回轉(zhuǎn)支承在金剛石繩鋸機(jī)上的運(yùn)用①

周世威，劉 瑩，王進(jìn)保，莫時(shí)雄，蘇 鈺，程 煜

（1.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西桂林541004；2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心，廣西桂林541004；3.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；4.桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004）

回轉(zhuǎn)支承在金剛石繩鋸機(jī)上的運(yùn)用①

周世威1，2，3，劉 瑩4，王進(jìn)保1，2，3，莫時(shí)雄1，2，3，蘇 鈺1，2，3，程 煜1，2，3

（1.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西桂林541004；2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心，廣西桂林541004；3.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；4.桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004）

文章介紹了目前國產(chǎn)金剛石繩鋸機(jī)的技術(shù)狀況、回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)及其在金剛石繩鋸機(jī)中的選型及運(yùn)用。討論金剛石繩鋸機(jī)采用蝸輪箱結(jié)構(gòu)和采用回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的優(yōu)、缺點(diǎn)。

金剛石繩鋸機(jī)；動(dòng)力系統(tǒng)；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)；回轉(zhuǎn)支承；標(biāo)準(zhǔn)化

2 目前國產(chǎn)金剛石繩鋸機(jī)的技術(shù)狀況

目前國內(nèi)已有許多企業(yè)生產(chǎn)金剛石繩鋸機(jī)，如桂林特邦公司、福州天石源、山東高時(shí)、河南聯(lián)合旋風(fēng)、泉州利器、福建華大、長沙通石達(dá)、福建霞浦眾等，已發(fā)展有主電機(jī)功率從11kW到75kW系列機(jī)型?？刂萍夹g(shù)基本上都采用雙變頻控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在切割過程中機(jī)器可以根據(jù)自身的負(fù)載來自動(dòng)控制繩鋸機(jī)的進(jìn)給速度，維持串珠繩在作業(yè)過程中均衡的張力，進(jìn)而延長串珠繩的使用壽命以及保證切割過程的連續(xù)性。金剛石繩鋸機(jī)已完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，有的企業(yè)甚至已出口國外。

金剛石繩鋸機(jī)，主要由5部分組成，如圖1。機(jī)械部分而言，支承動(dòng)力部件的回轉(zhuǎn)部件是受力最大，最復(fù)雜的部件。因此回轉(zhuǎn)部件要求牢固可靠，便于維護(hù)，是金剛石繩鋸機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

圖1 金剛石繩鋸機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of diamond wire saw machine

金剛石繩鋸機(jī)回轉(zhuǎn)部件主要有以下幾種形式：

（1）固定式 這種結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行回轉(zhuǎn)和橫向調(diào)整，大功率機(jī)型已基本淘汰，只有一些用于荒料切割的22kW以下的繩鋸機(jī)用這種結(jié)構(gòu)。

（2）門架式 如河南聯(lián)合旋風(fēng)生產(chǎn)的機(jī)型，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡支梁對稱支承動(dòng)力系統(tǒng)，穩(wěn)固可靠，但只能進(jìn)行360度回轉(zhuǎn)角度調(diào)整，不能進(jìn)行橫向調(diào)整，運(yùn)用不是很方便。

（3）懸臂式 這種機(jī)型因其方便進(jìn)行圓周內(nèi)任意角度回轉(zhuǎn)，在行程范圍內(nèi)很方便進(jìn)行橫向調(diào)整，因此成為金剛石繩鋸機(jī)的主流產(chǎn)品，目前國內(nèi)大部分企業(yè)生產(chǎn)的金剛石繩鋸機(jī)運(yùn)用這種結(jié)構(gòu)方式。但這種機(jī)型存在一個(gè)缺點(diǎn)：即回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)懸臂梁受力，負(fù)荷大。動(dòng)力系統(tǒng)約500～2000kg的質(zhì)量全部依靠回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的自制的蝸輪箱來懸臂支承，如圖2，造成啟動(dòng)或工作過程中動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)的現(xiàn)象，當(dāng)豎直切割且橫向調(diào)整達(dá)到極限位置時(shí)，蝸輪箱承受巨大的回轉(zhuǎn)力矩。以37kW為例，回轉(zhuǎn)力矩可達(dá)2600Nm，而蝸輪的制造基本使用中低強(qiáng)度的材料，如鑄鐵、銅合金，抗拉強(qiáng)度σb在200～500MPa之間，通常在300MPa。銅合金是貴重金屬，國產(chǎn)機(jī)內(nèi)沒有選用，基本選用球墨鑄鐵、鋅基合金等材料，這種材料鑄造過程中易產(chǎn)生缺陷，這種金剛石繩鋸機(jī)在工作中易出現(xiàn)蝸輪斷齒而造成設(shè)備損壞的現(xiàn)象。另外，國產(chǎn)金剛石繩鋸機(jī)都是各企業(yè)自行設(shè)計(jì)和制造的蝸輪箱，不是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，生產(chǎn)周期長、成本高；且蝸輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝精度要求高，在礦山這種野外環(huán)境維修極不方便。

圖2 蝸輪箱結(jié)構(gòu)安裝方式示意圖Fig.2 The installation diagram of worm－gear case structure

3 回轉(zhuǎn)支承在金剛石繩鋸機(jī)上的運(yùn)用

筆者在金剛石繩鋸機(jī)的開發(fā)過程中，在總結(jié)和認(rèn)真分析各種機(jī)型的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用了單排球式外齒回轉(zhuǎn)支承作為動(dòng)力系統(tǒng)的支承，取得了成功，如圖3所示。

回轉(zhuǎn)支承又叫轉(zhuǎn)盤軸承，在現(xiàn)實(shí)工業(yè)中應(yīng)用很廣泛，被人們稱為：“機(jī)器的關(guān)節(jié)”，是兩物體之間需作相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又需同時(shí)承受軸向力、徑向力、傾翻力矩的機(jī)械所必需的重要傳動(dòng)原件，帶齒回轉(zhuǎn)支承同時(shí)具有大比例齒輪減速的作用。隨著機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展，回轉(zhuǎn)支承在船舶設(shè)備、工程機(jī)械、輕工機(jī)械、冶金機(jī)械、醫(yī)療機(jī)械、工業(yè)機(jī)械人、隧道掘進(jìn)機(jī)、旋轉(zhuǎn)舞臺燈等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。一般情況下，回轉(zhuǎn)支承滾動(dòng)體采用整體淬硬的碳鉻軸承鋼，抗拉強(qiáng)度σb在600～800MPa，并且淬火硬度在HRC55～62。因此回轉(zhuǎn)支承所能承受力是普通鋼材的2～3倍，如圖4。

圖3 回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)安裝方式示意圖Fig.3 The installation diagram of rotary bearing structure

圖4 回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The structure diagram of rotary bearing

金剛石繩鋸機(jī)的回轉(zhuǎn)部件，動(dòng)力系統(tǒng)需作相對機(jī)箱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又同時(shí)承受軸向力、徑向力、傾翻力矩，符合回轉(zhuǎn)支承運(yùn)用的特征。金剛石繩鋸機(jī)的回轉(zhuǎn)部件受到很大的徑向力矩，以37kW金剛石繩鋸機(jī)為例，約在2600Nm，同時(shí)受到金剛石串珠繩切割工作的拉力約在7000N，還受到動(dòng)力系統(tǒng)本身的重力，及其產(chǎn)生的力矩。單排球式回轉(zhuǎn)支承選型計(jì)算如下：

（1）計(jì)算額定靜容量

式中：Co——額定靜容量，N

f——靜容量系數(shù)，110N／mm2

D——滾道中心直徑，mm

d——鋼球公稱直徑，mm

（2）根據(jù)組合后的外載荷，計(jì)算當(dāng)量軸向載荷

Cp＝P＋4370 M／D＋3.44 Fr

式中：Cp——當(dāng)量軸向載荷，N

M——總傾覆力矩，N·m

P——總軸向力，N

Fr——總徑向力，N

（3）計(jì)算安全系數(shù)

式中：fs——安全系數(shù)，根據(jù)工作情況選取。

Co——額定靜容量，N

Cp——當(dāng)量軸向載荷，N

根據(jù)金剛石繩鋸機(jī)的受力情況，以及兼顧結(jié)構(gòu)尺寸等因素，筆者在設(shè)計(jì)中選取了QWA560－20A，制造完成后運(yùn)行良好。

回轉(zhuǎn)支承在金剛石繩鋸機(jī)運(yùn)用中，相比蝸輪箱結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)上很大程度簡化了結(jié)構(gòu)，裝配簡單，維修方便，特別有利于礦山環(huán)境。

（2）回轉(zhuǎn)支承由高性能的軸承鋼制造而成，具有極高的機(jī)械性能。

（3）回轉(zhuǎn)支承是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，配套極為方便，生產(chǎn)采購成本低，互換性好。

4 結(jié)束語

隨著金剛石串珠繩鋸在石材礦山上的推廣應(yīng)用，特別是近幾年來，我國金剛石串珠鋸機(jī)以每年超過600臺的數(shù)量走進(jìn)全國各石材礦山，因此對金剛石串珠繩鋸機(jī)提出更高的質(zhì)量要求：那就是穩(wěn)定、可靠、維修方便，進(jìn)一步提高石材開采效率，減少設(shè)備損壞所造成的浪費(fèi)。而回轉(zhuǎn)支承正因其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小、重量輕、標(biāo)準(zhǔn)化制造、傳動(dòng)速比大、承載能力強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)在各行業(yè)得到廣泛運(yùn)用。回轉(zhuǎn)支承在金剛石繩鋸機(jī)上的運(yùn)用，滿足了金剛石串珠繩鋸機(jī)簡單、穩(wěn)定、可靠、維修方便的要求，是回轉(zhuǎn)支承運(yùn)用的一個(gè)新的范例。

Application of rotary bearing on the diamond wire saw machine

ZHOU Shi－wei1，2，3，LIU Ying4，WANG Jin－bao1，2，3，MO Shi－xiong1，2，3，SU Yu1，2，3，CHENG Yu1，2，3
（1.China Nonferrous Metal（Guilin）Geology and Mining Co.，Ltd.，Guilin，Guangxi 541004，China；2.National Special Mineral Materials Engineering Research Center，Guilin，Guangxi 541004，China；3.Guangxi Key Laboratory of Superhard Material Research and Development，Guilin，Guangxi 541004，China；4.College of Materials Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin，Guangxi 541004，China）

This paper introduced the technology condition of domestic diamond wire saw machine，the structure rotary bearing and its selection and application in the diamond wire saw machine.It has discussed the advantages and disadvantages of the diamond wire saw machine adopt the worm－gear case structure and rotary supporting structure.

diamond wire saw machine；power system；rotary system；rotary bearing；standardization

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0032－03

1 引言

近年來，金剛石串珠繩鋸以其準(zhǔn)備時(shí)間短、切割靈活、低噪聲、低粉塵、低污染、節(jié)能等特點(diǎn)，在石材行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。串珠繩本身結(jié)合了金剛石超強(qiáng)的剛性和繩索的柔性，使其能適應(yīng)諸如大理石，花崗巖的開采。這種獨(dú)特鋸切模式，是其它金剛石工具所無法達(dá)到的；另外，串珠繩在長度上的幾乎不受限制，使其適用性加強(qiáng)，在一些特殊場合如水下加工、建筑物的拆除等將發(fā)揮獨(dú)特的作用。隨著資源節(jié)約型、可持續(xù)發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的不斷深入，我國石材礦山開采中杜絕浪費(fèi)、提高出材率、推廣先進(jìn)的礦山開采方式和開采設(shè)備已成為最近幾年石材行業(yè)迫切需要解決的問題。自2005年以來，國產(chǎn)金剛石繩鋸的綜合性能已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平，且造價(jià)低廉，完全能夠滿足國內(nèi)石材礦山開采和板材加工業(yè)的需求，甚至有許多企業(yè)生產(chǎn)的繩鋸產(chǎn)品已開始大量出口歐美等西方國家。隨著金剛石繩鋸的國產(chǎn)化，國內(nèi)數(shù)家企業(yè)推出了自己的金剛石繩鋸機(jī)，并在我國全面推廣應(yīng)用，給中國石材礦山開采水平帶來了革命性的進(jìn)步。

2012－03－10

周世威（1971－），男，1993年畢業(yè)于廣西大學(xué)機(jī)械系機(jī)械制造專業(yè)，長期從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

國家科技部科研院所技術(shù)開發(fā)專項(xiàng)資金，項(xiàng)目編號：2011EG115007。