采用滾動軸承連接的天輪裝置的設計研究

趙光輝，徐永福，劉同欣，李玉輝

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

礦井提升機是礦山的關鍵設備之一，承擔著礦石、人員、各種材料和設備的提升和運送任務[1]。其中，天輪裝置是礦井提升機的主要受力部件，其結構設計的合理性與否影響著礦山的安全運行和企業的生產效率。

長期以來，國內眾多學者對礦井提升機天輪裝置進行了大量的研究[2-4]。杜波等人[5]對天輪裝置使用中經常出現的異響、軸瓦連接螺栓斷裂等問題進行了分析，并給出了結構改進方案；雙永順等人[6]針對天輪裝置使用過程中的軸瓦磨損、游動輪輪緣偏擺超差等故障進行了分析，并給出了修復方案；喬金廣等人[7]對天輪裝置的結構和運行狀態進行了分析，闡述了天輪裝置異響的各種原因，并提出了解決方案。上述研究表明，天輪裝置在結構設計上的缺陷，給設備的安全運行帶來了隱患；因此，開發一種新型結構的天輪裝置有重要意義。

1 天輪裝置的設計

礦井提升機的天輪裝置安裝在井架上，其作用一是改變鋼絲繩的方向，二是根據提升系統要求，調整提升容器的中心距[8]。

1.1 傳統天輪裝置

傳統天輪裝置結構如圖 1 所示。每套天輪由數個單獨的輪子組成，其中一個輪子用平鍵與天輪軸連接，稱作固定輪，鋼絲繩運動時帶動固定輪轉動，固定輪又帶動天輪軸一起轉動；其余的輪子與天輪軸是游動的，稱作游動輪，游動輪與天輪軸之間裝有兩半式軸瓦[8]。

圖1 傳統天輪裝置的結構Fig.1 Structure of traditional head sheave

運行過程中，需要定期對兩半式軸瓦進行潤滑。提升機規格越大，天輪受力越大，軸瓦潤滑油路越易堵塞，造成潤滑不良。軸瓦與天輪軸之間形成干摩擦，容易出現天輪裝置異響、軸瓦固定螺栓斷裂、軸瓦磨損等現象[9]，造成天輪裝置游動輪輪緣偏擺超標。偏擺超標會增加提升系統的運行載荷，嚴重時會造成重大的安全事故[10]。

1.2 滾動軸承天輪裝置

采用滾動軸承的天輪裝置的結構如圖 2 所示。每個游動輪的內孔與天輪軸的外緣面之間通過軸套 A設有 2 個滾動軸承，每 2 個滾動軸承的外端設置軸套B，軸套 B 通過軸承端蓋固定在游動輪的端面上。在軸套 B 的外緣面與軸承端蓋內孔的內緣面之間設有密封圈，防止外界雜質污染潤滑油。

圖2 采用滾動軸承天輪裝置的結構Fig.2 Structure of head sheave with rolling bearing

每個游動輪的輪緣上設有注油孔，每個注油孔均有注油嘴，注油嘴通過銅管貫通至游動輪內孔，以便在日常檢修中對滾動軸承補油潤滑，提高天輪裝置的使用壽命。

運行時，提升鋼絲繩帶動固定輪轉動，固定輪通過平鍵帶動天輪軸一起轉動，天輪軸與每個游動輪之間靠 2 個滾動軸承支撐，各滾動軸承之間通過軸套 A和軸套 B 進行軸向定位，并通過軸承端蓋與游動輪固定。當各提升鋼絲繩的線速度不完全相同時，游動輪與天輪軸之間可以自由地相互轉動。

滾動軸承承載能力強，可承受一定的軸向載荷，摩擦力小，使用壽命長。采用滾動軸承連接的天輪裝置，可有效避免游動輪與天輪軸之間的干摩擦，解決天輪裝置異響、軸瓦固定螺栓斷裂、軸瓦磨損、游動輪輪緣偏擺超標等問題。

2 軸承的選型計算

除滾動軸承外，新結構天輪裝置的選型計算與傳統天輪裝置的選型計算一致，在此不再闡述，只對滾動軸承的選型計算加以說明。

滾動軸承的選型與天輪軸軸徑、鋼絲繩間距和軸承壽命有關。對傳統天輪裝置進行整體改造，滾動軸承的選型計算主要從軸承的內徑、寬度以及壽命 3 個方面進行考慮。

以 JKMD-4×4 型多繩摩擦式提升機為例，其主要技術參數如表 1 所列。

表1 JKMD-4×4 型提升機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of JKMD-4×4 hoist

(1) 軸承內徑 軸承內徑的選取與天輪軸強度有關。天輪軸受力如圖 3 所示。

圖3 天輪軸的受力Fig.3 Force state of head sheave shaft

鋼絲繩最大動拉力

式中：α為出繩仰角，α=50°～ 90°，按中間角度計算，取 70°。

單個輪體所受的垂直力

單個輪體所受的水平力

式中：N 為輪體個數，取 4；G 為輪體自重。

截面處的抗彎彈性模量

式中：d 為天輪軸截面的直徑，mm。

截面處的彎曲應力

式中：MⅠ-Ⅰ為天輪軸截面處的彎矩。

截面處的安全系數

式中：σ-1為對稱循環應力下材料的彎曲疲勞極限；Kσ為彎曲時的有效應力集中系數；β為表面質量系數；εσ為絕對尺寸影響系數。

由公式 (1)～ (6) 可得，滾動軸承天輪軸截面的直徑即為軸承內徑。

(2) 軸承寬度 滾動軸承寬度主要與軸套 A 及 B的寬度、鋼絲繩間距 (300 mm) 有關。裝配時，游動輪應轉動靈活，固定輪同天輪軸一起空轉靈活，均不得有卡阻現象；每個游動輪內圈的軸套 A 應壓緊，用塞尺檢查并確保緊貼無縫。

(3) 軸承壽命 單個軸承所受當量動載荷

軸承壽命

式中：n 為提升機轉速，r/min；C 為基本額定動負荷，kN。

軸承設計壽命按 20 a 計算，選用單列圓柱滾子軸承。該軸承的滾子由內圈上的擋邊所引導，擋邊結合滾子的特殊設計和表面處理，能產生良好的潤滑效果，減少了摩擦，降低了軸承的運行溫度。軸承中一個帶擋邊的圈套和滾子與保持架組件連在一起，并可與另一個圈套分離，便于安裝和拆卸，適合天輪裝置的使用工況。

如果僅對天輪裝置進行局部改造，不更換天輪軸，滾動軸承內徑須與現有天輪軸直徑保持一致，滾動軸承選型時只計算軸承寬度和軸承壽命即可。

3 軸承的潤滑

滾動軸承能有效可靠地運行，必須要有充分的潤滑，防止滾動體、滾道與保持架支架發生直接接觸。潤滑劑的選擇主要取決于軸承的工作條件，如工作溫度、轉速、環境溫度等。用最少量的潤滑劑且能保持軸承可靠運行，可以達到最理想的工作溫度。使用潤滑脂時應注意以下內容。

(1) 潤滑脂的選用 天輪安裝在井架上，風吹日曬雨淋，使用條件惡劣，推薦選用抗水性、防銹蝕較好的 2 號鋰基脂。

(2) 潤滑脂的填充 安裝時，應先清洗滾動軸承后填充潤滑脂。填充時應填滿整個軸承，用量以占軸承座體空間的 1/2～1/3 為宜。

(3) 潤滑脂的加注量 滾動軸承使用過程中，由于機械功、老化和污染物的集聚，軸承內的潤滑脂會逐漸失去潤滑功能，因此需要定期補充或更換潤滑脂。建議每季度補充一次，每年應全部更換一次。潤滑脂的加注量

式中：D 為軸承外徑，mm；B 為軸承寬度，mm。

(4) 潤滑脂的加注方法 用油泵加注潤滑脂的方法如下：①取下游動輪輪緣處潤滑點上的螺塞，將隨主機供貨時提供的油泵接頭擰入潤滑點，并與油泵出油口連在一起；② 將潤滑脂裝入油泵內，裝填時應盡量避免夾雜空氣；③按油泵說明書要求調整油泵各部位；④ 循環壓動給油桿進行給油作業；⑤加油完畢取下接頭，涂油防銹并妥善保管，用螺塞將潤滑點堵上，以免臟物和灰塵進入。

4 結語

設計了一種游動輪與天輪軸之間采用滾動軸承代替軸瓦連接的新結構天輪裝置。該新型天輪裝置已廣泛用于多個提升機項目上，天輪異響問題基本解決，應用效果良好。對于舊結構天輪裝置的升級改造具有一定的指導意義。