辊压机主传动系统的设计选型与性能分析

王宇航，许 宁，庞杭洲，崔 冬，赵铜剑

(1．中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安 710032;2．SEW－传动设备(天津)有限公司，天津 300458;3．西安西电开关电气有限公司，陕西 西安 710077)

0 前言

自上世纪80年代中期，辊压机在我国水泥工业应用以来，增产降耗效果十分明显。与球磨机相比，粉磨每吨物料可节省3～8 kWh电能，产量提高近一倍，又能压出20%～30%的成品细粉，因此得以快速普及与推广。目前我国新建与改造的干法水泥生产线水泥粉磨的前端都大量采用了辊压机预粉碎工艺。

辊压机主要由液压系统、电控系统、主传动系统、下料装置及框架、轴承座等组成。其中主传动系统是辊压机的核心部件，为整机提供动力，并在挤压辊和液压缸的联合作用下将物料挤压成所需松散料饼。因此，主传动系统的性能优劣直接影响整机的工作性能。有资料表明，在辊压机的工作故障中，因主传动系统的失效占近60%。因此，合理设计、制造与选择主传动系统，对整机的安全、高效运行有着十分重要的作用。

1 辊压机主传动系统的组成及主要性能

辊压机主传动系统是整个辊压机的核心部件主要由挤压辊、主轴承、减速机、传动轴(万向联轴器)组成。

1.1 挤压辊

辊压机的规格关系着产量、功率、所需挤压力的大小，一般都以挤压辊的直径与宽度来表示，设计中一般都以宽径比—B/D的值来确定其大小。B/D值的选取有很多种如德国的KHD公司B/D值为0.4～1.15;美国的FULLER公司B/D值为0.5～0.65;德国的Koppern公司B/D值为0.4～0.7。

B/D值大的辊子，对物料的挤压效果较好，从节能、降低成本、减轻机重的观点出发，小辊径的辊子较为有利。

B/D值小的辊子，因为辊径大，对物料的牵入作用好，活动辊的歪斜作用会小，辊子直径加大也意味着中心距加大，因而主轴承规格加大，其寿命会增加。此外，大直径的辊子辊面磨损也会小些。

辊子的结构型式与耐磨性能也是决定整机使用寿命的重要指标。在辊压机应用于工业生产的初期，其挤压辊大多是分体式的，即在心轴外部热装上辊套，然后在辊套上堆焊耐磨层。这种分体式辊子在使用中经常出现问题，由于受热装形式、热应力等的影响，有的辊套会开裂、辊套与心轴也会相对滑动，可靠性较低，影响整机使用。取而代之的是整体锻造辊子的出现，即采用中碳合金钢(40Cr，42CrMo，40CrNiMo等)整体锻造成型，整体辊具有很好的强度与刚性，使用寿命大为提高。

挤压辊辊面磨损问题是影响生产的一个重要因素，多年来备受开发商与用户的关注。挤压辊辊面的磨损为高应力磨损，其抗磨性能取决于所堆焊耐磨材料的硬度、韧性以及花纹形式。

恰当的辊面花纹形式有助于延长辊面的使用寿命，提高挤压效率。主要花纹形式如图1所示。

辊面耐磨花纹增大了对物料的咬合角，可加大对物料的牵入力度;提高挤压效率，有效的形成料饼;提高耐磨性，磨损首先从花纹开始，可对辊体进行有效的保护。

根据辊面的工作条件及磨损机理，要求辊面硬度高、耐磨性好、抗剥落性好、内部的韧性好。要达到此要求，除了辊子的选材与结构型式外，还要正确选择表面堆焊材料及堆焊工艺。根据辊子的工作情况，辊面堆焊一般分为打底层、过渡层、耐磨层和表面花纹等四层进行。如图2所示。

打底层的作用是保证堆焊层与母材的充分融合，防止整个堆焊层剥落，同时能够有效阻止辊面的焊接裂纹和疲劳裂纹向辊体发展、延伸，保护辊体不受破坏;过渡层的作用是对耐磨层有良好的支撑，过渡层的硬度要高于打底层;耐磨层要求堆焊材料具有高的焊态硬度和抗磨损性能，硬度要高于过渡层;表面花纹是直接工作面，要求耐磨粒磨损和抗挤压综合性能比耐磨层更加优异，硬度要求最高。堆焊完后，焊层的硬度从内到外呈梯度分布，逐渐升高，这样既能保证表面耐磨，又能保证内部具有良好的韧性，保证能承受强大的冲击载荷。

1.2 主轴承

辊压机主轴承的型式最常用的主要有双列调心滚子轴承和四列圆柱滚子轴承。调心滚子轴承主要用于中小规格辊压机。四列圆柱滚子轴承与调心滚子轴承相比具有承载力高、寿命长及密封性好等优点，寿命可比调心滚子轴承高数倍。大型辊压机常用四列圆柱滚子轴承。

由于大型滚动轴承价格昂贵，更换困难，因此正确选型与使用可以提高辊压机的运行可靠性，降低维护成本。为此要注意以下几点:

(1)设计要留有足够的安全裕度。要对工作过程中的脉动载荷与最大载荷准确评估，使辊压机在最大载荷的70%～80%之下运转，轴承寿命可延长一倍以上。

(2)注意附加轴向力对轴承的影响。在工作过程中，由于辊子的热膨胀及浮动辊在宽度方向上由于载荷不均出现的偏摆，会引起支撑跨距的变化，设计上在轴承座内一端预留轴向间隙来补偿此变化。当采用调心滚子轴承时，附加轴向力由此轴承承受;当采用四列圆柱滚子轴承时，附加轴向力由外加的推力轴承承受。

(3)温度的影响。由于混合物料的温度及挤压、摩擦产生的热量，均会使轴、轴承温度升高。轴承若长期在高温下工作，其寿命会打折扣;反之，在正常温度范围内，轴承温度每降20℃，寿命会增加一倍以上。为了使轴承工作温度保持在50℃左右，除了良好的润滑以外，也会在轴承座内通循环冷却水;当物料温度高于70℃时，在挤压轴内部窜循环冷却水降温。

(4)有效的密封。物料在挤压粉碎过程中会产生大量的粉尘，这些粉尘磨粒若进入轴承内部会加速轴承的磨损，进而损坏轴承。除传统的密封方式外，对于活动辊应采用能随同辊轴一起摆动的特殊密封装置，使接触面始终垂直于轴心线。为了有效防止粉尘侵入轴承内，应采用电动干油脂泵定时自动供润滑脂于密封唇处，并有微量的润滑脂溢出，从而防止粉尘侵入。

1.3 减速机

1.3.1 减速机的型式与配置方式(图3)

主电机的动力通过减速机将扭矩放大后，才能带动挤压辊工作，因此减速机也是整个辊压机的核心部件之一。从辊压机进入工业化生产使用至今，减速机的型式与配置均发生了很大的变化。

方案1减速机为平行轴分流式，地脚安装，减速机和辊子之间是通过两个重型联轴节传递扭矩。用于大功率辊压机时减速机和联轴节都很笨重，体积庞大，因此仅在小功率时应用。

方案2减速机采用行星传动方式(行星减速机)是辊压机传动系统的发展潮流。行星减速机悬臂插装在辊压机辊轴上，并通过锁紧盘锁紧，传动中产生的反力矩由扭力支架承受，电机安装在减速机上方，通过皮带传递动力。这种方式适用于小功率的辊压机。

方案3活动辊的行星减速机安装方式同方案2，而定辊的行星减速机则安装在地面上。

图3 减速机型式与配置方式Fig.3 Drive and configuration modes of reducer

方案4安装同方案3，只是活动辊的减速机固定在地面上，并且输出轴侧装有可作横向运动的重型联轴节。

方案5两台行星减速机均悬臂安装，锁紧及承受反力矩的方式同方案2，减速机输入侧通过两个万向联轴节同电机联接，动辊一侧的减速机和联轴节可随动辊做横向移动。该方案是目前采用的最广泛、最成熟的配置方法，适用于任何功率段。

中国重型机械研究院有限公司设计、制造的辊压机专用大功率重载行星减速机整体配置方式如方案5所示，每台行星减速机均配备自润滑油站，对减速机进行强制冷却润滑，确保减速机的长期可靠运行。行星减速机与辊轴采用插装式联接，即把行星减速机的输出轴做成薄壁空心件直接套在辊轴上，通过缩套(锁紧盘)箍紧，反力矩由专设的抗扭支撑(扭力臂)承受，防止减速机整体反转。这种连接方式紧凑，无需另设基础或重型万向接轴，易于安装。该行星减速机已在国内外数百家水泥公司的辊压机中应用，并获得好评，其主要性能参数如下:

功率范围/kW 220～1250

公称传动比 i=40、45、56、63、71、80

公称输入转速r/min 1000，1500

额定输出转矩/kN·m 200～1050

工作噪声/dBA ＜80(满负荷，距离1 m处)

传动效率 η=0.96～0.98

设计寿命/万h 10

1.3.2 减速机空心轴的设计要求

行星减速机的输出轴做成薄壁空心件，对空心轴的材料性能提出了较高的要求。可用屈服强度σ0.2≥360 MPa的钢、铸钢或球铁，并经热处理。

锁紧盘拧紧后，在空心轴上产生多向应力，轴向应力可忽略。其切向及径向应力可按“厚壁筒”公式计算。其内部承受压强pN为

式中，f为摩擦系数，取f=0.15;d0为空心轴内径，d为外径。

其外部承受压强为

式中，E为弹性模量;Δd0为轴与套的配合间隙。

最大应力发生在内径处，则切向正应力σtN为

合成应力必须小于空心轴材料的屈服强度 σ0.2。

1.3.3 锁紧盘的使用

中小功率辊压机行星减速机的悬臂安装多采用机械式锁紧盘，通过拧紧锁紧盘周向高强度螺栓，产生强大的摩擦力矩而传递扭矩。大功率的辊压机已开始采用液压式锁紧盘，液压锁紧盘设定力矩准确，拆卸方便，节省劳力，缩短拆卸时间，但价格比机械式要贵。

锁紧盘是辊压机传动系统的重要零件，正确选型与使用才能保证力矩的准确传递。如今锁紧盘已形成系列并有标准产品直接选用。

(1)锁紧盘的选定方法。以设计轴径为依据，从标准系列中选定合适的规格，并校核最大转矩是否满足工作需求。以需要传递的转矩为依据，选定合适的规格。在计算需要传递的转矩时，应考虑安全系数。如果工作中既传递转矩又承受轴向力，则应计算合成转矩，再由系列表中选定锁紧盘。

锁紧盘选定后，应对辊压机轴及减速机空心轴的尺寸及强度进行核算。

(2)锁紧盘的安装与防护。操作人员应对锁紧盘的联接原理有基本的了解，并在联接表面涂不含二硫化钼的润滑脂。锁紧盘联接螺栓在安装前应全部松开，各联接件的相对位置测量符合安装要求后方可拧紧锁紧盘联接螺栓。用力矩扳手对角交叉逐渐拧紧锁紧盘联接螺栓，每次用1/4的额定力矩值拧紧，逐渐达到要求的额定力矩值。安装完毕，应对外露部分涂上防锈油。处于露天或恶劣环境作业时，应定期涂防锈油，并在可能的情况下加装防护装置。

1.4 软起动安全联轴器的使用

辊压机转动部分自重较大，其转动惯量一般在800～4500 kgm2(特别在大功率段)时静摩擦系数较大，此类设备为大惯量启动设备，其驱动电动机的启动为带载启动。有必要在传动系中加装软启动安全保护联轴器，以实现设备的软启动及过载保护。

液力偶合器作为电动机软启动装置，已应用多年，但其缺点是质量大，尺寸大，对减速器的轴伸及电动机的轴伸有时是无法承受的。

钢球式软启动安全联轴器由于其质量轻，尺寸小，易实施改造，维护工作少(基本上免维护)，已成为辊压机软启动的首选。

软启动安全联轴器通过钢球的离心压力产生的摩擦力传递转矩，通常将联轴器主体部分装在电机端。当电机启动时，由于转速很低，离心力很小，其产生的摩擦力也很小，联轴器打滑，主动侧随电机旋转，被动侧(减速器一侧)静止，电机为近似空载启动。随着转速的增加，摩擦力逐渐增大，联轴器的被动侧带动工作机(减速器入轴)开始旋转，直到与主动侧同步旋转，电机的整个启动过程是一个平稳的逐渐加载的过程，实现了电机的“软”启动，改变了普通联轴器联接时的“硬”启动方式。

当辊压机过载或卡死时，由于转矩超过了设计摩擦力可传递的转矩(设定转矩)，联轴器打滑，防止了机械部件的损坏及电动机的烧毁。

软启动安全联轴器的结构如图4所示。

图4 软启动安全联轴器结构示意图Fig.4 Structure of safety coupling for soft start

联轴器的工作过程为:主动轴带动转子旋转，转子上的叶片将壳体内的空腔分成2～6等份，叶片推动空腔中的钢球作圆周运动，钢球由于离心力作用沿联轴器半径方向运动，逐渐贴紧在壳体内壁，并沿壳体内壁滑动，随着转速的升高，钢球与壳体内壁间的摩擦力达到一定值时，钢球带动壳体旋转，达到同步状态。壳体通过销轴组件带动半联轴器旋转，将动力传递到工作机。

软启动安全联轴器的主要特点:

(1)软启动性好。原动机启动时，联轴器处于打滑状态，可将带载启动变为近似空载启动，实现原动机的软启动;

(2)可靠的过载保护并可调节。当工作机过载或卡死时，联轴器打滑，限制了功率的增加，当异步电动机因过载导致转速下降时，联轴器可传递功率随转速迅速下降，有效保护电动机不被堵转。增减钢球的填充量，可调节过载保护功率值;

(3)减振性好。钢球在传力过程中相互间的弹性运动可吸收传动系统的振动;

(4)节省能源与设备费用。由于实现了软启动，降低了启动电流，缩短了峰值时间，降低了能耗，同时减小了设备的启动冲击，节省设备维修费用;

(5)安装拆卸方便，工作可靠，运行中无需维护，承载能力大，外形尺寸小。(注意事项:长时间打滑发热严重，不适用于频繁启动或频繁换向的场合)。

2 主传动系统的维护

主传动系统是整个辊压机的“心脏”，因此做好日常的维护工作对整机的高效运行有重要作用，为此应注意以下几点:

(1)每日都应检查挤压辊的辊面磨损情况，并注意有无异物进入辊缝(这一现象应坚决避免);

(2)注意主轴承的工作温度是否正常，每天定时给主轴承供润滑脂，确保良好的润滑与密封;

(3)定期用扭矩扳手检查锁紧盘的拧紧螺栓是否在额定力矩下，保证减速机空心轴与挤压辊在结合面处不产生相对转动(这一点很有必要，否则会在结合面局部产生错位、粘连现象，造成日后拆卸困难);

(4)每日应检查减速机的运行情况，观察有无异常振动、噪声，工作温度是否正常(油温不应超过80℃);

(5)检查挤压辊内部的循环冷却水流量及水温(不要高于28℃)是否正常;

(6)每日都应检查主电机工作电流，定子温度是否正常;

(7)日常维护、保养工作到位，可将一些故障消灭在萌芽状态，提高系统的运转率，延长使用寿命。

3 结束语

辊压机在投入工业化应用的二十多年里，其产品性能与相应的生产工艺都发生了很大的变化。其中传动系统的设计理念、结构形式、配置方式也有不少改进。挤压辊基本上均采用合金钢整体锻造工艺，使用寿命大为增加;减速机基本上已全部国产化，而且向着大功率、重载荷方向发展，使用性能已接近国外先进水平;其它配套件如轴承、密封、耐磨件等都上升到比较高的水平。可以预见，随着相关技术的不断进步，必将使辊压机的应用更加广泛和普遍。

［1］ 王宇航，赵玉良．辊压机行星减速器的使用［J］．水泥技术，2010(5)．

［2］ 吕波，郑久耐．TRP140辊压机辊轴密封的改进［J］．水泥 ，2004(9)．

［3］ 赵玉良，王宇航．大中型辊式挤压成型机传动系统的特点［J］．磷肥与复肥，2010(3)．