大型礦用減速器行星輪軸承拆卸裝置的設計與應用

陶文嘉，劉 成，李建朋，鮑希蒙，李 雪

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

3招金礦業股份有限公司 山東招遠 265400

4中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

大 型礦用設備運行工況復雜多變、沖擊峰值載荷極大，對配套的行星齒輪減速器的運行狀態極為不利，且容易發生齒輪或軸承等核心零部件的早期失效[1]。由于大型礦用行星減速器內部結構復雜，在進行維護、保養時拆卸較為困難，尤其是行星輪內軸承，受空間和結構的限制，不能使用常規拆卸工具，既增大了拆卸的勞動強度，又容易導致行星輪和軸承受到損傷而報廢[2]。基于此，筆者提出一種行星輪軸承專用拆卸裝置及拆卸方法，并通過理論計算與實際應用證明該軸承拆卸裝置的合理性、便利性與實用性。

1 行星齒輪軸承

由于大型礦用高壓輥磨行星減速器承受低速重載工況，行星輪及其軸承的布置結構和兩者之間的公差配合均需特殊設計。行星輪軸承典型的配置由調心滾子軸承或 2 個雙列滿裝圓柱滾子軸承構成。由于其承受高沖擊載荷，軸承與行星輪內孔配合需要足夠的過盈量，以防止兩者之間發生周向滑移或蠕動后損傷行星輪內孔[3-4]。

2 拆卸裝置結構

普通拆卸裝置基本原理為底部支撐軸承通過螺紋聯接件對行星輪的上端面施加壓力，以實現軸承與行星輪的分離。該常規拆卸裝置的操作方式勞動強度大，操作效率低，且易因兩側載荷不平衡而致使軸承內外圈傾斜，導致軸承保持架、內外圈或行星輪損傷。

行星輪軸承拆卸裝置如圖 1 所示，主要由支撐系統、壓緊系統、液壓頂起系統等部分組成。該裝置采用液壓頂起裝置將液壓缸推力施加給軸承，緩慢頂起軸承。與普通裝置相比，該裝置操作勞動強度低，載荷施加更精準可控和平穩。

圖1 行星輪軸承拆卸裝置Fig.1 Dismounting device for bearing of planetary gear

在實施軸承拆卸時，拆卸裝置各系統的主要作用如下。

(1) 支撐系統主要承擔整個裝置的基礎支撐作用。裝配平臺上設置多條 T 形卡槽；方箱由多種規格自由組合搭配使用，可根據不同規格大小的行星輪進行調整，滿足固定支撐的要求，支撐座為行星齒提供依托，防止在拆卸過程中軸承與行星輪分開后墜落。

(2) 壓緊系統主要承擔行星輪的壓緊作用，其中螺桿可根據被拆零件高度拼接組裝，以滿足高度不同的零部件拆卸，并根據不同的軸承壓出力更換相應的規格；調整墊片組用于將方箱和壓緊墊塊調整到同一水平面，便于將行星輪與壓緊系統保證垂直狀態，以免載荷偏置導致軸承保持架受損。

(3) 液壓頂起系統主要承擔施加卸載力及緩慢頂起的作用。托盤的作用主要是將液壓千斤頂的推力均勻作用在軸承或行星輪上，液壓千斤頂的推力為可調式，可根據軸承與行星輪的過盈量進行實時調節，防止因推力過大造成零件崩出傷人，或推力太小無法將被拆零部件頂出。

3 拆卸裝置的工作原理

根據行星輪及其軸承之間結合面的過盈量，計算兩結合面之間的摩擦力，然后調整液壓系統的液壓力，將此液壓力施加到被拆卸零部件上，實施拆卸。

根據行星輪及其軸承的結構特征尺寸規劃裝配平臺。將 2 個方箱固定于裝配平臺上，支撐座放在 2 個方箱之間合適位置，液壓千斤頂和托盤放于支撐座正下方，調整好托盤位置，將行星輪組件置于支撐座上調整好；螺桿通過支撐座孔與裝配平臺 T 形槽內的 T形螺母相連并預緊，U 形壓板穿過螺桿承壓在拆卸組件與方箱上，通過壓緊墊塊、調整墊片組將 U 形壓板調水平，組合螺母將拆卸組件可靠牢固地壓緊于支撐座上。根據計算出的液壓力，調整液壓系統液壓力，啟動液壓千斤頂，通過支撐座將力作用在軸承，將軸承從行星輪孔內順利拆卸。

4 拆卸裝置載荷計算

4.1 軸承拆卸壓出力

采用拆卸裝置拆卸軸承，軸承的拆卸力需要克服結合面過盈連接產生的摩擦力。

根據行星輪系的尺寸結構形式以及彈性力學理論，可得行星輪與軸承過盈配合表面的最大應變[5]

式中：δ為過盈量，mm；d為配合面外徑，mm；C1為被包容件的剛度系數；E1為被包容件材料的彈性模量，MPa；C2為包容件的剛度系數；E2為包容件材料的彈性模量，MPa；d1為被包容件的內徑，mm；ν1為被包容件材料的泊松比；d2為包容件的外徑，mm；ν2為包容件材料的泊松比。

根據壓力的計算公式，可得配合表面最大應力

式中：S為行星輪與軸承過盈配合表面面積，mm2；l為配合面寬度，mm。

行星輪和軸承內外圈的材料屬性如表 1 所列。μ為行星輪和軸承接觸面的靜摩擦因數，則配合面上所能產生的摩擦阻力

表1 行星輪和軸承內外圈的材料屬性Tab.1 Material properties of planetary gear and inner and outer ring of bearing

行星輪軸承配合示意如圖 2 所示。由式 (1)～(5)可計算出不同過盈量時軸承結合面產生的摩擦力，其結果如表 2 所列。

圖2 行星輪軸承配合示意Fig.2 Fitness sketch of bearing of planetary gear

對行星輪軸承進行拆卸，液壓系統所需的液壓推力應大于最大摩擦力。由表 2 可知，結合面最大摩擦力為 191.926 kN，則軸承最小壓出力Fp＞Ff=191.926 kN。預選液壓千斤頂載荷至少為 200 kN。

表2 不同過盈量下的摩擦力Tab.2 Friction force at various interference amount

4.2 螺桿配置

行星輪軸承拆卸裝置在實施拆卸過程中，螺桿受載單向拉力，根據裝置的結構受力情況，每個螺桿需要承擔 0.5Fp＝96 kN。緊固件預緊載荷拉應力如表 3所列。

表3 緊固件預緊載荷拉應力Tab.3 Tensile stress of preload of fastener

螺桿公稱直徑

式中：F為拆卸過程中螺桿受載單向拉力，N；σM為螺桿的預緊載荷拉應力，MPa；

將承受載荷和預緊載荷拉應力代入式 (6)，可計算出螺栓不同等級下的最小直徑。

4.3 有限元分析計算

為便于分析，在不影響裝置的基本結構原理和受載的前提下，需對其進行簡化。拆卸裝置網格劃分采用四面體網格，危險截面處網格進行局部細化處理，如圖 3 所示。

圖3 網格劃分Fig.3 Mesh division

拆卸裝置關鍵件材料的彈性模量E＝206 GPa，泊松比ν=0.29，密度ρ＝7 850 kg/m3，其力學性能如表 4 所示[6-7]。

表4 關鍵件材料的力學性能Tab.4 Mechanical properties of material of key parts

根據拆卸裝置實施過程中的實際受載情況，對裝置模型中的裝配平臺底面進行全約束，在行星輪軸承的內外圈均勻加載壓力F＝192 kN，如圖 4 所示。

圖4 壓力加載模型Fig.4 Pressure loading model

拆卸裝置等效應力云圖和位移云圖分別如圖 5、6 所示。其中最大等效應力為 246.8 MPa，位于壓緊墊塊與行星輪上端面接觸區域；另外 U 形壓板承受的彎曲應力為 191.8 MPa；裝置中抗屈服安全系數均大于 1.54；裝置中最大位移為 0.727 mm，位于 U 形壓板與壓緊墊塊上，屬于彈性變形，其余位移基本在0.240 mm 以下。綜上所述，裝置的強度和剛度均滿足平穩拆卸要求。

圖5 拆卸裝置等效應力云圖Fig.5 Equivalent stress contours of dismounting device

圖6 拆卸裝置位移云圖Fig.6 Displacement contours of dismounting device

5 拆卸裝置的操作流程

行星輪及其軸承實體拆卸如圖 7 所示。拆卸步驟如下：

圖7 實例應用Fig.7 Application of actual case

(1) 配置螺桿和設置液壓系統壓力；

(2) 調裝拆卸裝置支撐系統，須將支撐座調整至2 個方箱中間，以保證兩側受載平衡；

(3) 調裝拆卸裝置液壓頂起系統，調整支撐座，將其貼緊軸承端面，并保持 2 個零件軸線同心；

(4) 調裝拆卸裝置壓緊系統，安裝 T 形螺母和螺桿；

(5) 調裝行星輪組件，采用扭力扳手按螺桿預緊力矩擰緊，以防止后續步驟中頂起時發生偏載情況；

(6) 操作頂起系統，緩慢漸進施加載荷，并時刻觀察軸承是否保持水平狀態，完成拆卸過程。

6 應用效果

該拆卸裝置在中信重工機械股份有限公司大型礦用行星齒輪減速器的維護保養過程中得到了推廣應用。采用該專用裝置拆卸后，軸承損傷檢查如表 5 所列。拆卸時間由原來的 120 min 縮短至 30 min，工作效率顯著提高；拆卸出的軸承經檢查后完好無損，可節省維護成本約 16 萬元。

表5 軸承損傷檢查Tab.5 Inspection of bearing damage status

7 結語

針對大型礦用減速器行星輪軸承拆卸困難及拆卸時易損傷軸承的問題，首先分析布置結構和公差配合特點，對行星輪軸承拆卸裝置進行了創新設計；其次通過建立拆卸裝置靜力學模型，分別采用解析法和有限元法分析裝置關鍵零部件的強度和剛度；最后通過實例操作對比拆卸時間和拆卸效果，驗證了理論運用的準確性與裝置的可行性。