RP120-80 輥壓機主軸承結構分析及改進

王坷剛，陳 波，孫永生

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

輥壓機自 20 世紀 80 年代問世以來，在水泥行業得到快速的推廣應用，由于其在破碎領域顯著的節能效果，且隨著產品技術的不斷發展，在國內金屬礦物破碎、冶金球團領域迅速擴大應用[1]。由于礦物種類繁多，物料性質差異極大，因此對輥壓機的可靠性提出了更高的要求。

擠壓輥主軸承是輥壓機的核心部件，其故障率及使用壽命直接影響到輥壓機的質量。目前大部分輥壓機采用調心滾子軸承做為擠壓輥主軸承，常州現場運行中這種軸承的使用壽命大約為 1～2 a。軸承損壞后會出現點蝕、剝落，甚至會出現滾動體和內外圈開裂等問題[2]。軸承損壞會直接導致輥壓機無法運轉，而且軸承損壞后維護工作量大，特別是傳動側軸承更換時，還需要拆除減速器等部件，更換時間長達 3 d，更換費用高昂且影響生產。

1 工況條件

1.1 軸承受力條件

輥壓機由一對相向旋轉、水平放置的擠壓輥組成。具有一定料壓的物料在整個擠壓輥寬度方向被擠壓輥連續地帶入輥間進行破碎。擠壓輥及軸承受力如圖 1 所示。在運行過程中，由于物料顆粒形狀存在差異，并且物料沿擠壓輥寬度方向會有一定的偏析，所以擠壓輥間兩側輥縫會出現偏差，使擠壓輥在承受徑向力的同時還會受到軸向力作用，并發生一定角度的偏擺，偏擺角度可達到 0.5°。因此，輥壓機軸承既要承受主載荷徑向力，同時還要進行調心并承受軸向力。

圖1 擠壓輥及軸承受力示意Fig.1 Force sketch of squeezing roller and bearing

通常采用比壓力衡量輥壓機的擠壓力，

式中：P為擠壓輥受到的比壓力，MPa；F為擠壓輥受到的徑向擠壓力，kN；D為擠壓輥直徑，m；B為擠壓輥寬度，m。

目前輥壓機運行的比壓力通常為 3～5 MPa。以RP120-80 輥壓機為例，在破碎物料時擠壓輥受到的徑向力達到 2.88～4.80 MN。擠壓輥由 2 個軸承進行支承，單個軸承徑向受力達到 1.44～2.40 MN，同時由于輥偏等原因，徑向擠壓力還會產生最大約 10%的軸向分力。

調心滾子軸承采用徑向當量動載荷對軸承的負載進行計算[3]。

式中：Pr為徑向當量載荷，kN；Fr為徑向載荷，kN；Y1為載荷計算系數，Y1取 1.8～1.9；Fa為軸向載荷，kN。

1.2 軸承潤滑密封要求

1.3 軸承冷卻

由于潤滑脂的散熱能力較差，在高載荷作用下軸承摩擦發熱量大，而軸承溫度過高又會引起潤滑脂黏度降低，潤滑效果下降，而且溫度過高對軸承材料性能也會有一定的影響，會降低軸承的使用壽命。因此需要對主軸承進行強制冷卻，降低其工作溫度。

2 軸承失效分析

目前國內大部分輥壓機采用調心滾子軸承作為擠壓輥主軸承，并采用 V 形或 J 形密封圈對軸承進行密封，同時設計有多種軸承座冷卻水道形式對軸承進行強制水冷。

2.1 軸承結構

調心滾子軸承本身具有承受軸向力、徑向力及調心的多重功能，作為主軸承能夠滿足輥壓機的工況要求。調心滾子軸承為便于拆卸均采用錐面配合，對軸承內圈及其配合的加工精度要求較高。

2.2 軸承密封

軸承密封如圖 2 所示，在靠近擠壓輥破碎物料的區域布置有 2 道橡膠密封。輥壓機采用調心滾子軸承時，在輥偏狀態下擠壓輥與軸承座會產生偏角，擠壓輥在偏擺方向一側對密封圈進行局部擠壓，而在另一側又會使密封與擠壓輥的配合間隙變大，會造成擠壓側密封局部磨損使，密封壽命及密封性能降低，同時在非擠壓側由于間隙變大，粉塵會進入軸承中導致密封失效。

圖2 軸承密封Fig.2 Bearing sealings

2.3 軸承冷卻

輥壓機主軸承的冷卻是在軸承座上加工冷卻水道進行強制水冷。

(1)環套式冷卻如圖 3 所示，在軸承座內孔鑲嵌環套對軸承進行整圓冷卻。環套式冷卻前期冷卻效果好，但由于冷卻水中污染物會堵塞水道，無法對污染物直接進行清理導致冷卻效果下降。由于環套為薄壁環，長期受力下環套易發生變形，造成軸承外圈接觸不良導致軸承損壞。

圖3 環套式冷卻Fig.3 Annular cooling

(2)局部冷卻如圖 4 所示，在軸承座受力端加工冷卻水孔，對主要發熱部位進行冷卻[5]。在軸承座受力端加工貫通的冷卻水孔，在水道堵塞時能夠直接疏通清理，不會發生堵塞。但由于只有局部冷卻，熱量會隨著軸承的旋轉傳導到軸承座其他部位，造成整體冷卻效果不佳。

圖4 局部冷卻Fig.4 Local cooling

3 改進方案

RP120-80 輥壓機在改造前，由于輥面局部磨損、物料偏析造成輥偏較大，軸承受到的復合載荷較大，同時密封效果不好，軸承內潤滑脂經常污染，冷卻水道堵塞，軸承運行溫度 ＞55 ℃，造成軸承經常損壞。

3.1 軸承結構改進

組合式軸承及密封如圖 5 所示。采用圓柱滾子軸承+推力軸承的組合式軸承結構取代原有的調心滾子軸承結構。圓柱滾子承載徑向力，推力軸承承載軸向力，軸承座上配備關節軸承進行調心，使軸承的復合載荷分流為單一載荷，改善軸承受力條件。

圖5 組合式軸承及密封Fig.5 Combined bearing and sealings

式中：C為軸承額定載荷；Pr為當量載荷；P為壽命公式指數，滾子軸承為。

由式 (3)可知，軸承額定壽命與當量載荷Pr的次方成反比。采用改進結構后，圓柱滾子軸承僅承載徑向力，軸承受到的當量載荷Pr＝Fr，與調心滾子軸承相比，其當量載荷降低了 18%～19%。

3.2 密封結構改進

軸承密封采用徑向與軸向綜合密封結構，加強密封效果。由于軸承結構改進，在輥偏時軸承座隨擠壓輥一起偏擺，使密封圈的內外圈始終處于同軸狀態，避免了密封圈局部受壓及漏粉的現象，提高了軸承的密封性能。

3.3 冷卻結構改進

綜合環套式冷卻和局部冷卻的優點，軸承座冷卻采用三面直通式冷卻水道，如圖 6 所示。相比局部冷卻，該冷卻方案在軸承座內孔上下兩側增加了冷卻水道以提高冷卻效果，同時在水道發生堵塞時能夠直接疏通清理，從而能保證長期良好的冷卻效果。經改進后該 RP120-80 輥壓機軸承溫度降低至 45 ℃ 以下。

圖6 三面直通式冷卻水道Pig.6 Three-way through cooling channel

4 改進效果

自2014 年始陸續完成了 3 臺輥壓機的全部改造，通過改造全面優化了軸承的受力狀態，潤滑、密封及冷卻性能，使現場擠壓輥軸承使用壽命由平均 1 a 提高到了 5 a 以上。

5 結語

輥壓機作為一種高效、節能的粉碎設備，應用范圍越來越廣泛，提高主軸承的使用壽命對保障輥壓機的運轉率具有重要意義。選擇合理的軸承、密封和冷卻結構，能夠有效地提高輥壓機主軸承的使用壽命。通過整體更換總成的方式對輥壓機進行改造優化，可提高輥壓機的運轉率。