輥壓機(jī)主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型與性能分析

1、·62·重型機(jī)械2011No . 6輥壓機(jī)主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型與性能分析1王宇航，許21寧，龐杭洲，崔13冬，趙銅劍（1中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西西安710032；2SEW 傳動設(shè)備（天津）有限公司，西安710077）天津300458；3西安西電開關(guān)電氣有限公司，陜西摘要：本文介紹了輥壓機(jī)主傳動系統(tǒng)的組成及配置型式，主要傳動部件的性能與特點(diǎn)，給出了空心軸套的一般校核方法，并推薦了一種新型軟啟動安全保護(hù)裝置，可對輥壓機(jī)的安全高效運(yùn)行起到重要的保障作用。關(guān)鍵詞：擠壓輥；行星減速機(jī)；鎖緊盤；軟啟動中圖分類號：TQ172文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001196X （2011）0

2、6006205Design selection and performance application of major transmission system for roll squeezersWANG Yu-hang 1，XU Ning 2，PANG Hang-zhou 1，CUI Dong 1，ZHAO Tong-jian 3（1China National Heavy Machinery Research Institute ，Co，Ltd，Xi'an 710032，China ；2SEW-Eurodrive （China ）Co，Ltd，Tianjin 300458，Chi

3、na ；3Xi'an XD Switchgear electric Co，Ltd，Xi'an 710077，China ）Abstract ：The composition and configuration type of main transmission system ，as well as the performance and characteristics of main transmission parts in roll squeezer are introducedThe general checking methods of hol-low sleeve f

4、or reducers are givenA new safety protective device for the soft start is recommended ，which can contribute much to the safe running of the roll squeezersKey words ：squeeze roller ；planetary gear reducer ；shrink disk ；soft start0前言自上世紀(jì)80年代中期，輥壓機(jī)在我國水泥并在擠壓輥和液壓缸的聯(lián)合作用下將物料擠壓成所需松散料餅。因此，主傳動系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響整機(jī)的工作

5、性能。有資料表明，在輥壓機(jī)的工作故障中，因主傳動系統(tǒng)的失效占近60%。因此，合理設(shè)計(jì)、制造與選擇主傳動系統(tǒng)，對整機(jī)的安全、高效運(yùn)行有著十分重要的作用。工業(yè)應(yīng)用以來，增產(chǎn)降耗效果十分明顯。與球磨機(jī)相比，粉磨每噸物料可節(jié)省3 8kWh 電能，產(chǎn)量提高近一倍，又能壓出20% 30%的成品細(xì)粉，因此得以快速普及與推廣。目前我國新建與改造的干法水泥生產(chǎn)線水泥粉磨的前端都大量采用了輥壓機(jī)預(yù)粉碎工藝。輥壓機(jī)主要由液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、下料裝置及框架、軸承座等組成。其中主傳動系統(tǒng)是輥壓機(jī)的核心部件，為整機(jī)提供動力，1輥壓機(jī)主傳動系統(tǒng)的組成及主要性能輥壓機(jī)主傳動系統(tǒng)是整個輥壓機(jī)的核心部件主要由擠壓輥、

6、主軸承、減速機(jī)、傳動軸（萬向聯(lián)軸器）組成。1. 1擠壓輥輥壓機(jī)的規(guī)格關(guān)系著產(chǎn)量、功率、所需擠壓力的大小，一般都以擠壓輥的直徑與寬度來表示，設(shè)計(jì)中一般都以寬徑比B /D的值來確定收稿日期：20110516；修訂日期：20110705作者簡介：王宇航（1966），男，中國重型機(jī)研究院有限公司機(jī)械傳動與成套裝備研究所高級工程師。其大小。B /D值的選取有很多種如德國的KHD 公司B /D值為0. 4 1. 15；美國的FULLER 公司B /D值為0. 5 0. 65；德國的Koppern 公司B /D值為0. 4 0. 7。B /D值大的輥?zhàn)?，對物料的擠壓效果較好，從節(jié)能、降低成本、減輕機(jī)重的觀點(diǎn)

7、出發(fā)，小輥徑的輥?zhàn)虞^為有利。B /D值小的輥?zhàn)?，因?yàn)檩亸酱?，對物料的牽入作用好，活動輥的歪斜作用會小，輥?zhàn)又睆郊哟笠惨馕吨行木嗉哟?，因而主軸承規(guī)格加大，其壽命會增加。此外，大直徑的輥?zhàn)虞伱婺p也會小些。輥?zhàn)拥慕Y(jié)構(gòu)型式與耐磨性能也是決定整機(jī)使用壽命的重要指標(biāo)。在輥壓機(jī)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的初期，其擠壓輥大多是分體式的，即在心軸外部熱裝上輥套，然后在輥套上堆焊耐磨層。這種分體式輥?zhàn)釉谑褂弥薪?jīng)常出現(xiàn)問題，由于受熱裝形式、熱應(yīng)力等的影響，有的輥套會開裂、輥套與心軸也會相對滑動，可靠性較低，影響整機(jī)使用。取而代之的是整體鍛造輥?zhàn)拥某霈F(xiàn)，即采用中碳合金鋼（40Cr ，42CrMo ，40CrNiMo 等）整體

8、鍛造成型，整體輥具有很好的強(qiáng)度與剛性，使用壽命大為提高。擠壓輥輥面磨損問題是影響生產(chǎn)的一個重要因素，多年來備受開發(fā)商與用戶的關(guān)注。擠壓輥輥面的磨損為高應(yīng)力磨損，其抗磨性能取決于所堆焊耐磨材料的硬度、韌性以及花紋形式。恰當(dāng)?shù)妮伱婊y形式有助于延長輥面的使用壽命，提高擠壓效率。主要花紋形式如圖1所示。輥面耐磨花紋增大了對物料的咬合角，可加大對物料的牽入力度；提高擠壓效率，有效的形成料餅；提高耐磨性，磨損首先從花紋開始，可對輥體進(jìn)行有效的保護(hù)。根據(jù)輥面的工作條件及磨損機(jī)理，要求輥面硬度高、耐磨性好、抗剝落性好、內(nèi)部的韌性好。要達(dá)到此要求，除了輥?zhàn)拥倪x材與結(jié)構(gòu)型式外，還要正確選擇表面堆焊材料及堆焊工藝

9、。根據(jù)輥?zhàn)拥墓ぷ髑闆r，輥面堆焊一般分為打底層、過渡層、耐磨層和表面花紋等四層進(jìn)行。如圖2所示。打底層的作用是保證堆焊層與母材的充分融合，防止整個堆焊層剝落，同時能夠有效阻止輥面的焊接裂紋和疲勞裂紋向輥體發(fā)展、延伸，保護(hù)輥體不受破壞；過渡層的作用是對耐磨層有良好的支撐，過渡層的硬度要高于打底層； 耐磨層要求堆焊材料具有高的焊態(tài)硬度和抗磨損性能，硬度要高于過渡層；表面花紋是直接工作面，要求耐磨粒磨損和抗擠壓綜合性能比耐磨層更加優(yōu)異，硬度要求最高。堆焊完后，焊層的硬度從內(nèi)到外呈梯度分布，逐漸升高，這樣既能保證表面耐磨，又能保證內(nèi)部具有良好的韌性，保證能承受強(qiáng)大的沖擊載荷。1. 2主軸承輥壓機(jī)主軸承的

10、型式最常用的主要有雙列調(diào)心滾子軸承和四列圓柱滾子軸承。調(diào)心滾子軸承主要用于中小規(guī)格輥壓機(jī)。四列圓柱滾子軸承與調(diào)心滾子軸承相比具有承載力高、壽命長及密封性好等優(yōu)點(diǎn)，壽命可比調(diào)心滾子軸承高數(shù)倍。大型輥壓機(jī)常用四列圓柱滾子軸承。由于大型滾動軸承價格昂貴，更換困難，因此正確選型與使用可以提高輥壓機(jī)的運(yùn)行可靠性，降低維護(hù)成本。為此要注意以下幾點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)要留有足夠的安全裕度。要對工作過程中的脈動載荷與最大載荷準(zhǔn)確評估，使輥壓機(jī)在最大載荷的70% 80%之下運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承壽命可延長一倍以上。（2）注意附加軸向力對軸承的影響。在工作過程中，由于輥?zhàn)拥臒崤蛎浖案虞佋趯挾确较蛏嫌捎谳d荷不均出現(xiàn)的偏擺，會引起支撐

11、跨距的變化，設(shè)計(jì)上在軸承座內(nèi)一端預(yù)留軸向間隙來補(bǔ)償此變化。當(dāng)采用調(diào)心滾子軸承時，附加軸向力由此軸承承受；當(dāng)采用四列圓柱滾子軸承時，附加軸向力由外加的推力軸承承受。（3）溫度的影響。由于混合物料的溫度及擠壓、摩擦產(chǎn)生的熱量，均會使軸、軸承溫度升高。軸承若長期在高溫下工作，其壽命會打折扣；反之，在正常溫度范圍內(nèi)，軸承溫度每降20 ，壽命會增加一倍以上。為了使軸承工作溫度保持在50 左右，除了良好的潤滑以外，也會在軸承座內(nèi)通循環(huán)冷卻水；當(dāng)物料溫度高于70 時，在擠壓軸內(nèi)部竄循環(huán)冷卻水降溫。（4）有效的密封。物料在擠壓粉碎過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，這些粉塵磨粒若進(jìn)入軸承內(nèi)部會加速軸承的磨損，進(jìn)而損壞軸承

12、。除傳統(tǒng)的密封方式外，對于活動輥應(yīng)采用能隨同輥軸一起擺動的特殊密封裝置，使接觸面始終垂直于軸心線。為了有效防止粉塵侵入軸承內(nèi)，應(yīng)采用電動干油脂泵定時自動供潤滑脂于密封唇處，并有微量的潤滑脂溢出，從而防止粉塵侵入。1. 31. 3. 1減速機(jī)減速機(jī)的型式與配置方式（圖3）主電機(jī)的動力通過減速機(jī)將扭矩放大后，才能帶動擠壓輥工作，因此減速機(jī)也是整個輥壓機(jī)的核心部件之一。從輥壓機(jī)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)使用至今，減速機(jī)的型式與配置均發(fā)生了很大的變化。方案1減速機(jī)為平行軸分流式，地腳安裝，減速機(jī)和輥?zhàn)又g是通過兩個重型聯(lián)軸節(jié)傳遞扭矩。用于大功率輥壓機(jī)時減速機(jī)和聯(lián)軸節(jié)都很笨重，體積龐大，因此僅在小功率時應(yīng)用。方案2

13、減速機(jī)采用行星傳動方式（行星減速機(jī)）是輥壓機(jī)傳動系統(tǒng)的發(fā)展潮流。行星減速機(jī)懸臂插裝在輥壓機(jī)輥軸上，并通過鎖緊盤鎖緊，傳動中產(chǎn)生的反力矩由扭力支架承受，電機(jī)安裝在減速機(jī)上方，通過皮帶傳遞動力。這種方式適用于小功率的輥壓機(jī)。方案3活動輥的行星減速機(jī)安裝方式同方案2，而定輥的行星減速機(jī)則安裝在地面上 。圖3Fig. 3減速機(jī)型式與配置方式Drive and configuration modes of reducer方案4安裝同方案3，只是活動輥的減速機(jī)固定在地面上，并且輸出軸側(cè)裝有可作橫向運(yùn)動的重型聯(lián)軸節(jié)。方案5兩臺行星減速機(jī)均懸臂安裝，鎖緊及承受反力矩的方式同方案2，減速機(jī)輸入側(cè)通過兩個萬向聯(lián)軸

14、節(jié)同電機(jī)聯(lián)接，動輥一側(cè)的減速機(jī)和聯(lián)軸節(jié)可隨動輥?zhàn)鰴M向移動。該方案是目前采用的最廣泛、最成熟的配置方法，適用于任何功率段。中國重型機(jī)械研究院有限公司設(shè)計(jì)、制造的輥壓機(jī)專用大功率重載行星減速機(jī)整體配置方式如方案5所示，每臺行星減速機(jī)均配備自潤滑油站，對減速機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻潤滑，確保減速機(jī)的長期可靠運(yùn)行。行星減速機(jī)與輥軸采用插裝式聯(lián)接，即把行星減速機(jī)的輸出軸做成薄壁空心件直接套在輥軸上，通過縮套（鎖緊盤）箍緊，反力矩由專設(shè)的抗扭支撐（扭力臂）承受，防止減速機(jī)整體反轉(zhuǎn)。這種連接方式緊湊，無需另設(shè)基礎(chǔ)或重型萬向接軸，易于安裝。該行星減速機(jī)已在國內(nèi)外數(shù)百家水泥公司的輥壓機(jī)中應(yīng)用，并獲得好評，其主要性能參數(shù)如

15、下：功率范圍/kW220 1250公稱傳動比i =40、45、56、63、71、80公稱輸入轉(zhuǎn)速r /min1000，15002011No . 6重型機(jī)械·65·鎖緊盤是輥壓機(jī)傳動系統(tǒng)的重要零件，正確額定輸出轉(zhuǎn)矩/kN·m 200 1050工作噪聲/dBA傳動效率1. 3. 280（滿負(fù)荷，距離1m 處）=0. 96 0. 98選型與使用才能保證力矩的準(zhǔn)確傳遞。如今鎖緊盤已形成系列并有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品直接選用。（1）鎖緊盤的選定方法。以設(shè)計(jì)軸徑為依據(jù)，從標(biāo)準(zhǔn)系列中選定合適的規(guī)格，并校核最大轉(zhuǎn)矩是否滿足工作需求。以需要傳遞的轉(zhuǎn)矩為依據(jù)，選定合適的規(guī)格。在計(jì)算需要傳遞的轉(zhuǎn)矩時

16、，應(yīng)考慮安全系數(shù)。如果工作中既傳遞轉(zhuǎn)矩又承受軸向力，則應(yīng)計(jì)算合成轉(zhuǎn)矩，再由系列表中選定鎖緊盤。鎖緊盤選定后，應(yīng)對輥壓機(jī)軸及減速機(jī)空心軸的尺寸及強(qiáng)度進(jìn)行核算。（2）鎖緊盤的安裝與防護(hù)。操作人員應(yīng)對鎖緊盤的聯(lián)接原理有基本的了解，并在聯(lián)接表面涂不含二硫化鉬的潤滑脂。鎖緊盤聯(lián)接螺栓在安裝前應(yīng)全部松開，各聯(lián)接件的相對位置測量符合安裝要求后方可擰緊鎖緊盤聯(lián)接螺栓。用力矩扳手對角交叉逐漸擰緊鎖緊盤聯(lián)接螺栓，每次用1/4設(shè)計(jì)壽命/萬h 10減速機(jī)空心軸的設(shè)計(jì)要求行星減速機(jī)的輸出軸做成薄壁空心件，對空心軸的材料性能提出了較高的要求。可用屈服強(qiáng)度0. 2360MPa 的鋼、鑄鋼或球鐵，并經(jīng)熱處理。鎖緊盤擰緊后，在

17、空心軸上產(chǎn)生多向應(yīng)力，軸向應(yīng)力可忽略。其切向及徑向應(yīng)力可按“厚壁公式計(jì)算。其內(nèi)部承受壓強(qiáng)p N 為筒”p N =2M t2·d 0·L ·f（1）式中，f 為摩擦系數(shù)，取f =0. 15；d 0為空心軸內(nèi)徑，d 為外徑。其外部承受壓強(qiáng)為1（d 0·E 2d 0d 02）d的額定力矩值擰緊，逐漸達(dá)到要求的額定力矩（2）值。安裝完畢，應(yīng)對外露部分涂上防銹油。處于露天或惡劣環(huán)境作業(yè)時，應(yīng)定期涂防銹油，并在可能的情況下加裝防護(hù)裝置。1. 4軟起動安全聯(lián)軸器的使用輥壓機(jī)轉(zhuǎn)動部分自重較大，其轉(zhuǎn)動慣量一般在800 4500 kgm 2（特別在大功率段）時靜摩擦系數(shù)較（

18、3）大，此類設(shè)備為大慣量啟動設(shè)備，其驅(qū)動電動機(jī)的啟動為帶載啟動。有必要在傳動系中加裝軟啟動安全保護(hù)聯(lián)軸器，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的軟啟動及過載保護(hù)。液力偶合器作為電動機(jī)軟啟動裝置，已應(yīng)用（4）多年，但其缺點(diǎn)是質(zhì)量大，尺寸大，對減速器的軸伸及電動機(jī)的軸伸有時是無法承受的。（5）鋼球式軟啟動安全聯(lián)軸器由于其質(zhì)量輕，尺寸小，易實(shí)施改造，維護(hù)工作少（基本上免維護(hù)），已成為輥壓機(jī)軟啟動的首選。軟啟動安全聯(lián)軸器通過鋼球的離心壓力產(chǎn)生的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，通常將聯(lián)軸器主體部分裝在電機(jī)端。當(dāng)電機(jī)啟動時，由于轉(zhuǎn)速很低，離心力很小，其產(chǎn)生的摩擦力也很小，聯(lián)軸器打滑，主動側(cè)隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)，被動側(cè)（減速器一側(cè)）靜止，電機(jī)為近似空載啟動。

19、隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦力逐漸增大，聯(lián)軸器的被動側(cè)帶動工作機(jī)（減速器入軸）開始旋轉(zhuǎn)，直到與主動側(cè)同步旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的整個啟動過程是一個平穩(wěn)的逐漸加載的過程，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的“軟”啟動，改變了普通聯(lián)軸器聯(lián)p W =p N +式中，E 為彈性模量；d 0為軸與套的配合間隙。最大應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)徑處，則切向正應(yīng)力tN 為tN =p N 1+（d 02）2p W d d 01（）2d徑向正應(yīng)力rN 為rN =p N剪應(yīng)力N 為N合成應(yīng)力為V =度0. 2。1. 3. 3鎖緊盤的使用中小功率輥壓機(jī)行星減速機(jī)的懸臂安裝多采用機(jī)械式鎖緊盤，通過擰緊鎖緊盤周向高強(qiáng)度螺栓，產(chǎn)生強(qiáng)大的摩擦力矩而傳遞扭矩。大功率的輥壓機(jī)已開始采用

20、液壓式鎖緊盤，液壓鎖緊盤設(shè)定力矩準(zhǔn)確，拆卸方便，節(jié)省勞力，縮短拆卸時間，但價格比機(jī)械式要貴。tN +rN tN ·rN +3N16·M t ·d 0·103=44（d d 0）（6）合成應(yīng)力必須小于空心軸材料的屈服強(qiáng)·66·“硬”接時的啟動方式。重型機(jī)械2011No . 6換向的場合）。當(dāng)輥壓機(jī)過載或卡死時，由于轉(zhuǎn)矩超過了設(shè)計(jì)摩擦力可傳遞的轉(zhuǎn)矩（設(shè)定轉(zhuǎn)矩），聯(lián)軸器打滑，防止了機(jī)械部件的損壞及電動機(jī)的燒毀。軟啟動安全聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)如圖4所示 。2主傳動系統(tǒng)的維護(hù)，因此主傳動系統(tǒng)是整個輥壓機(jī)的“心臟”做好日常的維護(hù)工作對整機(jī)的高效運(yùn)行有重要

21、作用，為此應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）每日都應(yīng)檢查擠壓輥的輥面磨損情況，并注意有無異物進(jìn)入輥縫（這一現(xiàn)象應(yīng)堅(jiān)決避免）；（2）注意主軸承的工作溫度是否正常，每天定時給主軸承供潤滑脂，確保良好的潤滑與密封；（3）定期用扭矩扳手檢查鎖緊盤的擰緊螺栓是否在額定力矩下，保證減速機(jī)空心軸與擠壓輥在結(jié)合面處不產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動（這一點(diǎn)很有必要，否則會在結(jié)合面局部產(chǎn)生錯位、粘連現(xiàn)象，造成日后拆卸困難）；圖4Fig. 4軟啟動安全聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖（4）每日應(yīng)檢查減速機(jī)的運(yùn)行情況，觀察有無異常振動、噪聲，工作溫度是否正常（油溫不應(yīng)超過80 ）；（5）檢查擠壓輥內(nèi)部的循環(huán)冷卻水流量及水溫（不要高于28 ）是否正常；（6）每日都應(yīng)檢查主電機(jī)工作電流，定子溫度是否正常；（7）日常維護(hù)、保養(yǎng)工作到位，可將一些故障消滅在萌芽狀態(tài)，提高系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率，延長使用壽命。Structure of safety coupling for soft start1. 轉(zhuǎn)子2. 殼體3. 鋼球4. 銷軸組件5. 半聯(lián)軸器聯(lián)軸器的工作過程為：主動軸帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的葉片將殼體內(nèi)的空腔分成2 6等份，葉片推動空腔中的鋼球作圓周運(yùn)動，鋼球由于離心力作用沿聯(lián)軸器半徑方向運(yùn)動，逐漸貼緊在殼體內(nèi)壁，并沿殼體內(nèi)壁