噴漿機(jī)輥射裝置發(fā)熱研究及改進(jìn)措施

師忠耀，孫山

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

立式輥射式噴漿機(jī)用于立式作業(yè)生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressed concrete cylinder pipe，簡(jiǎn)稱(chēng)PCCP)，是大型引水、輸水工程建設(shè)用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。當(dāng)制作的混凝土管芯外纏繞高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲后，噴漿機(jī)對(duì)管壁外表噴涂混凝土砂漿，形成鋼絲保護(hù)層，完成制作PCCP 管的一道主要工序。

輥射裝置是噴漿機(jī)最為核心組件，其主要由門(mén)框、左門(mén)、右門(mén)、左右兩組噴射輥輪組成。左、右噴射輥輪分別由各自電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器（或直連方式）帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，兩組輥輪轉(zhuǎn)向相反，將砂漿強(qiáng)力擠壓沿輥輪切線方向高速?lài)娚渲链龂姽苄颈砻嬲辰Y(jié)，從而形成砂漿保護(hù)層。

每組噴射輥輪立式放置，通過(guò)軸承座、旋轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器（或直接）與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，軸承座內(nèi)上、下各布置一只滾動(dòng)軸承作為支承。從設(shè)備運(yùn)行回饋情況看，此處上下兩只軸承特別容易發(fā)熱，軸承長(zhǎng)時(shí)間在高溫下運(yùn)行，容易燒毀，從而影響正常作業(yè)。解決此處的軸承過(guò)熱問(wèn)題，對(duì)于保障設(shè)備正常運(yùn)行、提高設(shè)備的使用壽命很有必要。

1 引起輥射裝置軸承溫升因數(shù)分析研究

分析輥射裝置軸承溫度升高，主要是由于在單位時(shí)間內(nèi)摩擦力做功產(chǎn)生發(fā)熱量大于軸承座釋放熱量，即軸承摩擦發(fā)熱功率大于軸承座的導(dǎo)熱速率。隨著軸承溫度升高，軸承座導(dǎo)熱速率增加，當(dāng)軸承座散熱速率與摩擦功率處于平衡點(diǎn)時(shí)，軸承溫度將不再升高。若此平衡點(diǎn)處，軸承溫度在許用范圍內(nèi)，則可正常使用；若超出，則會(huì)使軸承過(guò)熱燒毀，對(duì)此分析研究軸承發(fā)熱和軸承座散熱能力各影響因素很有必要。

從能量轉(zhuǎn)化守恒定律來(lái)分析摩擦力做功轉(zhuǎn)化熱能，發(fā)熱量W 對(duì)時(shí)間t 求導(dǎo)數(shù)得出發(fā)熱速率Q發(fā)熱即為摩擦力功率P，表示軸承發(fā)熱能力程度。

式中，M 為軸承摩擦力矩，N·mm；f 為摩擦力，N；d為軸承內(nèi)徑，mm；n 為輥射輪轉(zhuǎn)速，r/min。

對(duì)于同時(shí)能承受軸向和徑向載荷的軸承，發(fā)熱功率為徑向摩擦力fa=Faμa與軸向摩擦力fr=Frμr的產(chǎn)生發(fā)熱功率之和。

1.1 載荷F 對(duì)發(fā)熱的影響

由式(1)中可以得出，軸承發(fā)熱功率與摩擦力成正比，

其中摩檫力f=μF

式中，μ 為軸承摩擦因素；F 為軸承所受徑向力Fr和軸向力Fa的合力，即

軸承作高速運(yùn)動(dòng)，由于軸承精度選擇不高、上下兩軸承孔加工時(shí)不同心以及軸承裝配方法不適當(dāng)?shù)染鶗?huì)引起振動(dòng)與沖擊，公式（2）中軸承計(jì)算載荷F 時(shí)應(yīng)乘上一個(gè)沖擊載荷系數(shù)fd。

軸承滾珠或滾子在滾道中應(yīng)保持恰當(dāng)?shù)挠蜗叮@是保證軸承輕松自如旋轉(zhuǎn)的前提，制作精良的軸承其彈性變形較小，游隙均勻且控制較好，運(yùn)行時(shí)受振動(dòng)的影響也小，軸承的發(fā)熱自然就小。當(dāng)軸承套內(nèi)或外圈受到擠壓時(shí)，如游隙變小明顯，會(huì)使軸承滾動(dòng)體與套圈產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，從而會(huì)增加軸承摩擦發(fā)熱。

機(jī)械加工過(guò)程中造成軸承發(fā)熱的原因，主要為軸承座上下兩端的軸承孔（即軸承安裝位）不是一刀加工而成或加工過(guò)程中存在偏差，導(dǎo)致兩軸承孔不同心，從而造成軸承內(nèi)外圈不平行或兩端軸承不同心等現(xiàn)象而引起額外磨損發(fā)熱；另外，為求加工便利，通常軸承裝配設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)考慮設(shè)置軸承套，軸承套加工與裝配過(guò)程中同樣存在產(chǎn)生上述偏差的問(wèn)題，同時(shí)，軸承裝入軸承套，又多一道徑向配合的尺寸鏈誤差。因此，對(duì)于保證同軸度來(lái)說(shuō)，取消軸承套，將軸承直接裝入軸承座中更為合適。

軸承的裝配也是一個(gè)重要影響環(huán)節(jié)，裝配軸承時(shí)最好用熱套法，用銅棒或通過(guò)銅套筒敲擊軸承的內(nèi)或外圈，實(shí)現(xiàn)輕松裝入為宜；要嚴(yán)格避免用榔頭直接敲擊軸承內(nèi)外圈，敲擊可使軸承滾道表面凹凸不平，改變滾道表面的粗造度，增大摩擦系數(shù)，增加摩擦力和發(fā)熱量。

1.2 軸承潤(rùn)滑油摩擦因素μ 影響

由軸承潤(rùn)滑而引起的軸承發(fā)熱問(wèn)題，主要有下列方面的原因。

（1）軸承裝配涂潤(rùn)滑脂時(shí)，沒(méi)有把潤(rùn)滑脂擠嵌進(jìn)軸承的滾道內(nèi)或潤(rùn)滑脂量太少。擠進(jìn)去的潤(rùn)滑脂是軸承工作時(shí)生成油膜的來(lái)源，裝配涂潤(rùn)滑脂時(shí)，要將潤(rùn)滑脂擠進(jìn)滾道內(nèi)，不能只涂滿軸承兩側(cè)。

（2）加注油脂量不合適。試驗(yàn)反映，油脂量過(guò)多或過(guò)少皆不合適。太多會(huì)導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)阻力增大，太少則對(duì)軸承起不到潤(rùn)滑作用，兩者均會(huì)引起軸承發(fā)熱。

（3）潤(rùn)滑脂沒(méi)有保持清潔干凈，變質(zhì)或混入雜質(zhì)等情況。即使不小心混進(jìn)了一顆很小很小的砂粒，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸承內(nèi)圈上每隔一滾子圓周周期都可能因擠壓產(chǎn)生凹槽痕跡，這會(huì)使?jié)L道的摩擦力增大，導(dǎo)致發(fā)熱量增加，長(zhǎng)時(shí)間的高速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)影響軸承使用壽命。

1.3 轉(zhuǎn)速n 和軸承尺寸d 對(duì)軸承發(fā)熱影響

由軸承發(fā)熱功率式(1)中可以看出軸承發(fā)熱速率與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n 和軸承d 成正比，轉(zhuǎn)速和軸承越大軸承越容易發(fā)熱，反之亦然。

2 軸承座散熱能力因素分析

由法國(guó)數(shù)學(xué)家Fourier 總結(jié)的導(dǎo)熱定律，導(dǎo)熱速率與散熱面積成正比，與距離成反比。

傅里葉導(dǎo)熱速率的基本公式為:

如圖1 所示，本輥射裝置設(shè)備中軸承座為單層圓筒壁，其特點(diǎn)是溫度只沿著半徑方向發(fā)生變化(也是一維熱傳導(dǎo))，導(dǎo)熱面積是半徑的函數(shù)，等溫面為同心圓柱面。此類(lèi)型導(dǎo)熱速率公式由Fourier 導(dǎo)熱定律推導(dǎo)出的公式為：

式中，Q 代表為導(dǎo)熱速率，也就是熱傳導(dǎo)的快慢，W；L為圓筒壁長(zhǎng)度，m；r2為圓筒壁外半徑，m；r1為圓筒壁內(nèi)半徑，即軸承的外圈半徑，m；λ 為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱傳導(dǎo)系數(shù)類(lèi)似比熱，但是，又與比熱有一些差別，熱傳導(dǎo)系數(shù)與比熱成反比，熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，其比熱的數(shù)值也就越低，此系數(shù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得或手冊(cè)查得，W.m-1.k-1；A 為代表傳熱的面積(或是兩物體的接觸面積)，m2；ΔT 為軸承的溫升，ΔT=t2-t1，oc；ΔL 為則是兩端的距離m。

公式(3)我們可以發(fā)現(xiàn)，熱傳遞系數(shù)越高、熱傳遞面積越大，傳輸?shù)木嚯x越短，那么，熱傳導(dǎo)的速率就越高，也就越容易帶走熱量從而減小溫升。

圖1 單層圓壁熱傳導(dǎo)示意圖

3 輥射裝置軸承溫度平衡

軸承發(fā)熱功率與軸承座導(dǎo)熱速率散熱達(dá)到平衡后，溫度將不再升高，此時(shí)，溫升由軸承座導(dǎo)熱速率公式（3）和軸承發(fā)熱功率公式（1），建立溫升公式得：

為降低輥射裝置軸承的溫升，可以從減少軸承發(fā)熱功率和增大軸承座的導(dǎo)熱速率兩方面來(lái)考慮；從上述溫升公式（4）中可以看出，從潤(rùn)滑(μ)、合理選擇軸承(F、d、r1)降低摩擦力值、降低轉(zhuǎn)速(n)、設(shè)計(jì)軸座外形(r2、L)、軸承座選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)(λ)較大的材料等方面可以降低軸承的溫升。

4 應(yīng)用及改進(jìn)措施

在某地LGS140-400 立式輥射式噴漿機(jī)，在實(shí)際的工作中出現(xiàn)了溫升超過(guò)40℃，軸承座表面溫度達(dá)到72℃以上，導(dǎo)致輥射噴漿機(jī)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作。

工況情況：輥射裝置有兩組輥射輪，兩組轉(zhuǎn)速為電機(jī)轉(zhuǎn)速，大小相等，方向相反，我們?nèi)〕鲆唤M進(jìn)行分析，外載荷F=2800N，G=2000N，l1=680mm，l2=750mm。

4.1 改進(jìn)軸承支承形式

圖2 改進(jìn)前

圖3 改進(jìn)后

圖2 為改進(jìn)前的采用的軸承組合形式，上軸承為圓錐滾子軸承型號(hào)：32319，查得Y=1.7。下軸承為調(diào)心滾子軸承型號(hào)：22318TN1/W33。

如圖所示，輥射輪處承受一擠壓力F，上軸承為圓錐滾子軸承，上軸承由F 引起的徑向力Fr1，并派生出附加力S1，S1=Fr1/(2Y)=0.75kN；下軸承為調(diào)心滾子軸承，徑向力Fa2，沒(méi)有派生附加力；

因S1＜G，所以上軸承緊，下軸承松，F(xiàn)a2=S2=0。

簡(jiǎn)要計(jì)算如下：

圖3 為改進(jìn)后的軸承組合形式，上軸承為對(duì)背對(duì)背安裝角接觸軸承型號(hào)：7318B/DB，下軸承為圓柱滾子軸承型號(hào)：NU2317。

上軸承兩單角接觸軸承由F 引起的徑向力分別為Fr1.1和Fr1.2，大小為Fr1一半，并各派生出大小相等附加力S1.1和S1.2，由于自重G 的作用，故上軸承中上角接觸軸承緊，下角接觸軸承松；下軸承為圓柱滾子軸承，徑向力Fr2，沒(méi)有派生附加力。

上軸承和下軸承的徑向力、軸向力如下列公式計(jì)算:（G/Cor=0.012，可查得到e=0.38）

簡(jiǎn)要計(jì)算如下：

4.2 加注適量潤(rùn)滑脂，降低摩擦因數(shù)μ，減小溫升

若潤(rùn)滑脂少時(shí)，滾動(dòng)體表面沒(méi)有油膜，滾道表面條件差，摩擦因數(shù)μ 就高；加入的潤(rùn)滑脂過(guò)多，油脂內(nèi)部黏阻力的存在導(dǎo)致摩擦因數(shù)μ 也變會(huì)高。潤(rùn)滑脂需擠嵌進(jìn)軸承的滾道內(nèi)，試驗(yàn)證明，以加注到軸承室的2/3 左右為佳。另外潤(rùn)滑脂一定要保持清潔干凈，不得變質(zhì)或混入雜質(zhì)，軸承加注潤(rùn)滑脂前，要檢查油脂是否清潔，清除軸承里面灰塵、顆粒等異物。

4.3 減小軸承所受摩擦力f 措施

軸承內(nèi)部摩擦力大小不僅僅與軸承所受載荷相關(guān)，還與摩擦因素有關(guān)，表1 為輥射裝置改進(jìn)前后所用的軸承類(lèi)型及其摩擦因數(shù)。

表1 部分軸承摩擦因數(shù)μ

如表1 所示，選擇角接觸球軸承或圓柱滾子軸承比圓錐滾子軸承的摩擦因數(shù)要小，故在軸承承載力滿足的條件下，優(yōu)先選擇角接觸球軸承或圓柱滾子軸承。

比較改進(jìn)前圖2 軸承所受載荷和改進(jìn)后圖3 軸承所受載荷計(jì)算結(jié)果，結(jié)合表1 摩擦力系數(shù)μ，計(jì)算前后摩擦力結(jié)果如表2。

表2 圖1 和 圖2 摩擦力值f /N

表2 表明選擇圖3 軸承組合形式，上、下軸承摩擦力都比圖1 原先要小，摩擦發(fā)熱量就比原先的要少，溫升也就比原先小。

4.4 減少振動(dòng)，減少?zèng)_擊系數(shù)fd

輥射輪工作時(shí)對(duì)軸承存在一定的沖擊載荷，考慮外載荷F 時(shí)應(yīng)乘以沖擊系數(shù)fd，（參考表3 確定）。

表3 沖擊載荷系數(shù)fd

選取優(yōu)質(zhì)軸承；確保加工精度，嚴(yán)格保證軸承座上下孔同軸度；采用合理裝配工藝，保證裝配精度等措施均可減小對(duì)軸承的沖擊，減少振動(dòng)。如表3 所示若工況從中等沖擊降到輕微沖擊，以中間系數(shù)考慮，可減少發(fā)熱量(1.5-1.1)/1.5=26.7%，從而可有效降低軸承溫升。

4.5 合理設(shè)計(jì)軸承座

分析式(4)，加大軸承座的外徑(r2)和增大長(zhǎng)度（L），可增大散熱面積；且增大長(zhǎng)度L，同時(shí)，將增大兩軸承支承距離l2，從而可減小兩軸承的徑向、軸向載荷。通過(guò)以上優(yōu)化，可以減小摩擦力和軸承發(fā)熱量，有利于進(jìn)一步降低軸承溫升。

4.6 軸承座材料選擇

軸承座采用材料熱傳導(dǎo)系數(shù)大的碳素鋼焊接件以取代鑄鐵件，有利于熱傳導(dǎo)，加速熱量散發(fā)。兩材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)如表4 所示。

表4 部分材料的熱導(dǎo)系數(shù)λ/w.m-1.k-1

5 結(jié)語(yǔ)

輥射裝置作為輥射噴漿機(jī)重要部件，且需要高速高負(fù)荷運(yùn)作，其內(nèi)部軸承溫升過(guò)高，會(huì)嚴(yán)重影響軸承使用壽命及設(shè)備的正常運(yùn)行。解決軸承溫升過(guò)高，可以從減少軸承發(fā)熱功率和增大軸承座的散熱速率兩方面來(lái)考慮。

本文論述了為解決噴漿機(jī)輥射裝置中軸承溫升的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化支承形式、保證軸孔加工與軸承裝配精度、選用類(lèi)型合適優(yōu)質(zhì)軸承、加注潔凈及適量潤(rùn)滑脂、增加軸承支承距離和選擇導(dǎo)熱率相對(duì)較好的碳素鋼為軸承座材料等方面措施，有效降低軸承內(nèi)部摩擦力、減小對(duì)軸承的沖擊。上述措施，在實(shí)際設(shè)備的改進(jìn)應(yīng)用中，成功解決了輥射裝置內(nèi)置軸承溫升過(guò)高的問(wèn)題，希望給類(lèi)似的裝置設(shè)計(jì)和技術(shù)改進(jìn)提供一些經(jīng)驗(yàn)和借鑒。