立磨及其傳動(dòng)裝置技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢(shì)

董建峰，王 昆，劉 虎，曹海軍

(江蘇省金象傳動(dòng)設(shè)備股份有限公司，江蘇 淮安 223001)

0 前言

在當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)背景下，基于節(jié)能降耗減排的國(guó)家政策要求，立磨成為粉磨生產(chǎn)的發(fā)展方向，但是，受螺旋錐齒輪生產(chǎn)規(guī)格的限制，在采用加長(zhǎng)傳動(dòng)鏈、雙電機(jī)輸入等手段后，立磨的傳動(dòng)裝置勉強(qiáng)發(fā)展到5 MW的規(guī)格。因此，在解決多分流均載、雙行星傳動(dòng)、大規(guī)格螺旋錐齒輪精密制造等技術(shù)的條件下，大型立磨傳動(dòng)裝置的發(fā)展前景廣闊。本文研究立磨及其傳動(dòng)裝置技術(shù)的現(xiàn)狀，為實(shí)現(xiàn)大型化規(guī)?；⒛ゼ夹g(shù)盡力。

1 立磨技術(shù)的概況

1.1 立磨的發(fā)展歷程

立磨是低能耗的粉磨工藝設(shè)備，又稱立式磨、輥磨、立式輥磨。世界上第一臺(tái)立磨是上個(gè)世紀(jì)二十年代在德國(guó)研制出來(lái)，1935年立磨首次用于水泥生產(chǎn)。上個(gè)世紀(jì)60年代起，立磨得到了改進(jìn)，應(yīng)用得到推廣。

我國(guó)自上世紀(jì)80年代起，因窯外分解新型干法工藝的開(kāi)發(fā)與推廣，開(kāi)始重視立磨粉磨技術(shù)，天津水泥研究設(shè)計(jì)院開(kāi)發(fā)出了TKM系列立磨，合肥水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院研究開(kāi)發(fā)出了HRM系列立磨，但產(chǎn)能限于1 000 t/d的生產(chǎn)線配用，1985年沈重從德國(guó)Pfeiffer公司引進(jìn)了2 000 t/d以下規(guī)模生產(chǎn)線配套的MPS立磨制造技術(shù)。

1.2 立磨類型及主要供貨商

各型立磨在結(jié)構(gòu)上的差異最突出的是在磨盤的結(jié)構(gòu)和磨輥的形狀及數(shù)目上，選粉裝置和對(duì)磨輥的加壓方式也各有不同。國(guó)際上幾種主要類型立磨及其公司為:MPS型立磨，也稱非凡磨，德國(guó)普費(fèi)佛(Pfeiffer)公司;ATOX型立磨，丹麥?zhǔn)访芩?F.L.Smidth)公司;RM型立磨，德國(guó)伯力鳩斯(Polysius)公司;LM型立磨，德國(guó)萊歇(Loesche)公司。國(guó)內(nèi)引進(jìn)和開(kāi)發(fā)立磨的主要廠商有:天津仕名(TRM)，合肥中亞(HRM)，沈重(MPS)。

1.3 立磨生產(chǎn)的特點(diǎn)

粉磨生產(chǎn)中，常用的設(shè)備有球磨、輥壓機(jī)、立磨等。其中，輥壓機(jī)一般都要配套球磨機(jī)才能完成粉磨工序。顯然，立磨將是粉磨行業(yè)、也是水泥粉磨的發(fā)展大方向。各粉磨生產(chǎn)技術(shù)比較見(jiàn)表1。

表1 各類型粉磨生產(chǎn)技術(shù)比較Tab.1 General comparison between various mills

(1)在粉磨理論上，立磨采用了非完全限定料床擠壓粉碎的原理，與球管磨相比，其粉磨效率為它的165%，節(jié)約電耗20%～40%。粉磨物料為P.O42.5，產(chǎn)品比表面積350 m2/kg，各粉磨生產(chǎn)的設(shè)備能耗比較見(jiàn)表2。

表2 各粉磨生產(chǎn)的設(shè)備能耗比較Tab.2 Comparison in terms of energy consumption between various mills

(2)系統(tǒng)漏風(fēng)少，比球磨系統(tǒng)的少一半多，可降低廢氣處理成本;

(3)噪聲小得多，大大減少噪聲污染;

(4)集中碎、粉磨、烘干、選粉與氣力輸送等5項(xiàng)單元操作于一體，設(shè)備少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，占地少，建安費(fèi)用低很多;

(5)立磨是在負(fù)壓下工作，無(wú)揚(yáng)塵，基本避免了粉塵污染;

(6)金屬磨耗低;

(7)立磨對(duì)粉磨物料適應(yīng)性強(qiáng)，可磨各種原料，如水泥熟料、石灰石、砂巖、煤、高爐鋼渣、礦石等等，只需對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，均能生產(chǎn)出不同粒度及比表面積的合格產(chǎn)品;

(8)立磨設(shè)備工藝性能優(yōu)越，能粉磨入料水分高、粒度大的原料，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率高，對(duì)成品質(zhì)量控制快捷，更換產(chǎn)品靈活，易實(shí)現(xiàn)智能化控制;

(9)適應(yīng)水泥裝備大型化配套之需，簡(jiǎn)化工藝流程與車間布置。

2 立磨傳動(dòng)裝置技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢(shì)

2.1 立磨傳動(dòng)裝置及生產(chǎn)廠商

立磨傳動(dòng)裝置是驅(qū)動(dòng)立式磨機(jī)的傳動(dòng)設(shè)備。立磨減速機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)聯(lián)軸器、主減速機(jī)，通過(guò)磨盤與立磨相連。主減速機(jī)還配有高低壓油站，在啟制動(dòng)時(shí)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)提供高壓油使推力軸承與磨盤推力面之間形成液墊，抬起磨盤，保證推力軸承不致擦傷損壞。

立磨傳動(dòng)設(shè)備主要供貨商，國(guó)外的有德國(guó)SIEMENS、德國(guó) RENK、瑞士 MAAG，丹麥SMITH等公司，國(guó)內(nèi)以中信重型、中船重工、南高齒、金象傳動(dòng)、荊州巨鯨、杭齒為主要制造商，其較大的使用功率有5 300 kW、4 800 kW、4 500 kW、4 200 kW、4 000 kW，德國(guó)Siemens公司產(chǎn)品樣本最大功率為7 100 kW。從產(chǎn)能來(lái)看，立磨已經(jīng)配置到了5 000～10 000 t/d的水泥生產(chǎn)線。

2.2 立磨傳動(dòng)裝置常規(guī)技術(shù)參數(shù)

(1)齒輪傳動(dòng)AGMA服務(wù)系數(shù)≥2.5，設(shè)計(jì)壽命為無(wú)限壽命;

(2)除推力軸承外，全部采用滾動(dòng)軸承，軸承設(shè)計(jì)壽命(L10)均大于1×105h;

(3)錐齒輪副采用克林根貝爾齒制，常采用材料為17CrNiMo6優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼，滲碳淬火，齒部硬度大于HRC58，精度6級(jí)(ISO1328);

(4)行星傳動(dòng)齒輪壓力角為25°，也有采用20°，須協(xié)調(diào)配置重合度、接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度;

(5)行星輪、太陽(yáng)輪為滲碳淬火硬齒面齒輪，齒部硬度大于HRC58，采用齒形修形和齒根噴丸技術(shù)，精度6級(jí);

(6)內(nèi)齒圈采用調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)硬度大于HB300，內(nèi)齒圈磨齒，精度6級(jí)(ISO1328);

(7)為保證整個(gè)產(chǎn)品安全運(yùn)行，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)都配置了監(jiān)控，對(duì)過(guò)濾器進(jìn)出油口的油壓差、高壓泵出油口的油壓、管路的流量、各油口的油溫、軸瓦溫度、振動(dòng)等參數(shù)，實(shí)行連續(xù)監(jiān)控。對(duì)稀油站和主電機(jī)采用電氣連鎖，對(duì)整機(jī)設(shè)置自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)停機(jī)等保護(hù)措施。當(dāng)以上監(jiān)控點(diǎn)參數(shù)偏離標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)信號(hào)或者使系統(tǒng)停機(jī)，從而保證了整機(jī)運(yùn)行的安全可靠。

3 立磨傳動(dòng)裝置的新技術(shù)

3.1 多分流均載技術(shù)

在立磨傳動(dòng)裝置的行星傳動(dòng)部分，常采用在可靠均載條件下功率多分流的設(shè)計(jì)思路。除了常規(guī)的3行星輪均載，依托行星架輪系超高精度形位公差的精確保證，4、5、6甚至更多的行星輪分流均載將得以實(shí)現(xiàn)。如6行星輪分成3組的均載機(jī)構(gòu):行星傳動(dòng)由3個(gè)行星輪組構(gòu)成，每組由2個(gè)行星輪與浮動(dòng)架聯(lián)接，3個(gè)浮動(dòng)架再與行星架聯(lián)接，并等分分布。浮動(dòng)架通過(guò)圓柱銷與行星架鉸接。其均載原理:三個(gè)行星輪組自動(dòng)定心，實(shí)現(xiàn)行星架在合理誤差范圍內(nèi)的浮動(dòng)(自適應(yīng))，而每個(gè)行星輪組的兩個(gè)行星輪亦可通過(guò)鉸接實(shí)現(xiàn)與內(nèi)齒圈、太陽(yáng)輪嚙合的徑向浮動(dòng)(自適應(yīng));在組內(nèi)行星輪距離較為嚴(yán)格控制的情況下，上述兩處自適應(yīng)成就了均載條件下功率6分流。其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 6行星輪三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 3D drawing of the 6-planetary-gear assembly

3.2 雙行星傳動(dòng)形式

立磨傳動(dòng)裝置由“錐齒輪+平行齒輪+行星齒輪”傳動(dòng)形式發(fā)展為“錐齒輪+行星齒輪+行星齒輪”的雙行星傳動(dòng)形式。采取雙行星傳動(dòng)，有利于適應(yīng)大傳動(dòng)比要求，減小螺旋錐齒輪、行星內(nèi)齒輪的尺寸，特別是方便在滑動(dòng)軸瓦內(nèi)側(cè)空間布置二級(jí)行星傳動(dòng)，極大地降低了立磨減速機(jī)的高度，節(jié)約了空間和成本。

對(duì)于雙行星傳動(dòng)形式，第一級(jí)為直角傳動(dòng)的圓錐齒輪副，安裝大錐齒輪的軸垂直向上，通過(guò)雙齒聯(lián)軸器與第二級(jí)行星傳動(dòng)中的太陽(yáng)輪聯(lián)接起來(lái)。第二與第三級(jí)行星齒輪傳動(dòng)采用串聯(lián)方式。

第一級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)部分一般設(shè)計(jì)為一對(duì)克林貝爾格延伸外擺線螺旋錐齒輪。材質(zhì)常采用17CrNiMo6，大小齒輪均滲碳淬火，精度DIN6級(jí)。小錐齒輪和大錐齒輪均通過(guò)軸承座裝入下箱體中，兩軸承座法蘭下設(shè)有調(diào)整墊，用于調(diào)整錐齒輪副接觸區(qū)的位置和齒側(cè)間隙。錐齒輪副速比范圍通常為2.5～3.5。第二級(jí)行星齒輪傳動(dòng)一般只需采取3行星輪均載，第二級(jí)行星齒輪傳動(dòng)速比范圍通常為3.5～5.0。由于第三級(jí)行星齒輪傳動(dòng)傳遞扭矩大，故須采用多分流均載機(jī)構(gòu)。第三級(jí)行星齒輪傳動(dòng)速比范圍通常為2.0～3.0。

3.3 關(guān)鍵零部件的加工工藝

克林貝格螺旋錐齒輪傳統(tǒng)的加工方法是試切-滾檢法，即先根據(jù)齒輪參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)選定合適的刀具(刀盤與刀片)，分別加工小輪與大輪，然后在滾檢機(jī)床按照使用時(shí)的裝配參數(shù)配對(duì)嚙合，得到齒面接觸斑點(diǎn)圖，如果接觸斑點(diǎn)未能達(dá)到要求，則必須返修小輪，通過(guò)調(diào)整輪位、刀盤直徑、刀片參數(shù)等再重新切削，改變接觸斑點(diǎn)的三個(gè)特征參數(shù)，得到理想的結(jié)果?！扒邢鳎瓭L檢”過(guò)程至少要反復(fù)兩次，通常要反復(fù)三次以上，接觸斑點(diǎn)在齒長(zhǎng)方向不超過(guò)40%。這種方法加工過(guò)程較為繁瑣，周期長(zhǎng)，接觸斑點(diǎn)水平具有較大的偶然性，可控性差，對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴性大，而且所能達(dá)到的最高水平也不夠理想。

隨著數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，通用、精密數(shù)控機(jī)床，在配置必要的軟件后，采用新工藝流程“建模+齒面接觸仿真+計(jì)算機(jī)分析調(diào)整+精密數(shù)控切削”，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)格螺旋錐齒輪的精密制造。

螺旋錐齒輪的齒面接觸分析技術(shù)(TCA技術(shù))，是運(yùn)用軟件仿真的方法，將精確建模的一對(duì)螺旋錐齒輪導(dǎo)入仿真軟件，按照裝配關(guān)系確定空間位置，模擬齒輪副嚙合過(guò)程，對(duì)齒廓曲面剛性接觸情況進(jìn)行分析，得到接觸斑點(diǎn);如果接觸斑點(diǎn)無(wú)法達(dá)到要求，可通過(guò)修改刀盤直徑、刀片模數(shù)、齒廓修形量、齒向修形量、變位系數(shù)、安裝距等參數(shù)后，再進(jìn)行分析計(jì)算;通過(guò)反復(fù)多次計(jì)算，直到得到符合要求的接觸斑點(diǎn)，再將最終的齒輪副模型用于數(shù)控加工，使加工結(jié)果完全可控。這種方法的調(diào)整控制變量多達(dá)六個(gè)，而且參數(shù)可以連續(xù)取用，因此不受傳統(tǒng)方法刀具組數(shù)固定的限制。采用TCA多參數(shù)軟件控制技術(shù)，使接觸斑點(diǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)方法所能達(dá)到的水平，齒長(zhǎng)方向最高可達(dá)70%，齒廓方向達(dá)50%;同時(shí)，經(jīng)TCA分析修正后的齒輪模型，用五軸聯(lián)動(dòng)加工中心一次加工成型，不需要傳統(tǒng)方法的反復(fù)試切滾檢，加工效率提高2倍以上。圖2是TCA軟件分析結(jié)果與實(shí)際加工滾檢的接觸斑點(diǎn)比較。

圖2 模擬與加工實(shí)物齒輪接觸斑點(diǎn)的比較Fig.2 Comparison in terms of contact pattern between simulation and actuality

大型內(nèi)齒圈、人字齒輪副等的關(guān)鍵零部件，皆可以采用此數(shù)控技術(shù)精密制造。

3.4 安全可靠的液壓和監(jiān)控系統(tǒng)

大型磨盤推力軸承及其承載法蘭，將承擔(dān)數(shù)千噸的壓力，須配置高壓供油系統(tǒng)。高壓供油系統(tǒng)在主機(jī)啟動(dòng)前向軸瓦的高壓油腔供油，將磨抬起。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，常壓(低壓)供油系統(tǒng)分別向太陽(yáng)輪和行星輪、螺傘及滾動(dòng)軸承供油，高壓系統(tǒng)向推力瓦供油，推力瓦始終浸泡在油中，始終保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)和較低的溫度。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在額定軸向靜負(fù)荷下，軸瓦的油膜厚度為0.07 mm，在尖峰軸向負(fù)荷下，軸瓦的油膜厚度為0.05 mm，軸瓦溫度控制在55℃以下，確保安全可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜部件，還集成了控制系統(tǒng)，采集敏感的油壓等信號(hào)進(jìn)行潤(rùn)滑系統(tǒng)的調(diào)控，更加安全可靠。

控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，傳感器有溫度、溫差、壓力、壓差、流量、振動(dòng)等等，各種控制器和傳感器協(xié)調(diào)運(yùn)行，控制著主電機(jī)、輔助傳動(dòng)電機(jī)、幾臺(tái)高壓油泵、低壓油泵、加熱器、冷卻閥門、聲光報(bào)警等，嚴(yán)格執(zhí)行安全邏輯，確保設(shè)備順利運(yùn)行。

關(guān)于行星輪系滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑，采用離心力潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，有專門的供油線路。從行星架靠近中心部位供油，油路從中部向外圍擴(kuò)散，通過(guò)行星輪軸的油孔，進(jìn)入行星輪軸承。本結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):①離心力驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力大小適中，油量適中;②潤(rùn)滑油流動(dòng)的沿程油路通道無(wú)管接頭聯(lián)接，在使用過(guò)程中不會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)等原因而松動(dòng)，牢固可靠;③對(duì)軸承的供油不受行星輪公轉(zhuǎn)位置不固定的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

立磨傳動(dòng)裝置是立式磨機(jī)的關(guān)鍵部件，但立磨的大型化受到傳動(dòng)裝置的限制。隨著傳動(dòng)裝置性能的突破，5～6 MW的超大型立磨傳動(dòng)必將是今后3～5年內(nèi)的發(fā)展重點(diǎn)。大型立式磨機(jī)的需求量將大幅度提高，產(chǎn)業(yè)化前景非常廣闊。

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