剖分式滾動軸承在提升機上的分析與應(yīng)用

游皓明，劉紅亮，李振國，龔宇同

（1.江西銅業(yè)股份有限公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204；2.香爐山鎢業(yè)有限責(zé)任公司，江西 修水 332400）

1 引言

江銅集團(tuán)武山銅礦選礦車間主井提升系統(tǒng)，2009年安裝投入使用上海冶金礦山機器廠生產(chǎn)的JKM-3.5×6(Z)型多繩摩擦式提升機。2018年8月檢查發(fā)現(xiàn)軸承座輕微振動，經(jīng)洛陽中信重工機械股份有限公司技術(shù)專家鑒定可以繼續(xù)使用。2020年底軸承座振動變大，為了確保提升安全運行，2021年2月對該提升機主軸裝置尾端軸承及主軸裝置電機端軸承進(jìn)行檢查、保養(yǎng)并將軸承外圈翻轉(zhuǎn)180°（檢查滾道、滾珠、保持架磨損情況，測量游隙，定、轉(zhuǎn)子氣隙測量、調(diào)整、試運轉(zhuǎn)等）。在檢查時發(fā)現(xiàn)軸承底部外圈滾道出現(xiàn)幾處滾道剝落，為確保提升安全，亟須對該軸承進(jìn)行更換。

然而，電機端軸承原型號若要更換，需要拆除大軸上的電機定子和轉(zhuǎn)子（打壓、解體、退出），施工時間長、難度大、風(fēng)險高，電機完好性無法得到有效保證。經(jīng)技術(shù)研究決定，將主軸裝置尾端軸承（23296CA）原型號更換，而將原電機端軸承（240/850CA）更換為剖分式軸承（240/850D-5/W33X）。基于這一思路，2021 年 9月，該礦成功地將整體滾動軸承改造為剖分式軸承，以最小的代價、最快的速度、最優(yōu)的方案解決了主軸承更換難題，不僅有效地避免了電機損壞風(fēng)險，而且有效地縮短了檢修時間，為生產(chǎn)贏得了時間。

2 可行性分析對比

2.1 施工步驟分析

方案一，更換安裝同型號整體軸承。主要施工步驟為：準(zhǔn)備工作→拆除電機定子→拆除電機轉(zhuǎn)子→頂起主軸裝置→拆除舊軸承→加熱新軸承→安裝新軸承→安裝電子轉(zhuǎn)子→安裝電機定子→調(diào)整電機氣隙→試機運行。

方案二，改造成剖分軸承。主要施工步驟為：準(zhǔn)備工作→平移電機定子→拆頂起主軸裝置→拆除舊軸承→安裝新軸承→平移電機定子→調(diào)整電機氣隙→試機運行。

2.2 技術(shù)性分析

方案一施工步驟多，難點是拆除電機定子和轉(zhuǎn)子、安裝電機轉(zhuǎn)子和定子。一是提升機經(jīng)過長期運行，電機轉(zhuǎn)子拆裝困難，檢修施工易造成主軸錐面及轉(zhuǎn)子內(nèi)孔損傷；二是需要準(zhǔn)備專用施工備件、工具和設(shè)備，施工技術(shù)難度大，不可控因素多，還存在電機轉(zhuǎn)子拆除不下來的風(fēng)險［某礦山JKM-3.25×4（Ⅲ）型提升機中間軸承損壞，2016年12月組織更換，由于電機轉(zhuǎn)子無法取出，軸承無法更換，檢修未能有效完成］；三是該礦主電機經(jīng)維修多次后，絕緣性能差，運行狀況不良，不宜對主電機進(jìn)行解體處理，若在拆裝的過程當(dāng)中出現(xiàn)問題，將會對生產(chǎn)、設(shè)備造成嚴(yán)重影響。

方案二剖分軸承為非標(biāo)件，需要專門設(shè)計制造，但某國內(nèi)大型軸承制造廠此前已生產(chǎn)裝配4套剖分式軸承，使用反饋良好。其剖分式軸承結(jié)構(gòu)如下：內(nèi)圈、夾緊環(huán)、滾子組件及外圈全部為兩半結(jié)構(gòu)，如圖1。安裝尺寸與整體軸承完全相同可互換。內(nèi)圈通過夾緊環(huán)的螺栓實施定力矩把緊，確保內(nèi)圈與主軸可靠連接，不會“刷圈”失效，且內(nèi)圈切口斷面兩側(cè)各有 1 個拉緊螺栓，保證內(nèi)圈縫隙沿軸線方向均勻一致［1］。

圖1 剖分軸承結(jié)構(gòu)

在軸承設(shè)計中，選取優(yōu)質(zhì)軸承鋼，合理布置螺栓位置，并進(jìn)行有限元輔助計算等［3］，確保結(jié)構(gòu)合理及整體技術(shù)性能優(yōu)越。

2.3 安全可靠性分析

方案一優(yōu)點是更換2套標(biāo)準(zhǔn)軸承，備件的安全可靠性高。缺點是需要解除電機轉(zhuǎn)子和主軸的直連結(jié)構(gòu)，施工技術(shù)難度大，不可控因素多，存在多種風(fēng)險因素。一是主電機絕緣性能已經(jīng)嚴(yán)重下降，運行狀況較差，拆裝轉(zhuǎn)子、定子易造成電機性能進(jìn)一步下降或者直接損壞電機，造成巨大損失；二是存在電機轉(zhuǎn)子拆除不下來的風(fēng)險，浪費檢修時間和檢修成本；三是易造成主軸錐面及轉(zhuǎn)子內(nèi)孔損傷，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子復(fù)位困難。提升機檢修整體安全可靠性低。

方案二優(yōu)點是檢修過程簡單易行，對電機影響小，風(fēng)險可控。缺點是剖分軸承為非標(biāo)件，需要專門設(shè)計制造，保障軸承質(zhì)量難度系數(shù)較大。

2.4 檢修耗時分析

方案一備貨周期約2個月時間，正常檢修約4d，若出現(xiàn)轉(zhuǎn)子拆除不下或電機性能下降，將導(dǎo)致檢修終止或再次檢修電機，整體進(jìn)度不可控風(fēng)險較大。

方案二備貨周期約3個月時間，檢修時間約2d，施工進(jìn)度可控，出現(xiàn)異常情況風(fēng)險較小。

2.5 成本經(jīng)濟(jì)性分析

方案一由于整體進(jìn)度不可控風(fēng)險較大，如果出現(xiàn)異常情況，將產(chǎn)生巨大的直接和間接損失。

方案二更換整體軸承1套、剖分軸承1套，采購成本比方案一高。由于施工過程簡單、花費時間短，施工費用較低，總體直接成本與方案一基本相當(dāng)。

2.6 基本額定壽命計算對比

滿載為75t（包含物料、提升斗、鋼絲繩），考慮卷筒、主軸等相關(guān)附件，總重按照200t計算，驅(qū)動側(cè)剖分軸承240/850D-5/W33X承重按照70%計算，軸承受力為200×0.7×9.8=1372kN。

每天運行時間：3min/斗，每天運輸物料300斗，3×300/60=15h。轉(zhuǎn)速：50r/min。

（1）原整體軸承型號為 240/850CA：Cr＝12700 kN，最大受力為1372kN，主要尺寸850 mm×1220 mm×365 mm。

（2）剖分軸承型號為240/850D-5/W33X：軸承240/850D-5/W33X其額定動載荷Cr為10700kN。最大受力為1372kN。主要尺寸850 mm×1220 mm×365 mm。

其中：C為額定動載荷；e為壽命指數(shù)，當(dāng)為球軸承時e=3，為滾子軸承時，e=10/3；a1為可靠性系數(shù)，取0.8；a2為材料系數(shù)，取0.9；a3為工作條件系數(shù)，當(dāng)軸承為一般使用條件時，a3=1,若潤滑充分a3>1，若潤滑不良則a3<1，現(xiàn)按潤滑一般計算，a3取0.8。

經(jīng)過計算，軸承理論使用壽命為32 a，滿足該提升機使用工況要求。

3 施工步驟

3.1 鎖定箕斗及鋼絲繩

將副箕斗漲力平衡器的6個油缸充滿油壓，留有100mm行程，通過慢行，使箕斗底部壓在預(yù)設(shè)的63#工字鋼梁上。主箕斗通過鎖繩器將8根首繩鎖在45#工字鋼梁上，并在提升繩上做好標(biāo)記，以便觀察提升繩是否有蠕動。

3.2 松首繩，留有活動余量

用鐵板卡將滾筒兩側(cè)首繩用葫蘆鎖住，將副箕斗張力平衡器油缸泄壓，用手拉葫蘆將首繩上提，使首繩在主軸裝置上不受力，且有活動余量。

3.3 移出主電機定子

測量、記錄好主電機定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙。松弛制動器閘瓦調(diào)整螺母，將閘間隙調(diào)到最大（10mm），停止液壓站，關(guān)閉截止閥，切斷所有電源。然后拆除定子相關(guān)接線和連接螺栓，并在定子外框與底座四角處，用特制劃針劃定位線，防止裝入時誤差。用行車將定子吊起受力，將千斤頂水平放在定子支座上，配合行車，緩慢將定子移出到尾端平臺上，間距約為50～100mm。

3.4 主軸裝置與電機轉(zhuǎn)子的整體起吊

在主軸裝置尾端架設(shè)1套龍門架，用10t葫蘆將尾端軸吊定。拆除滾筒兩端主軸軸承座的相關(guān)部件，并做好安裝位置標(biāo)記。在電機與軸承座之間安裝2根45#工字梁的組合鋼梁，做好大軸“V”型定位。在鋼梁兩端下方各放置1臺100t千斤頂，打壓千斤頂使鋼梁與大軸貼合受力。前后配合整體起吊，使軸承脫離軸承座約50mm，以適宜更換軸承高度為準(zhǔn)。

3.5 拆除兩盤舊軸承

先清除舊軸承上的潤滑脂，并對電機做好相應(yīng)的防護(hù)；然后采用氣割方法拆除舊軸承，即先割外圈，整個外圈分三部分割除，銅保持架用切割機割斷，氣割內(nèi)圈時不得一次性割透，留有1～2mm厚度，采用水冷炸裂法使軸承崩裂［3］，確保不傷到主軸。尾端軸承內(nèi)圈可采用電磁加熱法取出。

3.6 軸承安裝

3.6.1 尾端軸承安裝

采用電磁加熱的方法進(jìn)行安裝，加熱溫度控制在100℃左右［4］，加熱耗時8～10min，軸承孔尺寸達(dá)到時為宜。

3.6.2 剖分式軸承安裝

（1）安裝前，識別好相應(yīng)編號，由專職技術(shù)人員負(fù)責(zé)，并做好軸承的清洗工作。

（2）軸承下半部分外圈的安裝。

用升降帶將軸承下半外圈放在軸上，如圖2所示。以外圈吊裝孔為作用點， 用牽引帶牽引外圈在軸承箱座內(nèi)旋轉(zhuǎn)，直到外圈位于軸的下方，如圖3所示（剖分面處于向上的位置）。

圖2 軸承外圈吊裝孔

圖3 軸承外圈吊裝示意圖

（3）軸承內(nèi)圈與軸的安裝。

軸承內(nèi)圈剖分面的末端缺口是一個設(shè)計特征，能確保兩半內(nèi)圈緊壓在軸上。

在安裝前，軸應(yīng)該相對正常位置機械提升2～3mm，以確保軸承安裝，用機械油潤滑軸和軸承內(nèi)圈孔，吊起內(nèi)圈的一半放在軸的上方，以內(nèi)圈上吊裝孔為作用點，用升降帶牽引內(nèi)圈在軸上緩慢旋轉(zhuǎn)，直到內(nèi)圈位于軸的下方（內(nèi)圈剖分面處于向上的位置）然后用升降帶提升內(nèi)圈，使內(nèi)圈與軸貼合。如圖4，在內(nèi)圈下面用木塊或者橡膠塊等軟材料支撐起內(nèi)圈。

圖4 軸承內(nèi)圈支撐示意圖

（4）用升降帶將內(nèi)圈的另一半放在軸上面，對齊兩半內(nèi)圈放置緊固圈的位置和內(nèi)圈螺栓孔位置。確保內(nèi)圈兩邊結(jié)合面距離大致相等。在緊固圈安裝前和安裝中，確保軸承內(nèi)圈牢固貼合在軸的正確位置。

（5）緊固圈按照配對編號進(jìn)行安裝，緊固圈結(jié)合處要和內(nèi)圈結(jié)合處間隔成一定角度。每個緊固圈結(jié)合處的間隙應(yīng)該大致相等，要求如圖5。

圖5 軸承內(nèi)圈配合間隙

（6）鎖緊內(nèi)圈。用內(nèi)六角螺栓頭和力矩扳手?jǐn)Q緊內(nèi)圈上的螺栓，擰緊內(nèi)圈上4個螺栓時，螺栓間應(yīng)交替逐步施力，直到擰緊。

（7）吊起剖分面帶螺紋孔的半緊固圈放在內(nèi)圈上，以端面吊裝孔為作用點，用升降帶牽引緊固圈旋轉(zhuǎn)到軸的下方，用軟材料支撐起緊固圈，再將另一半緊固圈吊裝到軸的上方與下半緊固圈對齊，確保緊固圈兩邊結(jié)合面距離大致相等。緊固圈擰緊后，用木錘或橡膠錘敲打緊固圈，然后再次擰緊，重復(fù)以上步驟，直到緊固圈完全擰緊，如圖6。

圖6 軸承內(nèi)圈螺栓緊固示意圖

（8）滾動體組件的安裝。用升降帶將半保持架組件放在內(nèi)圈上，以吊裝孔為作用點， 用牽引帶牽引滾動體組件順著內(nèi)圈滾道旋轉(zhuǎn)，直到位于軸的下方（剖分面處于向上的位置）用升降帶將另一半滾動體組件放在內(nèi)圈滾道上，與軸下方的組件對齊。

（9）軸承外圈與軸承座的安裝。用升降帶將另一半軸承外圈放在滾動體組件上，再將軸承箱上半部分安裝固定。

3.7 主軸裝置與電機轉(zhuǎn)子的安裝

通過配合作業(yè)，將主軸裝置與電機整體緩慢放入軸承座兩端軸承原始安裝位置，注油、涂抹密封膠、墊好密封墊、上側(cè)蓋及端蓋，恢復(fù)編碼器及測溫裝置、制動閘盤等。用力矩扳手緊固兩軸承座上蓋螺栓，使其受力均勻。

將軸承座及主軸裝置與電機轉(zhuǎn)子一體找平找正，達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）主軸中心線水平位移度不大于2mm［5］；

（2）提升中心線位移度不大于2mm；

（3）軸承座水平度沿主軸方向不得大于0.1/1000，垂直于主軸方向不得大于0.15/1000；

（4）主軸不水平度不得大于0.1/1000。

3.8 主電機定子復(fù)位及附件安裝

（1）利用行車和千斤頂將電機定子就位，測量電機定子與轉(zhuǎn)子間氣隙，以原紀(jì)錄數(shù)據(jù)為參照標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整轉(zhuǎn)子氣隙，并達(dá)到相應(yīng)要求。

（2）安裝電機護(hù)罩，恢復(fù)電機接線及主導(dǎo)輪尾端的編碼器等附屬設(shè)施，調(diào)整制動器閘瓦間隙，拆除在電機底座與軸承座之間安裝的2根45#工字鋼梁及其他設(shè)施。

3.9 試運轉(zhuǎn)

將提升繩落入繩槽，拆除相關(guān)設(shè)施，將副箕斗漲力平衡器油管打壓拉緊提升繩，使副箕斗上提，拆除井筒內(nèi)其余設(shè)施，清理施工現(xiàn)場，并做詳細(xì)檢查，具備運轉(zhuǎn)條件后進(jìn)行空負(fù)荷試運轉(zhuǎn)及重負(fù)荷試運轉(zhuǎn)。

4 效果分析

軸承結(jié)構(gòu)改造安裝完畢后，在提升機運行過程中對剖分式滾動軸承的溫度和振動進(jìn)行了數(shù)據(jù)測量。測量數(shù)據(jù)如下：溫度在32℃左右，遠(yuǎn)低于80℃的停機溫度；振動有效值最大為0.5mm/s，遠(yuǎn)低于7.1mm/s的警告值和11.2mm/s的停機值［6］。經(jīng)測量溫度、振動證明，該軸承安裝后運行正常，未出現(xiàn)異常情況。更換軸承后，實測軸竄量小于1mm，確保閘間隙可調(diào)整在2mm范圍內(nèi)，閘盤基座抖動消除，安全制動更加可靠。本次武山銅礦更換剖分式滾動軸承的改造施工方案可為集團(tuán)公司內(nèi)部礦山及其他礦井同類型提升機的改造提供技術(shù)借鑒。

5 結(jié)語

本文以武山銅礦主井提升機JKM-3.5×6(Z)型多繩摩擦式提升機為對象，對原來的整體滾動軸承采用剖分式滾動軸承進(jìn)行了改造。改造后的提升機運行正常，測量溫度、振動數(shù)據(jù)表明未出現(xiàn)任何損壞情況，實測軸竄量小于1mm，充分證明本次剖分式滾動軸承的改造是合理的，該改造技術(shù)可在集團(tuán)公司內(nèi)部礦山及其他礦山相類似的提升機上進(jìn)行推廣應(yīng)用。