采用滾動(dòng)軸承連接的天輪裝置的設(shè)計(jì)研究

趙光輝，徐永福，劉同欣，李玉輝

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

礦井提升機(jī)是礦山的關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)著礦石、人員、各種材料和設(shè)備的提升和運(yùn)送任務(wù)[1]。其中，天輪裝置是礦井提升機(jī)的主要受力部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與否影響著礦山的安全運(yùn)行和企業(yè)的生產(chǎn)效率。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)礦井提升機(jī)天輪裝置進(jìn)行了大量的研究[2-4]。杜波等人[5]對(duì)天輪裝置使用中經(jīng)常出現(xiàn)的異響、軸瓦連接螺栓斷裂等問(wèn)題進(jìn)行了分析，并給出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案；雙永順等人[6]針對(duì)天輪裝置使用過(guò)程中的軸瓦磨損、游動(dòng)輪輪緣偏擺超差等故障進(jìn)行了分析，并給出了修復(fù)方案；喬金廣等人[7]對(duì)天輪裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的缺陷，給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)了隱患；因此，開(kāi)發(fā)一種新型結(jié)構(gòu)的天輪裝置有重要意義。

1 天輪裝置的設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)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(jù)提升系統(tǒng)要求，調(diào)整提升容器的中心距[8]。

1.1 傳統(tǒng)天輪裝置

傳統(tǒng)天輪裝置結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。每套天輪由數(shù)個(gè)單獨(dú)的輪子組成，其中一個(gè)輪子用平鍵與天輪軸連接，稱作固定輪，鋼絲繩運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)固定輪轉(zhuǎn)動(dòng)，固定輪又帶動(dòng)天輪軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)；其余的輪子與天輪軸是游動(dòng)的，稱作游動(dòng)輪，游動(dòng)輪與天輪軸之間裝有兩半式軸瓦[8]。

圖1 傳統(tǒng)天輪裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of traditional head sheave

運(yùn)行過(guò)程中，需要定期對(duì)兩半式軸瓦進(jìn)行潤(rùn)滑。提升機(jī)規(guī)格越大，天輪受力越大，軸瓦潤(rùn)滑油路越易堵塞，造成潤(rùn)滑不良。軸瓦與天輪軸之間形成干摩擦，容易出現(xiàn)天輪裝置異響、軸瓦固定螺栓斷裂、軸瓦磨損等現(xiàn)象[9]，造成天輪裝置游動(dòng)輪輪緣偏擺超標(biāo)。偏擺超標(biāo)會(huì)增加提升系統(tǒng)的運(yùn)行載荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成重大的安全事故[10]。

1.2 滾動(dòng)軸承天輪裝置

采用滾動(dòng)軸承的天輪裝置的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。每個(gè)游動(dòng)輪的內(nèi)孔與天輪軸的外緣面之間通過(guò)軸套 A設(shè)有 2 個(gè)滾動(dòng)軸承，每 2 個(gè)滾動(dòng)軸承的外端設(shè)置軸套B，軸套 B 通過(guò)軸承端蓋固定在游動(dòng)輪的端面上。在軸套 B 的外緣面與軸承端蓋內(nèi)孔的內(nèi)緣面之間設(shè)有密封圈，防止外界雜質(zhì)污染潤(rùn)滑油。

圖2 采用滾動(dòng)軸承天輪裝置的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of head sheave with rolling bearing

每個(gè)游動(dòng)輪的輪緣上設(shè)有注油孔，每個(gè)注油孔均有注油嘴，注油嘴通過(guò)銅管貫通至游動(dòng)輪內(nèi)孔，以便在日常檢修中對(duì)滾動(dòng)軸承補(bǔ)油潤(rùn)滑，提高天輪裝置的使用壽命。

運(yùn)行時(shí)，提升鋼絲繩帶動(dòng)固定輪轉(zhuǎn)動(dòng)，固定輪通過(guò)平鍵帶動(dòng)天輪軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，天輪軸與每個(gè)游動(dòng)輪之間靠 2 個(gè)滾動(dòng)軸承支撐，各滾動(dòng)軸承之間通過(guò)軸套 A和軸套 B 進(jìn)行軸向定位，并通過(guò)軸承端蓋與游動(dòng)輪固定。當(dāng)各提升鋼絲繩的線速度不完全相同時(shí)，游動(dòng)輪與天輪軸之間可以自由地相互轉(zhuǎn)動(dòng)。

滾動(dòng)軸承承載能力強(qiáng)，可承受一定的軸向載荷，摩擦力小，使用壽命長(zhǎng)。采用滾動(dòng)軸承連接的天輪裝置，可有效避免游動(dòng)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(dòng)輪輪緣偏擺超標(biāo)等問(wèn)題。

2 軸承的選型計(jì)算

除滾動(dòng)軸承外，新結(jié)構(gòu)天輪裝置的選型計(jì)算與傳統(tǒng)天輪裝置的選型計(jì)算一致，在此不再闡述，只對(duì)滾動(dòng)軸承的選型計(jì)算加以說(shuō)明。

滾動(dòng)軸承的選型與天輪軸軸徑、鋼絲繩間距和軸承壽命有關(guān)。對(duì)傳統(tǒng)天輪裝置進(jìn)行整體改造，滾動(dòng)軸承的選型計(jì)算主要從軸承的內(nèi)徑、寬度以及壽命 3 個(gè)方面進(jìn)行考慮。

以 JKMD-4×4 型多繩摩擦式提升機(jī)為例，其主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。

表1 JKMD-4×4 型提升機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of JKMD-4×4 hoist

(1) 軸承內(nèi)徑 軸承內(nèi)徑的選取與天輪軸強(qiáng)度有關(guān)。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(dòng)拉力

式中：α為出繩仰角，α=50°～ 90°，按中間角度計(jì)算，取 70°。

單個(gè)輪體所受的垂直力

單個(gè)輪體所受的水平力

式中：N 為輪體個(gè)數(shù)，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(yīng)力

式中：MⅠ-Ⅰ為天輪軸截面處的彎矩。

截面處的安全系數(shù)

式中：σ-1為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下材料的彎曲疲勞極限；Kσ為彎曲時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)；β為表面質(zhì)量系數(shù)；εσ為絕對(duì)尺寸影響系數(shù)。

由公式 (1)～ (6) 可得，滾動(dòng)軸承天輪軸截面的直徑即為軸承內(nèi)徑。

(2) 軸承寬度 滾動(dòng)軸承寬度主要與軸套 A 及 B的寬度、鋼絲繩間距 (300 mm) 有關(guān)。裝配時(shí)，游動(dòng)輪應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，固定輪同天輪軸一起空轉(zhuǎn)靈活，均不得有卡阻現(xiàn)象；每個(gè)游動(dòng)輪內(nèi)圈的軸套 A 應(yīng)壓緊，用塞尺檢查并確保緊貼無(wú)縫。

(3) 軸承壽命 單個(gè)軸承所受當(dāng)量動(dòng)載荷

軸承壽命

式中：n 為提升機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；C 為基本額定動(dòng)負(fù)荷，kN。

軸承設(shè)計(jì)壽命按 20 a 計(jì)算，選用單列圓柱滾子軸承。該軸承的滾子由內(nèi)圈上的擋邊所引導(dǎo)，擋邊結(jié)合滾子的特殊設(shè)計(jì)和表面處理，能產(chǎn)生良好的潤(rùn)滑效果，減少了摩擦，降低了軸承的運(yùn)行溫度。軸承中一個(gè)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(gè)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(duì)天輪裝置進(jìn)行局部改造，不更換天輪軸，滾動(dòng)軸承內(nèi)徑須與現(xiàn)有天輪軸直徑保持一致，滾動(dòng)軸承選型時(shí)只計(jì)算軸承寬度和軸承壽命即可。

3 軸承的潤(rùn)滑

滾動(dòng)軸承能有效可靠地運(yùn)行，必須要有充分的潤(rùn)滑，防止?jié)L動(dòng)體、滾道與保持架支架發(fā)生直接接觸。潤(rùn)滑劑的選擇主要取決于軸承的工作條件，如工作溫度、轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度等。用最少量的潤(rùn)滑劑且能保持軸承可靠運(yùn)行，可以達(dá)到最理想的工作溫度。使用潤(rùn)滑脂時(shí)應(yīng)注意以下內(nèi)容。

(1) 潤(rùn)滑脂的選用 天輪安裝在井架上，風(fēng)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(hào)鋰基脂。

(2) 潤(rùn)滑脂的填充 安裝時(shí)，應(yīng)先清洗滾動(dòng)軸承后填充潤(rùn)滑脂。填充時(shí)應(yīng)填滿整個(gè)軸承，用量以占軸承座體空間的 1/2～1/3 為宜。

(3) 潤(rùn)滑脂的加注量 滾動(dòng)軸承使用過(guò)程中，由于機(jī)械功、老化和污染物的集聚，軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂會(huì)逐漸失去潤(rùn)滑功能，因此需要定期補(bǔ)充或更換潤(rùn)滑脂。建議每季度補(bǔ)充一次，每年應(yīng)全部更換一次。潤(rùn)滑脂的加注量

式中：D 為軸承外徑，mm；B 為軸承寬度，mm。

(4) 潤(rùn)滑脂的加注方法 用油泵加注潤(rùn)滑脂的方法如下：①取下游動(dòng)輪輪緣處潤(rùn)滑點(diǎn)上的螺塞，將隨主機(jī)供貨時(shí)提供的油泵接頭擰入潤(rùn)滑點(diǎn)，并與油泵出油口連在一起；② 將潤(rùn)滑脂裝入油泵內(nèi)，裝填時(shí)應(yīng)盡量避免夾雜空氣；③按油泵說(shuō)明書要求調(diào)整油泵各部位；④ 循環(huán)壓動(dòng)給油桿進(jìn)行給油作業(yè)；⑤加油完畢取下接頭，涂油防銹并妥善保管，用螺塞將潤(rùn)滑點(diǎn)堵上，以免臟物和灰塵進(jìn)入。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種游動(dòng)輪與天輪軸之間采用滾動(dòng)軸承代替軸瓦連接的新結(jié)構(gòu)天輪裝置。該新型天輪裝置已廣泛用于多個(gè)提升機(jī)項(xiàng)目上，天輪異響問(wèn)題基本解決，應(yīng)用效果良好。對(duì)于舊結(jié)構(gòu)天輪裝置的升級(jí)改造具有一定的指導(dǎo)意義。