大型礦用減速器行星輪軸承拆卸裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陶文嘉，劉 成，李建朋，鮑希蒙，李 雪

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招金礦業(yè)股份有限公司 山東招遠(yuǎn) 265400

4中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

大 型礦用設(shè)備運(yùn)行工況復(fù)雜多變、沖擊峰值載荷極大，對(duì)配套的行星齒輪減速器的運(yùn)行狀態(tài)極為不利，且容易發(fā)生齒輪或軸承等核心零部件的早期失效[1]。由于大型礦用行星減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)時(shí)拆卸較為困難，尤其是行星輪內(nèi)軸承，受空間和結(jié)構(gòu)的限制，不能使用常規(guī)拆卸工具，既增大了拆卸的勞動(dòng)強(qiáng)度，又容易導(dǎo)致行星輪和軸承受到損傷而報(bào)廢[2]?；诖?，筆者提出一種行星輪軸承專用拆卸裝置及拆卸方法，并通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用證明該軸承拆卸裝置的合理性、便利性與實(shí)用性。

1 行星齒輪軸承

由于大型礦用高壓輥磨行星減速器承受低速重載工況，行星輪及其軸承的布置結(jié)構(gòu)和兩者之間的公差配合均需特殊設(shè)計(jì)。行星輪軸承典型的配置由調(diào)心滾子軸承或 2 個(gè)雙列滿裝圓柱滾子軸承構(gòu)成。由于其承受高沖擊載荷，軸承與行星輪內(nèi)孔配合需要足夠的過(guò)盈量，以防止兩者之間發(fā)生周向滑移或蠕動(dòng)后損傷行星輪內(nèi)孔[3-4]。

2 拆卸裝置結(jié)構(gòu)

普通拆卸裝置基本原理為底部支撐軸承通過(guò)螺紋聯(lián)接件對(duì)行星輪的上端面施加壓力，以實(shí)現(xiàn)軸承與行星輪的分離。該常規(guī)拆卸裝置的操作方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作效率低，且易因兩側(cè)載荷不平衡而致使軸承內(nèi)外圈傾斜，導(dǎo)致軸承保持架、內(nèi)外圈或行星輪損傷。

行星輪軸承拆卸裝置如圖 1 所示，主要由支撐系統(tǒng)、壓緊系統(tǒng)、液壓頂起系統(tǒng)等部分組成。該裝置采用液壓頂起裝置將液壓缸推力施加給軸承，緩慢頂起軸承。與普通裝置相比，該裝置操作勞動(dòng)強(qiáng)度低，載荷施加更精準(zhǔn)可控和平穩(wěn)。

圖1 行星輪軸承拆卸裝置Fig.1 Dismounting device for bearing of planetary gear

在實(shí)施軸承拆卸時(shí)，拆卸裝置各系統(tǒng)的主要作用如下。

(1) 支撐系統(tǒng)主要承擔(dān)整個(gè)裝置的基礎(chǔ)支撐作用。裝配平臺(tái)上設(shè)置多條 T 形卡槽；方箱由多種規(guī)格自由組合搭配使用，可根據(jù)不同規(guī)格大小的行星輪進(jìn)行調(diào)整，滿足固定支撐的要求，支撐座為行星齒提供依托，防止在拆卸過(guò)程中軸承與行星輪分開(kāi)后墜落。

(2) 壓緊系統(tǒng)主要承擔(dān)行星輪的壓緊作用，其中螺桿可根據(jù)被拆零件高度拼接組裝，以滿足高度不同的零部件拆卸，并根據(jù)不同的軸承壓出力更換相應(yīng)的規(guī)格；調(diào)整墊片組用于將方箱和壓緊墊塊調(diào)整到同一水平面，便于將行星輪與壓緊系統(tǒng)保證垂直狀態(tài)，以免載荷偏置導(dǎo)致軸承保持架受損。

(3) 液壓頂起系統(tǒng)主要承擔(dān)施加卸載力及緩慢頂起的作用。托盤的作用主要是將液壓千斤頂?shù)耐屏鶆蜃饔迷谳S承或行星輪上，液壓千斤頂?shù)耐屏榭烧{(diào)式，可根據(jù)軸承與行星輪的過(guò)盈量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，防止因推力過(guò)大造成零件崩出傷人，或推力太小無(wú)法將被拆零部件頂出。

3 拆卸裝置的工作原理

根據(jù)行星輪及其軸承之間結(jié)合面的過(guò)盈量，計(jì)算兩結(jié)合面之間的摩擦力，然后調(diào)整液壓系統(tǒng)的液壓力，將此液壓力施加到被拆卸零部件上，實(shí)施拆卸。

根據(jù)行星輪及其軸承的結(jié)構(gòu)特征尺寸規(guī)劃裝配平臺(tái)。將 2 個(gè)方箱固定于裝配平臺(tái)上，支撐座放在 2 個(gè)方箱之間合適位置，液壓千斤頂和托盤放于支撐座正下方，調(diào)整好托盤位置，將行星輪組件置于支撐座上調(diào)整好；螺桿通過(guò)支撐座孔與裝配平臺(tái) T 形槽內(nèi)的 T形螺母相連并預(yù)緊，U 形壓板穿過(guò)螺桿承壓在拆卸組件與方箱上，通過(guò)壓緊墊塊、調(diào)整墊片組將 U 形壓板調(diào)水平，組合螺母將拆卸組件可靠牢固地壓緊于支撐座上。根據(jù)計(jì)算出的液壓力，調(diào)整液壓系統(tǒng)液壓力，啟動(dòng)液壓千斤頂，通過(guò)支撐座將力作用在軸承，將軸承從行星輪孔內(nèi)順利拆卸。

4 拆卸裝置載荷計(jì)算

4.1 軸承拆卸壓出力

采用拆卸裝置拆卸軸承，軸承的拆卸力需要克服結(jié)合面過(guò)盈連接產(chǎn)生的摩擦力。

根據(jù)行星輪系的尺寸結(jié)構(gòu)形式以及彈性力學(xué)理論，可得行星輪與軸承過(guò)盈配合表面的最大應(yīng)變[5]

式中：δ為過(guò)盈量，mm；d為配合面外徑，mm；C1為被包容件的剛度系數(shù)；E1為被包容件材料的彈性模量，MPa；C2為包容件的剛度系數(shù)；E2為包容件材料的彈性模量，MPa；d1為被包容件的內(nèi)徑，mm；ν1為被包容件材料的泊松比；d2為包容件的外徑，mm；ν2為包容件材料的泊松比。

根據(jù)壓力的計(jì)算公式，可得配合表面最大應(yīng)力

式中：S為行星輪與軸承過(guò)盈配合表面面積，mm2；l為配合面寬度，mm。

行星輪和軸承內(nèi)外圈的材料屬性如表 1 所列。μ為行星輪和軸承接觸面的靜摩擦因數(shù)，則配合面上所能產(chǎn)生的摩擦阻力

表1 行星輪和軸承內(nèi)外圈的材料屬性Tab.1 Material properties of planetary gear and inner and outer ring of bearing

行星輪軸承配合示意如圖 2 所示。由式 (1)～(5)可計(jì)算出不同過(guò)盈量時(shí)軸承結(jié)合面產(chǎn)生的摩擦力，其結(jié)果如表 2 所列。

圖2 行星輪軸承配合示意Fig.2 Fitness sketch of bearing of planetary gear

對(duì)行星輪軸承進(jìn)行拆卸，液壓系統(tǒng)所需的液壓推力應(yīng)大于最大摩擦力。由表 2 可知，結(jié)合面最大摩擦力為 191.926 kN，則軸承最小壓出力Fp＞Ff=191.926 kN。預(yù)選液壓千斤頂載荷至少為 200 kN。

表2 不同過(guò)盈量下的摩擦力Tab.2 Friction force at various interference amount

4.2 螺桿配置

行星輪軸承拆卸裝置在實(shí)施拆卸過(guò)程中，螺桿受載單向拉力，根據(jù)裝置的結(jié)構(gòu)受力情況，每個(gè)螺桿需要承擔(dān) 0.5Fp＝96 kN。緊固件預(yù)緊載荷拉應(yīng)力如表 3所列。

表3 緊固件預(yù)緊載荷拉應(yīng)力Tab.3 Tensile stress of preload of fastener

螺桿公稱直徑

式中：F為拆卸過(guò)程中螺桿受載單向拉力，N；σM為螺桿的預(yù)緊載荷拉應(yīng)力，MPa；

將承受載荷和預(yù)緊載荷拉應(yīng)力代入式 (6)，可計(jì)算出螺栓不同等級(jí)下的最小直徑。

4.3 有限元分析計(jì)算

為便于分析，在不影響裝置的基本結(jié)構(gòu)原理和受載的前提下，需對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。拆卸裝置網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，危險(xiǎn)截面處網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化處理，如圖 3 所示。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division

拆卸裝置關(guān)鍵件材料的彈性模量E＝206 GPa，泊松比ν=0.29，密度ρ＝7 850 kg/m3，其力學(xué)性能如表 4 所示[6-7]。

表4 關(guān)鍵件材料的力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of material of key parts

根據(jù)拆卸裝置實(shí)施過(guò)程中的實(shí)際受載情況，對(duì)裝置模型中的裝配平臺(tái)底面進(jìn)行全約束，在行星輪軸承的內(nèi)外圈均勻加載壓力F＝192 kN，如圖 4 所示。

圖4 壓力加載模型Fig.4 Pressure loading model

拆卸裝置等效應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖 5、6 所示。其中最大等效應(yīng)力為 246.8 MPa，位于壓緊墊塊與行星輪上端面接觸區(qū)域；另外 U 形壓板承受的彎曲應(yīng)力為 191.8 MPa；裝置中抗屈服安全系數(shù)均大于 1.54；裝置中最大位移為 0.727 mm，位于 U 形壓板與壓緊墊塊上，屬于彈性變形，其余位移基本在0.240 mm 以下。綜上所述，裝置的強(qiáng)度和剛度均滿足平穩(wěn)拆卸要求。

圖5 拆卸裝置等效應(yīng)力云圖Fig.5 Equivalent stress contours of dismounting device

圖6 拆卸裝置位移云圖Fig.6 Displacement contours of dismounting device

5 拆卸裝置的操作流程

行星輪及其軸承實(shí)體拆卸如圖 7 所示。拆卸步驟如下：

圖7 實(shí)例應(yīng)用Fig.7 Application of actual case

(1) 配置螺桿和設(shè)置液壓系統(tǒng)壓力；

(2) 調(diào)裝拆卸裝置支撐系統(tǒng)，須將支撐座調(diào)整至2 個(gè)方箱中間，以保證兩側(cè)受載平衡；

(3) 調(diào)裝拆卸裝置液壓頂起系統(tǒng)，調(diào)整支撐座，將其貼緊軸承端面，并保持 2 個(gè)零件軸線同心；

(4) 調(diào)裝拆卸裝置壓緊系統(tǒng)，安裝 T 形螺母和螺桿；

(5) 調(diào)裝行星輪組件，采用扭力扳手按螺桿預(yù)緊力矩?cái)Q緊，以防止后續(xù)步驟中頂起時(shí)發(fā)生偏載情況；

(6) 操作頂起系統(tǒng)，緩慢漸進(jìn)施加載荷，并時(shí)刻觀察軸承是否保持水平狀態(tài)，完成拆卸過(guò)程。

6 應(yīng)用效果

該拆卸裝置在中信重工機(jī)械股份有限公司大型礦用行星齒輪減速器的維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中得到了推廣應(yīng)用。采用該專用裝置拆卸后，軸承損傷檢查如表 5 所列。拆卸時(shí)間由原來(lái)的 120 min 縮短至 30 min，工作效率顯著提高；拆卸出的軸承經(jīng)檢查后完好無(wú)損，可節(jié)省維護(hù)成本約 16 萬(wàn)元。

表5 軸承損傷檢查Tab.5 Inspection of bearing damage status

7 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大型礦用減速器行星輪軸承拆卸困難及拆卸時(shí)易損傷軸承的問(wèn)題，首先分析布置結(jié)構(gòu)和公差配合特點(diǎn)，對(duì)行星輪軸承拆卸裝置進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)；其次通過(guò)建立拆卸裝置靜力學(xué)模型，分別采用解析法和有限元法分析裝置關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度和剛度；最后通過(guò)實(shí)例操作對(duì)比拆卸時(shí)間和拆卸效果，驗(yàn)證了理論運(yùn)用的準(zhǔn)確性與裝置的可行性。