸承A、B處受徑向力FAr、FBr為：

1.2 軸承壽命計(jì)算

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，按每年330d計(jì)算，設(shè)備在每天連續(xù)帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)24h的情況下，實(shí)際壽命應(yīng)＞80 000h。

采用當(dāng)量動(dòng)載荷法計(jì)算磨輥軸承的壽命，是指相同批次的軸承，在相同條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，其可靠度達(dá)到90%時(shí)的壽命。軸承的基本額定壽命為L10h：

式中：

Cr——基本額定動(dòng)載荷

P——當(dāng)量動(dòng)載荷

n——軸承工作轉(zhuǎn)速

ε——壽命指數(shù)（球軸承ε=3，滾子軸承ε=10/3）

在使用條件（潤滑、溫度、清潔度等）和材質(zhì)可靠性要求等變化時(shí)，應(yīng)采用修正公式將計(jì)算結(jié)果作為修正的基本額定壽命Ln：

式中：

a1——可靠性系數(shù)

a2——材料性能修正系數(shù)

a3——工作條件修正系數(shù)，包括潤滑劑、清潔度等

在進(jìn)行軸承壽命計(jì)算時(shí)，需將實(shí)際載荷轉(zhuǎn)換為與確定額定動(dòng)載荷條件相一致的當(dāng)量動(dòng)載荷。軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P為：

式中：

f——載荷系數(shù)

Fr——軸承所承受的徑向載荷

Fa——軸承所承受的軸向載荷

X——徑向動(dòng)載荷系數(shù)

Y——軸向動(dòng)載荷系數(shù)

最后，經(jīng)計(jì)算得出某型號(hào)磨輥圓柱滾子軸承的修正壽命為90 736h，圓錐滾子軸承的修正壽命為114 998h，滿足使用要求。

此外，軸承的選型還需要軸承廠家的配合計(jì)算，提供專業(yè)的軸承修正壽命計(jì)算書；提供軸承修正系數(shù)如粘度比、污染指數(shù)等；推薦潤滑油溫＜80℃時(shí)所需要的合適粘度值等。

2 設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的其他重要因素

2.1 軸承的密封

磨輥是在含有粉塵的環(huán)境下工作，如果密封部件損壞，大量粉塵直接進(jìn)入軸承，會(huì)造成軸承提前失效。實(shí)踐表明，磨輥軸承失效的主要原因是磨輥內(nèi)部進(jìn)入雜質(zhì)后沒有及時(shí)進(jìn)行處理，經(jīng)過一段時(shí)間的磨損，最終導(dǎo)致軸承損壞。因此選擇可靠的密封部件，對軸承的使用壽命非常重要。

為保證密封的可靠性，采用“密封風(fēng)+油封”的型式。在磨輥的密封架處設(shè)有環(huán)形間隙的充氣式密封結(jié)構(gòu)，密封風(fēng)由單獨(dú)的風(fēng)機(jī)連續(xù)提供，密封風(fēng)進(jìn)入軸承密封區(qū)域，使軸承密封區(qū)域與磨輥內(nèi)部的粉塵隔離。磨機(jī)內(nèi)部是負(fù)壓運(yùn)行，可以通過密封風(fēng)正壓來阻止大部分的粉塵直接接觸密封件（如圖2所示）。

圖2 磨輥裝置

磨輥的旋轉(zhuǎn)部件采用“兩道油封+V封”的密封結(jié)構(gòu)，兩道油封緊緊抱住軸套，防止磨輥內(nèi)部潤滑油向外泄漏并阻止外來污染物進(jìn)入；在透蓋的外端采用一道V型密封圈阻擋外部粉塵等污染物的進(jìn)入；在兩道油封與隔圈中間和V型密封圈處涂滿潤滑脂，降低摩擦系數(shù)，以避免兩者之間干摩擦發(fā)熱導(dǎo)致油封損傷。此外，為檢測密封的效果，在磨輥安裝完畢后需做打壓檢漏工作，壓強(qiáng)0.3～0.5MPa，保持壓力20～60min無泄漏。

該密封結(jié)構(gòu)簡單、可靠、密封性能好，提高了輥磨的安全性和可靠性。

2.2 軸承的潤滑

磨輥在高溫、粉塵、沖擊、重載、低速的環(huán)境下工作，軸承很難形成良好的潤滑條件[3]。針對這種工況，采用稀油循環(huán)潤滑系統(tǒng)，循環(huán)油既可帶走軸承工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，又可帶走軸承內(nèi)部的雜質(zhì)。

磨輥軸承配置單獨(dú)的磨輥潤滑油站，采用稀油站強(qiáng)制供油、回油泵吸油的潤滑冷卻方式，需做到回油和供油相匹配，以改善軸承的潤滑條件，并確保軸承的使用壽命。磨輥工作時(shí)處于傾斜狀態(tài)，為保證磨輥軸承潤滑充分，采用低位進(jìn)油、高位回油的方式，需至少保證骨架油封的1/3區(qū)域直接接觸潤滑油。如果骨架油封損壞，很容易發(fā)生漏油，應(yīng)立即停機(jī)更換，以免粉塵進(jìn)入磨輥內(nèi)部造成軸承損壞。

根據(jù)磨輥的工作溫度和工作載荷等來選擇粘度合適的潤滑油。采用高粘度的潤滑油可以從一定程度上降低外部污染物對軸承的損害，推薦使用ISO VG 320潤滑油或更高粘度的潤滑油，以形成足夠厚的油膜，延長軸承的使用壽命。必須實(shí)時(shí)監(jiān)測磨輥潤滑站的回油溫度，潤滑油溫度應(yīng)＜80℃，如果回油溫度過高，應(yīng)及時(shí)排查原因并處理，以免造成損失。

最后應(yīng)定期對油液取樣檢查，油液不合格時(shí)應(yīng)更換新油，并將油箱、管路和磨輥內(nèi)部的殘留潤滑油清理干凈。

2.3 軸承的游隙

磨機(jī)在正常工作時(shí)，內(nèi)部是120℃以上的熱風(fēng)，磨輥軸承的外圈隨輪轂和輥套旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈與磨輥軸靜止。軸承外圈溫度比內(nèi)圈溫度高，導(dǎo)致外圈的熱膨脹量比內(nèi)圈大。因此，軸承的工作游隙比安裝游隙要大，這也加劇了圓錐滾子軸承雙列滾子受載不均勻[4]的狀況。

為了使雙列圓錐滾子軸承工作時(shí)承受合理的載荷，需要正確調(diào)整安裝游隙，通常需要預(yù)緊安裝。軸承的預(yù)緊量要合適，若預(yù)緊量過小，會(huì)導(dǎo)致軸承工作游隙太大，單列滾子受載，容易造成保持架破壞；若預(yù)緊量過大，會(huì)導(dǎo)致軸承工作游隙太小，滾子與內(nèi)外圈不容易形成油膜潤滑，導(dǎo)致過早疲勞失效，甚至燒傷報(bào)廢。

軸承的預(yù)緊量應(yīng)依據(jù)安裝游隙進(jìn)行正確調(diào)整與控制[5]，而安裝游隙采用配磨隔圈的方法來精確控制。根據(jù)確定好的軸承隔環(huán)的磨削量對隔環(huán)進(jìn)行磨削。隔環(huán)的磨削量=軸向竄動(dòng)量+預(yù)緊量。軸向竄動(dòng)量需打表確定，預(yù)緊量由軸承廠家提供。

3 結(jié)語

綜上所述，提高磨輥軸承的使用壽命可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：軸承的正確選用，軸承在軸上的位置，軸承的正確安裝，密封裝置，潤滑系統(tǒng)，工作溫度，軸承游隙等，從而優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的軸承配置。

軸承的修正壽命計(jì)算應(yīng)與軸承廠家合作，通過試驗(yàn)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)等結(jié)合確定。軸承壽命的計(jì)算是對實(shí)際軸承壽命的一種評(píng)估，必須保證軸承的正確安裝、潤滑情況、加工質(zhì)量、工作溫度等，這樣軸承壽命計(jì)算才有意義。

當(dāng)磨機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，總會(huì)有各種各樣的征兆，只要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并妥善處理，即能避免較大事故的發(fā)生，將損失降到最低。