浮選機回轉(zhuǎn)支承傳動系統(tǒng)設(shè)計及校核

蔡志勇

摘 要：浮選機是選礦廠實現(xiàn)浮選過程的重要設(shè)備。葉輪轉(zhuǎn)速是影響浮選機工藝性能的重要參數(shù)，而傳統(tǒng)浮選機的皮帶傳動形式對葉輪轉(zhuǎn)速的影響較大。通過齒輪傳動形式可以有效彌補皮帶傳動的不足。因此，本文提出使用齒輪與軸承融為一體的回轉(zhuǎn)支承作為傳動部件，在實現(xiàn)齒輪傳動的同時減少軸承的使用，使傳動結(jié)構(gòu)更加緊湊。通過幾種回轉(zhuǎn)支承的對比，選擇了較好的回轉(zhuǎn)支承形式，并且對回轉(zhuǎn)支承進行選型和壽命校核，隨后也對齒輪副進行強度校核。最后對該設(shè)計的優(yōu)點進行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：浮選機;回轉(zhuǎn)支承;齒輪傳動

中圖分類號：TH133.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0076-04

Abstract： Flotation machine is an important equipment to realize flotation process in concentrator. The impeller speed is an important parameter which affects the process performance of the flotation machine. Through the gear transmission form can effectively make up for the lack of belt transmission. Therefore， this paper proposed to use the rotating support which integrated the gear and bearing as the transmission component， to reduce the use of bearings while realizing the gear transmission， so as to make the transmission structure more compact. By comparing several kinds of slewing bearings， a better form of slewing bearings was selected， and the type and life of slewing bearings were checked， and then the strength of gear pairs was checked. Finally， the advantages of the design were summarized.

Keywords： flotation machine;slewing bearing;gear transmission

浮選是選礦工藝中應用較為廣泛的工藝，浮選機是浮選工藝中應用最多的設(shè)備。浮選機的工作原理[1]：當葉輪旋轉(zhuǎn)時，進入浮選槽體內(nèi)的礦漿從四周經(jīng)槽底由葉輪下端吸入葉輪葉片間，同時，由鼓風機吹入的低壓空氣經(jīng)風道、空氣調(diào)節(jié)閥、空心主軸進入葉輪腔的空氣分配器中，通過分配器周邊的孔進入葉輪葉片間，礦漿與空氣在葉輪葉片間進行充分混合后，從葉輪上半部周邊斜上方排出，排出的礦漿再通過安裝在葉輪四周斜上方的定子穩(wěn)定定向后，再次進入整個槽體內(nèi)形成礦化氣泡，最后上升到槽體表面形成泡沫，通過刮板裝置或推泡裝置自流到泡沫槽中，后礦漿再次流回到葉輪區(qū)進行再循環(huán)。

影響浮選機工藝性能的參數(shù)有很多，其中葉輪的形狀、轉(zhuǎn)速以及通氣量[2]對浮選效果的影響較大。有學者通過實驗研究了葉輪轉(zhuǎn)速對精礦產(chǎn)率的影響，得出結(jié)論：葉輪轉(zhuǎn)速增大可以提高精礦的品位和回收率，但過大的轉(zhuǎn)速會影響礦粒和氣泡的有效黏附，增大脫落概率，不利于浮選。因此，對浮選機葉輪轉(zhuǎn)速的精準控制對浮選具有重要意義。

1 傳統(tǒng)浮選機的傳動形式

目前，大部分浮選機采用皮帶傳動（如圖1所示），電機輸出的轉(zhuǎn)矩依次通過小皮帶輪、皮帶、大皮帶輪傳遞給主軸及葉輪。在實際運行中存在以下問題：傳動裝置外部尺寸大，當電機升檔后，電機裝置容易與橫梁及踏板干涉;三角皮帶易打滑、丟轉(zhuǎn)，傳動比不準確，不利于對葉輪轉(zhuǎn)速的精確控制;皮帶易老化，故障率高，效率較低，需要較大的啟動和運行電流。

2 回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的分析和選型

回轉(zhuǎn)支承是一種滾珠或滾柱式支撐回轉(zhuǎn)裝置，采用齒輪傳動，一般適用于轉(zhuǎn)速較低的傳動結(jié)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)支承是在普通滾動軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，結(jié)構(gòu)上相當于放大了的滾動軸承，因而又被稱為“大型（或特大型）滾動軸承”。但是，其具有不同于常見軸承的特性：能同時承受較大的軸向力、徑向力和傾覆力矩，由于轉(zhuǎn)速低，因而滾道上接觸點的載荷循環(huán)次數(shù)少。而作為最為廣泛的傳動形式之一的齒輪傳動，能保證瞬時傳動比恒定，平穩(wěn)性高，傳遞運動準確可靠;傳遞的功率和速度范圍較大;結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，可實現(xiàn)較大的傳動比;傳動效率高，使用壽命長。這些優(yōu)勢可以有效彌補皮帶傳動的不足。

考慮到浮選機的傳動軸應同時具有吸入空氣作為風道和傳動的功能，本文提出采用齒輪與軸承融為一體的回轉(zhuǎn)支承作為浮選機傳動結(jié)構(gòu)的一部分，在實現(xiàn)齒輪傳動的同時減少軸承的使用，使傳動結(jié)構(gòu)更加緊湊。

采用回轉(zhuǎn)支承的浮選機傳動結(jié)構(gòu)主要有電動機、小齒輪、回轉(zhuǎn)支承和回轉(zhuǎn)機構(gòu)等。空心軸與回轉(zhuǎn)機構(gòu)用螺栓連接，回轉(zhuǎn)支承的外座圈與回轉(zhuǎn)機構(gòu)用螺栓連接，內(nèi)座圈與減速箱體用螺栓連接，內(nèi)外座圈之間設(shè)有滾動體。主軸產(chǎn)生的垂直載荷、水平載荷和傾覆力矩通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)、回轉(zhuǎn)支承的外座圈、滾動體、內(nèi)座圈傳給減速箱體。小齒輪與回轉(zhuǎn)支承外圈的大齒輪相嚙合，電機軸輸出的轉(zhuǎn)矩通過小齒輪傳遞給大齒輪，然后通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)傳遞給空心主軸。采用回轉(zhuǎn)支承的浮選機傳動結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 回轉(zhuǎn)支承的分類

按滾動體形狀排列方式，回轉(zhuǎn)支撐裝置可分為以下四種結(jié)構(gòu)[3]。

①單排四點接觸球式。該結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，由2個座圈組成，為圓球形滾動體和圓弧形曲面滾道，滾道端面半徑R與滾珠直徑d間的關(guān)系一般為R=0.52d。滾道端面的中心偏向滾珠的中心，與滾珠內(nèi)切于4點，作用力與水平的夾角即接觸角[α]一般為45°，可以同時承受不同方向的軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩。座圈可分為剖分式和整體式兩種。其中，整體式座圈具有成本低和剛度大的優(yōu)點。為了便于將滾珠安裝入滾道，座圈上開有徑向的裝填孔，待滾珠全部裝入后用擋銷塞住。

②單排交叉滾柱式。該結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示，由2個座圈組成，為圓柱形或圓錐形滾動體，相鄰滾動體之間的軸線交叉排列，平面滾道，接觸角與單排四點接觸球式一樣，一般也為45°，同樣可以傳遞不同方向的軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩。這種回轉(zhuǎn)支承裝置承載力更大，但制造精度高且裝配間隙小，故其安裝精度要求較高。

③雙排異徑球式。該結(jié)構(gòu)如圖3（c）所示，有3個座圈，采用開式裝配，上下兩排布置滾珠。上排滾珠要比下排滾珠大，這主要是因為上排滾珠載荷大，下排滾珠載荷小。接觸角[α]可自由移動90°，使得其能承受較大的軸向載荷和傾覆力矩。

④三排滾柱式。該結(jié)構(gòu)如圖3（d）所示，與雙排異徑球式類似，有3個座圈，有上下滾道和徑向滾道，且各自分開。上下兩排滾珠呈水平平行排列，同時承受軸向載荷和轉(zhuǎn)矩。徑向的滾珠垂直于上下第一排和第二排滾珠，主要用來傳遞徑向載荷。此種形式是這四種形式中承載能力最大的，主要用于載荷大、直徑較大的大型回轉(zhuǎn)機構(gòu)。

綜上所述，單排四點接觸球式、雙排異徑球式和單排交叉滾柱式是目前應用最廣泛的三種回轉(zhuǎn)支承形式。

2.2 回轉(zhuǎn)支承的選型計算

技術(shù)性能指標[aG]：

[aG=M/G] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

經(jīng)濟性能指標[aE]：

[aE=S/M] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[M]是回轉(zhuǎn)支承允許承受的最大傾覆力矩;G是回轉(zhuǎn)支承自重;S是回轉(zhuǎn)支承的制造價格。綜合考慮技術(shù)性能指標和經(jīng)濟性能指標并進行比較，可選擇單排四點接觸球式回轉(zhuǎn)支承[4]。在上述的三種常用形式的回轉(zhuǎn)支承中，單排四點接觸球式可同時承受載荷，靜容量大大超過其他形式。

2.2.1 按靜態(tài)工況選型。以KYF-130型浮選機作為研究對象，回轉(zhuǎn)支承所承受的最大靜態(tài)載荷如表1所示。

回轉(zhuǎn)支承當量中心軸向力為：

[F′a=1.225Fa+2.676Frfs=96.16kN] ? ? ? ? ? ?（3）

回轉(zhuǎn)支承當量傾翻力矩：

[M′=1.225Mfs=14.21kN·m] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，[fs]為回轉(zhuǎn)支承靜態(tài)工況下的安全系數(shù)，根據(jù)單排四點接觸球式回轉(zhuǎn)支承在浮選工況下的系數(shù)值，取[fs]=1.45。

根據(jù)上述計算結(jié)果，初步選擇型號為011.30.630的外齒式單排四點接觸球回轉(zhuǎn)支承。

2.2.2 回轉(zhuǎn)支承壽命校核。按動態(tài)工況進行校核的公式為：

[F′a=1.225Fa+2.676Frfd] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

[M′=1.225Mfd] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中：[fd]為回轉(zhuǎn)支承動態(tài)工況下的安全系數(shù)，根據(jù)單排四點接觸球式回轉(zhuǎn)支承在浮選工況下的系數(shù)值，取[fd]=2.05。

用以上計算得到的[F′a]和[M′]值在所選回轉(zhuǎn)支承的承載能力曲線圖中找點，當該點位于承載能力曲線以下時，說明該回轉(zhuǎn)支承滿足要求。型號011.30.630回轉(zhuǎn)支承的承載能力曲線如圖4所示，可以得出回轉(zhuǎn)支承滿足其承載能力要求。

軸承基本額定壽命計算公式：

[Lh=10660·nCPs=54 155h] ? ? ? ? （7）

式中：[C]表示基本額定動載荷計算值（N）;[P]表示當量動載荷（N）;s表示壽命因數(shù)。

在工作轉(zhuǎn)速112r/min下，軸承的計算壽命相當于54 155h，即在正常工況下連續(xù)運轉(zhuǎn)6年以上，與皮帶傳動相比能減少備件的更換頻率，降低了現(xiàn)場檢修成本。

3 齒輪副的強度校核

浮選機傳動系統(tǒng)采用回轉(zhuǎn)支承裝置，以齒輪傳動作為其傳動方式，為保證齒輪傳動的可靠性，要對齒輪的疲勞強度進行校核[5]。

根據(jù)回轉(zhuǎn)支承選型，初步確定齒輪副參數(shù)：傳遞的額定功率P=160kW;小齒輪齒數(shù)[Z1]=28，齒厚[b1]=80mm，齒輪材料20CrMnMo，滲碳，淬火硬度54～58HRC，齒輪精度等級7級;大齒輪齒數(shù)[Z2]=126，齒厚[b2]=60mm，齒輪材料42CrMo，調(diào)質(zhì)，硬度55～60HRC，齒輪精度等級8級;模數(shù)m=6，螺旋角[β]=0，中心距a=480mm。

3.1 齒面接觸強度核算

輪齒工作時，其工作表面的接觸應力不斷地從零到最大值進行著往復循環(huán)變化，在過高的接觸應力的多次重復作用下，容易產(chǎn)生點蝕的危險，因此需要對齒面接觸強度進行校核[6]。

在嚙合瞬間，大、小齒輪的接觸應力總是相等的。齒面最大接觸應力一般出現(xiàn)在齒輪單對齒嚙合區(qū)的某一節(jié)點處，基于節(jié)點區(qū)域系數(shù)可計算得出該節(jié)點處接觸應力的基本值：

[σH0=ZHZEZεZβFtdbu+1u] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

式中：[ZH]表示節(jié)點區(qū)域系數(shù);[ZE]表示彈性系數(shù)（[N/mm2]）;[Zε]表示重合度系數(shù);[Zβ]表示螺旋角系數(shù);[Ft]表示端面內(nèi)分度圓上的名義切向力;[d]表示分度圓直徑（mm）;[b]表示齒輪副中較小齒厚（mm）;[u]表示齒數(shù)比。其中[Ft]可由功率、轉(zhuǎn)速和分度圓直徑得出：

[Ft=2 000Td=2 0009 549Pnd] ? ? ? ? ? （9）

再將[σH0]代入得出計算接觸應力：

[σH=ZBσH0KAKVKHβKHα] ? ? ? ? ?（10）

式中：[ZB]表示齒輪單對齒嚙合系數(shù);[σH0]表示點處計算接觸應力的基本值（N/mm2）;[KA]表示使用系數(shù);[KV]表示動載系數(shù);[KHβ]表示表示齒向載荷分布系數(shù);[KHα]表示齒間載荷分配系數(shù)。

接觸極限應力：

[σHG=σHlimZNTZLZVZRZWZX] ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

式中：[σHlim]表示接觸疲勞極限（N/mm2）;[ZNT]表示壽命系數(shù);[ZL]表示潤滑劑系數(shù);[ZV]表示速度系數(shù);[ZR]表示粗糙度系數(shù);[ZW]表示齒面工作硬化系數(shù);[ZX]表示尺寸系數(shù)。

以接觸極限應力和計算接觸應力的比值作為計算安全系數(shù)為：

[SH=σHGσH=1.87] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

上述計算結(jié)果大于高可靠度時最小安全系數(shù)[SHmin=1.50～1.60]，滿足高可靠度要求。

3.2 輪齒彎曲強度核算

輪齒單側(cè)工作時，根部彎曲應力一側(cè)為拉伸，而另一側(cè)應為壓縮，輪齒脫離嚙合后，彎曲應力為零，齒輪在不停地嚙合和脫離嚙合的狀態(tài)，載荷反復作用，當彎曲應力超過彎曲持久極限時，齒根部分易產(chǎn)生疲勞折斷，因此需要對輪齒彎曲強度進行校核。

以載荷作用側(cè)的齒廓根部的最大拉應力作為名義彎曲應力，可通過計算得出齒根應力的基本值：

[σF0=FtbmnYFαYSαYεYβ] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

式中：b表示工作齒厚（mm）;[mn]表示法向模數(shù)（mm）;[YFα]表示載荷作用于齒頂時的齒形系數(shù);[YSα]表示載荷作用于齒頂時的應力修正系數(shù);[Yε]表示重合度系數(shù);[Yβ]表示螺旋角系數(shù)。

再將[σF0]代入得出計算齒根應力：

[σF=σF0KAKVKFβKFα] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （14）

式中：[KA]表示使用系數(shù);[KV]表示動載系數(shù);[KFβ]表示齒向載荷分布系數(shù);[KFα]表示齒間載荷分配系數(shù)。

將彎曲疲勞極限應力作為許用齒根應力：

[σFG=σFlimYSTYNTYδrelTYRrelTYX] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（15）

式中：[σFlim]表示齒根彎曲疲勞極限（N/mm2）;[YST]表示應力修正系數(shù);[YNT]表示壽命系數(shù);[YδrelT]表示相對齒根圓角敏感系數(shù);[YRrelT]表示相對齒根表面狀況系數(shù);[YX]表示尺寸系數(shù)。

以許用齒根應力和計算齒根應力的比值作為計算安全系數(shù)為：

[SF=σFGσF=5.61] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（16）

計算結(jié)果大于高可靠度時最小安全系數(shù)[SFmin=2.00]，滿足高可靠度要求。

4 本文設(shè)計的優(yōu)勢

①回轉(zhuǎn)支承是融軸承和齒輪為一體的傳動結(jié)構(gòu)，軸承外座圈既是軸承體又是齒輪，所以結(jié)構(gòu)緊湊簡單、體積較小且質(zhì)量較輕?；剞D(zhuǎn)支承一般由軸承制造廠家進行系列化生產(chǎn)，且生產(chǎn)周期短，價格便宜且質(zhì)量優(yōu)良。

②采用回轉(zhuǎn)支承的浮選機改變了傳統(tǒng)的皮帶傳動浮選機的設(shè)計思路，使傳動裝置結(jié)構(gòu)簡化、零件數(shù)量減少、承載能力大，其結(jié)構(gòu)尤其適合用在大型浮選機上。

③采用回轉(zhuǎn)支承的浮選機是傳統(tǒng)皮帶傳動式浮選機的較好的替代品之一。其能克服傳統(tǒng)皮帶傳動的缺點，減少了因皮帶打滑、磨損致使系統(tǒng)傳動效率降低的現(xiàn)象，不僅省去了更換損耗皮帶的次數(shù)及數(shù)量，而且降低了現(xiàn)場工作人員的勞動強度和安全性;同時，也能避免由于電機升檔造成橫梁尺寸的改變，降低加工錯誤的概率。

④采用回轉(zhuǎn)支承的浮選機功率損失較小，可較好地傳輸動力，發(fā)揮齒輪傳動效率高、平穩(wěn)性高、壽命長等優(yōu)點。對長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的浮選機設(shè)備而言，更具有經(jīng)濟性意義。

參考文獻：

[1]沈政昌.浮選機理論與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[2]郭柄霖，楊潤全，王懷法.葉輪轉(zhuǎn)速與通氣量對寬粒級煤泥浮選影響的研究[J].中國煤炭，2015（5）：99-104.

[3]徐州豐禾回轉(zhuǎn)支承制造有限公司.回轉(zhuǎn)支承產(chǎn)品樣本[Z].徐州：徐州豐禾回轉(zhuǎn)支承制造有限公司，2012.

[4]汪永強，方慶.液壓挖掘機回轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn)支承選型計算及設(shè)計[J].煤礦機械，2006：（11）：4-6.

[5]成大先.機械設(shè)計手冊：第3卷[M].5版.北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[6]胡愛萍，劉善淑，陳權(quán).標準直齒圓柱齒輪傳動接觸強度計算的研究[J].機械設(shè)計，2008（11）：45-48.