球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)軸軸向力測(cè)試與分析

董曉明，康清華，熊 健，張豐松

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

3國(guó)家礦山機(jī)械質(zhì)量檢測(cè)檢驗(yàn)中心 河南洛陽(yáng) 471039

球磨機(jī)作為將固體物料細(xì)化制粉的關(guān)鍵設(shè)備，在水泥、電力、冶金、化工、建筑、金屬礦及非金屬礦選礦廠以及國(guó)防工業(yè)等多個(gè)行業(yè)有廣泛應(yīng)用，尤其在當(dāng)前選礦產(chǎn)業(yè)中，球磨機(jī)占據(jù)著十分重要的地位。

軸向力是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要工作參數(shù)，是影響其使用壽命的重要因素之一。過大的軸向力會(huì)加速軸承的損耗，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，噪聲變大，整體負(fù)載加重，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成燒瓦、斷軸、密封隔板的損壞等故障，給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸向力，獲取其受力狀態(tài)具有十分重要的意義。當(dāng)前軸向力測(cè)量多數(shù)采用的是推力軸承、傳力環(huán)、應(yīng)變電測(cè)法等測(cè)量手段，取得了一定的成果[1-2]。

某礦山球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)軸軸承內(nèi)腔剝落、滾珠異常磨損，使用壽命短。軸承一旦損壞需連同驅(qū)動(dòng)軸一起返廠維修，不僅運(yùn)輸費(fèi)用高，而且維修時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，給用戶造成了較大經(jīng)濟(jì)損失。球磨機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，條件惡劣，驅(qū)動(dòng)軸可供安裝傳感器空間狹窄。無(wú)線應(yīng)變電測(cè)法采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸可靠，解決了在球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上引出信號(hào)線困難的問題。采用電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)確度高，占用空間小，同時(shí)還具有安裝、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于球磨機(jī)現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣工況測(cè)試[3]。因此采用無(wú)線應(yīng)變電測(cè)法對(duì)礦山球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)軸軸向力進(jìn)行測(cè)試。

1 軸向力的測(cè)試

1.1 測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)采用北京必創(chuàng)無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)主要由傳感器 (電阻應(yīng)變片)、SG401 無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)、無(wú)線接收網(wǎng)關(guān)、計(jì)算機(jī) 4 部分組成。該無(wú)線應(yīng)變采集系統(tǒng)基于 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。無(wú)線系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別各應(yīng)變節(jié)點(diǎn)，自主組網(wǎng)，無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間通過天線進(jìn)行通信。無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)由電源模塊、采集處理模塊、無(wú)線收發(fā)模塊組成，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，可固定在驅(qū)動(dòng)軸上隨驅(qū)動(dòng)軸一起旋轉(zhuǎn)。無(wú)線接收網(wǎng)關(guān)通過 U SB 連接線與計(jì)算機(jī)相連，并由計(jì)算機(jī) USB 供電。通過計(jì)算機(jī)上的 BeeData采集軟件發(fā)送相關(guān)測(cè)試指令，接收和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，完成整個(gè)測(cè)試過程。

1.2 驅(qū)動(dòng)軸軸向力測(cè)試原理

無(wú)線應(yīng)變電測(cè)法是將電阻應(yīng)變片粘貼在被測(cè)構(gòu)件表面，按照正確方式接入測(cè)量電路。當(dāng)構(gòu)件變形時(shí)，電阻應(yīng)變片的電阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，然后通過應(yīng)變儀將電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，再換算成應(yīng)變值，從而得到被測(cè)構(gòu)件表面的應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系確定被測(cè)構(gòu)件表面的應(yīng)力狀態(tài)。在測(cè)量時(shí)，可根據(jù)不同測(cè)試參數(shù) (如軸向力、彎矩等) 組成相應(yīng)半橋或全橋電橋，并利用電橋的特性提高應(yīng)變讀數(shù)的數(shù)值[4]，然后通過無(wú)線傳輸模式接收和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)軸在實(shí)際工作條件下受載模式并非是單一的，而是受彎矩、轉(zhuǎn)矩、軸向力等載荷共同作用。本次測(cè)試采用無(wú)線應(yīng)變電測(cè)法測(cè)試驅(qū)動(dòng)軸工作過程的實(shí)時(shí)軸向力。為了準(zhǔn)確地測(cè)量驅(qū)動(dòng)軸的軸向力，選擇在驅(qū)動(dòng)軸的合適位置按圖 1、2 所示的全橋法連接應(yīng)變片 (R1，R2，R3，R4)。這樣可以消除彎矩和轉(zhuǎn)矩的影響，只測(cè)量其受到的軸向力。同時(shí)，采用全橋法組成的電路還可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?，提高電路輸出的?zhǔn)確度[5]。

圖1 應(yīng)變片位置示意Fig.1 Sketch of location of strain gauges

圖2 應(yīng)變測(cè)量橋路原理Fig.2 Principle of strain test bridge circuit

若以εF、εM、εn、εt分別代表軸向拉力、彎矩、轉(zhuǎn)矩在被測(cè)點(diǎn)引起的應(yīng)變和溫度引起的應(yīng)變。而ε2、ε4中由拉力引起的軸向應(yīng)變′=-μεF(μ為桿件材料泊松比) 則各應(yīng)變片的應(yīng)變分別為

式中：ε1、ε2、ε3、ε4分別為應(yīng)變片 R1、R2、R3、R4的應(yīng)變；μ為泊松比，μ=0.26。

軸向力引起的應(yīng)變

式中：E為彈性模量，P a；σ為應(yīng)力，Pa；S為測(cè)點(diǎn)位置軸的截面積，m2；r為軸半徑，m；F為最終軸向力，N。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)軸處結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。當(dāng)球磨機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸中部斜齒輪驅(qū)動(dòng)球磨機(jī)大齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)軸自由端允許一定的軸向間隙，釋放軸向力，改善驅(qū)動(dòng)軸受力狀態(tài)。分別在球磨機(jī)的電動(dòng)機(jī)側(cè)和慢驅(qū)側(cè)按圖 1、2 所示粘貼應(yīng)變片，連接信號(hào)線。測(cè)試以球磨機(jī)靜止不動(dòng)，電動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)、氣動(dòng)離合器分離狀態(tài)下電路調(diào)零。測(cè)試球磨機(jī)從啟動(dòng)到平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的動(dòng)態(tài)軸向力。

圖3 球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural sketch of driving shaft of ball mill

該球磨機(jī)型號(hào)為φ7.6 m×11.4 m球磨機(jī)。驅(qū)動(dòng)軸的貼片處直徑為 490 mm，驅(qū)動(dòng)軸材料為 17CrNiMo6，彈性模量E=2.1×1011P a，μ取 0.26，然后將測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)帶入式 (9)，從而得出球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的軸向力。其結(jié)果曲線如圖 4 所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)軸軸向力變化曲線Fig.4 Variation curve of axial force of driving shaft

由圖 4 可以看出：球磨機(jī)在啟動(dòng)過程中受到的軸向力較大，之后平穩(wěn)運(yùn)行階段軸向力呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)；其中電動(dòng)機(jī)側(cè)軸向力變化區(qū)間為 -656.4～ 47.4 kN，慢驅(qū)側(cè)軸向力變化區(qū)間為 -262.2～281.5 kN；電動(dòng)機(jī)側(cè)的軸向力大于慢驅(qū)側(cè)的軸向力，電動(dòng)機(jī)側(cè)軸向力啟動(dòng)時(shí)約為平穩(wěn)運(yùn)行階段的 1.7 倍，平穩(wěn)運(yùn)行階段軸向力為 -50～400 kN，變幅約為 450 kN；慢驅(qū)側(cè)軸向力啟動(dòng)時(shí)約為平穩(wěn)運(yùn)行階段的 2.6 倍，平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)軸向力為 -120～200 kN，變幅約為 320 kN；該球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)軸軸向力理論計(jì)算值約為 160 kN，實(shí)測(cè)結(jié)果偏大。

測(cè)試結(jié)果表明軸向力過大可能是導(dǎo)致球磨機(jī)軸承內(nèi)腔剝落、滾珠異常磨損的原因之一。球磨機(jī)軸向力主要為驅(qū)動(dòng)軸中部傳動(dòng)斜齒輪的軸向分力，軸向力過大產(chǎn)生的原因?yàn)椋?/p>

(1) 傳動(dòng)齒輪技術(shù)問題，傳動(dòng)齒輪的螺旋角選用不當(dāng)，或齒輪的不均勻嚙合，對(duì)軸承造成嚴(yán)重的沖擊載荷，縮短軸承使用壽命；

(2) 自由端軸向間隙不合適，自由端軸承座的間隙是用來釋放固定端受到的軸向力，而不是使軸承因溫度變形或受力偏載而成為自由活動(dòng)的軸承；

(3) 地基不牢，底部螺栓松動(dòng)，軸承座振動(dòng)大；

(4) 球磨機(jī)長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行。

針對(duì)軸向力過大，軸承內(nèi)腔剝落、滾珠異常磨損，建議采取以下措施：

(1) 軸承可選擇能承受較大軸向力的軸承，如雙列調(diào)心滾子軸承；

(2) 在小齒輪找正的過程中，嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)要求，進(jìn)行離合器的找正；

(3) 加強(qiáng)軸承裝配過程的管理，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行裝配；

(4) 加固軸承座基礎(chǔ)，將軸承座下部二次灌漿層切除，并重新埋地腳螺栓，然后調(diào)整好設(shè)備，再擰緊地腳螺栓；

(5) 加強(qiáng)監(jiān)控潤(rùn)滑系統(tǒng)的溫度和軸承振動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)異常則立即檢查和維修；

(6) 避免超負(fù)荷運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

采用無(wú)線應(yīng)變電測(cè)法對(duì)某礦山球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)軸軸向力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，采用無(wú)線應(yīng)變電測(cè)法，可在球磨機(jī)惡劣工作環(huán)境下實(shí)時(shí)測(cè)量記錄驅(qū)動(dòng)軸軸向力的變化，對(duì)了解分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障分析有重要意義；球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)軸軸向力在啟動(dòng)過程中較大，之后平穩(wěn)運(yùn)行階段軸向力呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸電動(dòng)機(jī)側(cè)的軸向力大于慢驅(qū)側(cè)的軸向力；球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)軸軸向力過大，是造成軸承內(nèi)腔剝落、滾珠異常磨損的原因之一。