磨機(jī)大小齒輪嚙合調(diào)整方法研究

張吉清

（河北寰球工程有限公司，涿州 072750）

磨機(jī)大小齒輪嚙合情況直接影響齒輪磨損和使用壽命，若嚙合不好，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致小齒輪軸和軸承損壞[1]。針對(duì)齒輪嚙合的調(diào)整，一般情況下是根據(jù)測(cè)量得到的齒側(cè)間隙或齒頂間隙來(lái)進(jìn)行調(diào)整相應(yīng)部位[2-3]，有時(shí)因?yàn)榧庸て罨蜻\(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重變形，只能采取現(xiàn)場(chǎng)磨齒的方法。但在磨機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，磨機(jī)的狀態(tài)和靜止時(shí)完全不同，運(yùn)行中受到許多不平衡力的影響，特別是磨礦介質(zhì)的拋落對(duì)筒體的沖擊，導(dǎo)致在運(yùn)行之前測(cè)得的數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求，但在運(yùn)行過(guò)程中卻出現(xiàn)了嚙合不好的情況，這就需要將運(yùn)行過(guò)程中磨機(jī)受到的力考慮到影響齒輪變形的因素里。

1 磨機(jī)運(yùn)行中的受力和齒輪嚙合

紅外測(cè)溫裝置用于實(shí)時(shí)監(jiān)控齒面溫度以掌握大小齒輪嚙合情況，一般在小齒輪齒面上設(shè)置三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，通過(guò)三點(diǎn)中的最高溫差來(lái)表征齒面的嚙合情況。在未加入磨礦介質(zhì)之前，齒面溫差較低且滿足要求，齒側(cè)間隙也符合設(shè)計(jì)要求，但磨礦介質(zhì)加入后溫差增加且超過(guò)了要求值，分析其原因主要是，磨礦介質(zhì)在拋落過(guò)程中對(duì)筒體的沖擊力導(dǎo)致筒體部位發(fā)生了撓曲，在大齒輪齒面上出現(xiàn)了轉(zhuǎn)角，導(dǎo)致大齒輪與小齒輪的嚙合變差，如圖1所示。

圖1 大小齒輪嚙合和測(cè)溫點(diǎn)位置的三維模型

當(dāng)大齒輪左側(cè)向下傾斜時(shí)，小齒輪左側(cè)齒的受力就會(huì)比右側(cè)大，從而導(dǎo)致左側(cè)的溫度比右側(cè)高，故需通過(guò)相關(guān)力學(xué)公式確定大齒輪的偏轉(zhuǎn)角度，然后通過(guò)調(diào)整小齒輪軸承座的位置對(duì)小齒輪傾斜角度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而改善大小齒輪的嚙合狀況。

2 小齒輪軸承座移動(dòng)距離公式推導(dǎo)

磨機(jī)主要由進(jìn)出料端耳軸、筒體和大齒圈組成，這些部件也構(gòu)成了磨機(jī)兩個(gè)主軸承座之間的支撐框架。而磨機(jī)的這個(gè)支撐框架所受的荷載包括進(jìn)出料端耳軸、筒體、大齒圈、襯板、料漿、磨礦介質(zhì)和介質(zhì)拋起對(duì)磨機(jī)筒體的沖擊力。為便于計(jì)算，假設(shè)這些荷載均勻作用于磨機(jī)兩個(gè)主軸承之間。

筒體主要受垂直方向上的荷載，這個(gè)方向上的荷載引起了大齒輪的偏移。其中，進(jìn)出料端耳軸、筒體、大齒圈、襯板、料漿和磨礦介質(zhì)對(duì)磨機(jī)支撐框架產(chǎn)生的荷載總和定義為F1。

由于磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，磨礦介質(zhì)抬起一定高度后再自由落體拋出，抬起的高度是影響介質(zhì)沖擊力的主因。磨礦介質(zhì)拋起的平均高度與磨礦介質(zhì)的支取功率有關(guān)，根據(jù)支取功率公式[4]和相關(guān)的做功公式可得所有磨礦介質(zhì)單次拋起的平均高度：

式中，h為所有磨礦介質(zhì)單次拋起的平均高度（m）；P為磨礦介質(zhì)的支取功率（W），即P=1.752m(6.3-5.4VP)Cs，其中，Ds為筒體的有效內(nèi)徑（m），VP為磨礦介質(zhì)充填率，m為磨機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速率。m為磨礦介質(zhì)的總重（kg）；g為重力加速度（m/s2）；t′為所有磨礦介質(zhì)單次拋起所用的總時(shí)間（s）。此時(shí)間大致為磨機(jī)轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間的一半，即t′=，其中，v是磨機(jī)的轉(zhuǎn)速，rps。

根據(jù)自由落體速度-位移公式和動(dòng)量定理公式可得到荷載F2的計(jì)算公式：

式中，t為每個(gè)筒體提升條轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間間隔（s）。此時(shí)間與磨機(jī)的轉(zhuǎn)速v和提升條的個(gè)數(shù)n有關(guān)，即t=1/(nv)。

通過(guò)式（1）和式（2）可以獲得磨機(jī)支撐框架的均布荷載，然后根據(jù)簡(jiǎn)支梁均布荷載的轉(zhuǎn)角公式[5]，可以算出磨機(jī)大齒輪的轉(zhuǎn)角θ。

其中，d為筒體內(nèi)徑，單位m，D為筒體外徑，單位m。

大齒輪的偏轉(zhuǎn)角度獲得后，就需要調(diào)整小齒輪的偏轉(zhuǎn)角度以與大齒輪匹配?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)提升小齒輪右側(cè)軸承座的方式改變偏轉(zhuǎn)角，提升高度為H。

式中，L為小齒輪左右兩側(cè)軸承座的中心距，單位m；θ為偏轉(zhuǎn)角度較小，tanθ≈θ。

在式（4）的推導(dǎo)過(guò)程中，做了部分假設(shè)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要進(jìn)一步優(yōu)化。

雖然根據(jù)式（4）可以計(jì)算出軸承座的提升高度，但對(duì)于小齒輪的軸承和聯(lián)軸器的軸承都有允許的偏差要求，故需要根據(jù)此要求核算軸承座的最大提升高度，確保提升操作在允許范圍內(nèi)。

圖2是聯(lián)軸器和小齒輪軸承的裝配簡(jiǎn)圖，圖3是小齒輪與聯(lián)軸器連接部位偏轉(zhuǎn)后的簡(jiǎn)圖。

圖2 聯(lián)軸器和小齒輪軸承的裝配簡(jiǎn)圖

圖3 小齒輪與聯(lián)軸器連接部位偏轉(zhuǎn)后的簡(jiǎn)圖

根據(jù)圖2和圖3，將聯(lián)軸器的角偏差?s近似定義為：

式中，DL為聯(lián)軸器的齒圈直徑；L為小齒輪兩側(cè)軸承座中心距；d1為小齒輪左側(cè)軸承座與聯(lián)軸器右側(cè)齒圈中心距；d2為聯(lián)軸器兩側(cè)齒圈中心距。

小齒輪軸承的角偏差為：

故，在進(jìn)行小齒輪軸承位置調(diào)整時(shí)，提升高度必須同時(shí)滿足下列條件：

3 小齒輪軸承座位置調(diào)整方法的實(shí)際應(yīng)用

某磷礦選礦項(xiàng)目采用棒磨機(jī)破碎礦石，其規(guī)格大小為Φ4.6m×6.5m，平均處理量為270t/h（濕重），主電機(jī)的輸出功率為1750kW。

在磨機(jī)加入鋼棒之前，對(duì)大小齒輪的齒側(cè)間隙進(jìn)行了測(cè)量。將大齒圈圓周均勻分布四個(gè)點(diǎn)，通過(guò)壓鉛法測(cè)得這四個(gè)點(diǎn)兩側(cè)的齒側(cè)間隙，如表1所示。

表1 大小齒輪齒側(cè)間隙

由表1可知，齒側(cè)間隙基本滿足設(shè)計(jì)要求，在未加入鋼棒空轉(zhuǎn)過(guò)程中，未出現(xiàn)齒面嚙合不好的現(xiàn)象且齒面溫差都在10℃以下。

此磨機(jī)裝配有紅外測(cè)溫裝置，三個(gè)紅外測(cè)溫點(diǎn)平行小齒輪齒面均布排列（見圖1），規(guī)定三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的最高溫差不能超過(guò)15℃（此值即為磨機(jī)的調(diào)停值）。在沒有對(duì)小齒輪軸承座調(diào)整之前，將磨機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行收集得到圖4。

由圖4可知，齒面溫度從左向右依次遞減，即靠近磨機(jī)筒體中心側(cè)的溫度最高，這說(shuō)明兩個(gè)齒輪在左側(cè)的受力最大，可以確認(rèn)這是因筒體的彎曲變形導(dǎo)致大齒輪向一側(cè)傾斜，從而導(dǎo)致大小齒輪嚙合狀況差?，F(xiàn)通過(guò)上述齒輪調(diào)整方法對(duì)小齒輪軸承座進(jìn)行調(diào)整。

此磨機(jī)的進(jìn)出料端耳軸、筒體、大齒圈、襯板和鋼棒總重為398t，故F1為3980kN，其中，鋼棒重m為180t，磨機(jī)襯板提升條個(gè)數(shù)n為30，磨機(jī)轉(zhuǎn)速v為12.7rpm/60=0.21rps，筒體的有效內(nèi)徑Ds為4.46m，磨礦介質(zhì)充填率VP為30%，磨機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速率Cs為62%，兩個(gè)主軸承座中心距1為8.7m，磨機(jī)支撐框架材料為碳素鋼，其彈性模量E為204GPa，筒體外徑D為4.66m，內(nèi)徑d為4.6m，小齒輪兩側(cè)軸承座中心距L為1.6m由此，根據(jù)式（4）可得小齒輪右側(cè)軸承座提升高度為：

基于計(jì)算出的提升高度，通過(guò)式（6）和（8）來(lái)校核此值是否符合要求。磨機(jī)的聯(lián)軸器型號(hào)為ZAPEXZZS505，最大允許角偏差?s為0.7mm，d2為900mm，聯(lián)軸器的齒圈直徑DL為400mm；小齒輪軸承型號(hào)為SKF-23168CA/W33，最大允許角偏差θmax為3°，小齒輪兩側(cè)軸承座中心距L為1600mm，d1為555mm。由此可以獲得最大允許提升的高度：

由此可知，提升高度H同時(shí)小于Hmax和Hmax′，故小齒輪軸承按照0.23mm的高度進(jìn)行調(diào)整，因現(xiàn)場(chǎng)墊片厚度限制，按照0.2mm的高度進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整并運(yùn)行得到圖5的溫度趨勢(shì)。

圖4 調(diào)整前的磨機(jī)小齒輪齒面溫度數(shù)據(jù)

圖5 調(diào)整后的小齒輪齒面溫度數(shù)據(jù)

由圖5可知，調(diào)整之后，最大溫差從15℃降到了10℃左右，說(shuō)明這種調(diào)整方式可以有效改善大小齒輪的嚙合狀況，在10℃附近基本滿足磨機(jī)的正常運(yùn)行。故，通過(guò)式（4）計(jì)算出的結(jié)果具有參考意義，但齒面的溫度依然是從左向右依次遞減，小齒輪沒有得到完全校正，計(jì)算式有待進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

磨機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的齒面溫差過(guò)大主要是由于筒體的撓曲導(dǎo)致大齒輪出現(xiàn)了轉(zhuǎn)角，不能與小齒輪很好地嚙合，通過(guò)相關(guān)的力學(xué)公式推導(dǎo)出調(diào)整小齒輪軸承座位置的公式，為磨機(jī)的安裝調(diào)試提供了參考。同時(shí)，在某磷礦選礦廠的棒磨機(jī)中得到應(yīng)用，調(diào)整后改善了齒輪嚙合狀況，保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。