進口大型水泥立磨減速機維修與改進

進口大型水泥立磨減速機維修與改進

冉學平1 馬海軍2* 劉旭1 楊建平2 岳智慧2

(1.成都名辰傳動設備有限公司 成都 611130；

2. 四川理工技師學院 成都 611130)

摘要：本文以某進口立磨減速機為例，介紹了在維修該減速機時，發(fā)現(xiàn)推力瓦座損傷。通過推力瓦瓦面高度檢測，探討了推力瓦與輸出法蘭間隙在落磨輥前后差異的原因，分析了推力瓦座損傷的原因，明確了高強度推力瓦安裝螺栓產(chǎn)生松動甚至斷裂的根本原因是因為推力瓦、調整墊與推力瓦座產(chǎn)生了氣蝕現(xiàn)象，該結果和發(fā)現(xiàn)為該類減速機的優(yōu)化設計和安全性能的提高提供了重要參考。

關鍵詞：減速機；推力瓦；氣蝕

Maintenance and improvement of imported large cement vertical mill reducer

Ran Xueping1,  Ma Haijun 2 Liu Xu1 Yang jianping2 Yue Zhihui2

(1. Chengdu mingchen transmission equipment co., ltd, Chengdu 611130;

2. Sichuan Institute of Technology Technician, Chengdu 611130)

Abstract：Taking a vertical mill reducer in Japan as an example, this paper introduces that the thrust bearing seat is damaged when repairing the reducer. By detecting the height of thrust tile surface, the reasons for the gap between thrust tile and output flange before and after the grinding roll drop are discussed, and the reasons for the damage of thrust tile seat are analyzed. It is clear that the basic reason for the looseness and even fracture of mounting bolts of high-strength thrust tile is cavitation between thrust tile adjusting pad and thrust tile seat. The results and findings provide an important reference for the optimization design and improvement of safety performance of this kind of reducer.

Key words：Reducer；Thrust pad；Cavitation

0.前言

立磨減速機作為一種大型粉磨設備，在礦山、火電、水泥生產(chǎn)中被廣泛應用。國內外立磨減速機皆由箱體、行星架、齒輪、軸及軸承等組成[1]。國內主流廠家為重齒、南高齒等，國外主要有德國弗蘭德、倫克、瑪格及日本住友等知名廠家。在重齒實現(xiàn)立磨減速機國產(chǎn)化設計制造之前，國內所使用的立磨減速機皆依靠進口。國內外立磨減速機經(jīng)過二十余年的現(xiàn)場使用，都暴露出了一些不足之處，有待于進一步改進?？傮w來講進口齒輪箱更為可靠，但國內的設計制造水平通過不斷改進和完善也取得了較為顯著的提升！

1. 工程概況

本文所論述的某進口大型立磨減速機內部傳動系統(tǒng)分為三級傳動，第一級為錐齒輪副傳動，第二、三級皆為行星周轉輪系傳動結構[2]。該進口大型立磨減速機經(jīng)過幾代跟進改進設計制造，可靠性在實際使用中領先于其它廠家?？傮w來講，此進口立磨減速機制造精度高，設計細節(jié)考慮充分，尤其是關于整臺減速機潤滑系統(tǒng)的設計十分合理，其結構精簡、潤滑充分，為減速機安全可靠運行提供了基本保障。推力瓦用兩個球頭定位銷的定位方式獨特，使用效果佳，避免了推力瓦合金面的各種損傷。尤其三件套（太陽輪、連接齒套及鼓形齒軸，三個零件構成的齒形聯(lián)軸器），經(jīng)過十余年的使用，磨損非常輕微。但推力瓦、推力瓦調整墊、推力瓦座三者間高強度連接螺栓松動及斷裂已經(jīng)成為了普遍現(xiàn)象[3]。國內某大型集團使用了七臺同類機型，普遍出現(xiàn)了推力瓦座高強度螺栓松動甚至斷裂的情況，經(jīng)過多次優(yōu)化設計，將螺栓個數(shù)增加到6，螺栓直徑增大到M24,性能等級提高到12.9，該情況仍沒有得到解決，給立磨減速機的使用帶來了極大的隱患，原廠家派出多批現(xiàn)場服務工程師及專家調研現(xiàn)場，但至今仍未給出合理解釋。

2. 推力瓦瓦面高度高度檢測

我公司于2020年4月中旬對某公司進口生料立磨主減速機進行了解體維修。立磨減速機中12塊推力瓦呈圓周分布，其分布示意圖如圖1所示。

圖1 推力瓦分布示意圖

在回裝推力瓦前，通過對12塊推力瓦合金面接觸痕跡觀察，依據(jù)瓦面接觸印痕判定減速機在使用時瓦面高度是基本一致的。推力瓦、推力瓦調整墊及推力瓦座安裝后結構示意圖如圖2所示。

圖2 推力瓦安裝結構示意圖

12塊推力瓦中，9號推力瓦瓦座產(chǎn)生了裂紋，由于不清楚原始廠家制造工藝，為了驗證瓦座開裂后是否因為產(chǎn)生裂紋而釋放內應力導致瓦座變形，故在裝配時我們對所有推力瓦瓦面高度（即瓦面共面度）都進行了初步檢測。檢測方法：用1500mm游標卡尺貼實兩塊瓦面，兩人用手壓緊游標卡尺兩端，另一人用0.03mm的塞尺檢測，都未能塞出間隙；對于9號瓦，我們從8號及10號瓦兩個方向都進行了檢測，亦未測出間隙。這種檢測方法對于高差較大的間隙是很容易檢測出來的，0.03mm的塞尺塞不出間隙則理論上來說高差應該在0.02mm以內。

油壓檢測試驗時發(fā)現(xiàn)各推力瓦間高壓油壓力差異較大，停機放油后對推力瓦與輸出法蘭的間隙進行了再次檢測，發(fā)現(xiàn)2 ,3 ,8 ,9號瓦分別能塞進0.20mm,0.20mm,

0.25mm及0.40mm的塞尺，表明這種狀況下2，3，8，9號瓦面分別低了0.10mm，0.10mm，0.125mm及0.20mm。然后我們又把磨輥落下，再依次用塞尺檢測，結果所有瓦面與輸出法蘭之間都沒有了間隙，表明這種情況下，所有瓦面高度基本是一致的。

3. 推力瓦座損壞原因分析

3.1 氣蝕現(xiàn)象

氣蝕現(xiàn)象是指流體中的氣泡在壓力、速度達到臨界值時瞬間潰滅，在潰滅瞬間產(chǎn)生極大的沖擊力和高溫，氣泡破裂瞬間所有的能量集中在破裂點上，產(chǎn)生幾千牛頓甚至更高的沖擊力，沖擊力的壓力高達2000Mpa以上，大大超過了大部分金屬材料的疲勞破壞極限，固體表面在經(jīng)受這種高沖擊力的多次反復作用，材料發(fā)生疲勞剝落，使表面形成小凹坑，進而發(fā)展成海綿塊狀；同時由于氣泡潰滅瞬間產(chǎn)生的高溫使得夾帶在氣泡內的少量氧氣等活潑氣體對金屬表面產(chǎn)生電化學腐蝕，電化學腐蝕會加速氣蝕的破壞作用。

流體中氣泡的形成：當液體在與固體表面接觸處的壓力低于它的蒸汽壓力時，將在固體表面附近形成氣泡[4]。氣蝕通常發(fā)生在離心泵葉輪（液體流入和流出端速度和壓力產(chǎn)生急劇變化）和閥門（液體流過節(jié)流孔前后流道面積的變化會導致速度與壓力的急劇變化），在其它情況很少發(fā)生。

3.2 潤滑油的粘壓特性

潤滑油的粘壓特性是指潤滑油的粘度隨著壓力變化而變化的特性[5]。當壓力變化較小時，潤滑油粘度變化甚微，基本可忽略不計；當壓力變化較大超過20Mpa時，潤滑油的粘度會隨壓力增大而成指數(shù)級增大[6].即（1）

式中Vo壓力為10⁵Pa時的粘度值，Vp相對壓力為p時的粘度值，b與油液有關的系數(shù)。

正因為潤滑油的粘壓特性，所以重載齒輪副傳動，在主、從動齒輪齒面足夠光滑的情況下，潤滑油足以把相互嚙合的一對輪齒隔開自身也不會破裂，即形成一薄層高壓潤滑油膜。因此，齒輪副傳動時只要潤滑不失效，輪齒表面磨成鏡面后磨損就自然終止了。

3.3推力瓦、推力瓦座及推力瓦調整墊氣蝕現(xiàn)象

如圖3，圖4，圖5所示，分別為推力瓦背面、推力瓦座、推力瓦調整墊，圖6為典型氣蝕現(xiàn)象。通過圖3至圖6腐蝕現(xiàn)象對比，圖3至圖5的腐蝕現(xiàn)象明顯就跟圖6一樣屬于氣蝕現(xiàn)象。通過圖4-圖5腐蝕區(qū)形狀對比發(fā)現(xiàn)，其腐蝕區(qū)形狀完全一致，這就說明圖4與圖5即推力瓦座與推力瓦調整墊的損壞并非由于原料及制造工藝不合格導致的損傷，損傷區(qū)域一致說明他們損傷區(qū)域之間相互發(fā)生了反復沖擊力作用，且該沖擊力的大小超越了其材料的疲勞極限。

圖3 推力瓦背面圖

圖4 推力瓦座

圖5 推力瓦調整墊

圖6 典型氣蝕現(xiàn)象圖

圖4即推力瓦座產(chǎn)生了裂紋，且裂紋深度達到了20mm左右，參見圖7裂紋無損探傷圖片。裂紋基本處在損傷最嚴重幾個區(qū)域的對稱中心線上，因為在兩邊施加壓力時在對稱中心線上產(chǎn)生的彎矩最大，在持續(xù)反復作用下材料容易從應力集中處產(chǎn)生疲勞裂紋。應力集中因素很多，材料缺陷、加工粗糙度、退刀槽、倒角、圓弧、臺階過度處等等，當然在壓力超過材料疲勞極限時即使沒有應力集中的因素，久而久之材料也會產(chǎn)生疲勞斷裂。故推力瓦座的損傷也并非是材料與制造工藝原因導致。

圖7 推力瓦座無損探傷

推力瓦調整墊裝配在推力瓦與推力瓦座之間，且推力瓦座外邊緣與推力瓦安裝孔配合非常緊密，基本沒有間隙，我們在拆卸的時候就是用螺釘通過頂絲孔強頂出來的。

在減速機使用過程中，整個推力瓦浸泡在油中，推力瓦與推力瓦座之間又形成了非常狹小的透氣間隙，當油在與固體表面接觸處的壓力低于它的蒸汽壓力時，便在固體表面附近形成大量氣泡，這就為氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生創(chuàng)造了天然條件。

4. 落磨輥前后測量數(shù)據(jù)差異原因分析

落磨輥前后測量數(shù)據(jù)差異是怎么產(chǎn)生的。通過前面的分析我們已經(jīng)明確了推力瓦、推力瓦調整墊及推力瓦座之間已經(jīng)產(chǎn)生了氣蝕現(xiàn)象。

落磨輥前施加給推力瓦的壓力是由行星架與輸出法蘭組件重力（G1）加上磨盤重力（G2）所致，由于推力瓦、推力瓦調整墊及推力瓦座之間的氣蝕現(xiàn)象，氣泡在G1+ G2作用下還沒有達到讓氣泡潰滅的臨界條件，氣泡在G1+ G2作用下壓迫包裹它的潤滑油，潤滑油由于推力瓦與推力瓦座之間形成的狹小的緊密縫隙又無法及時排出，同時又因為潤滑油的粘壓特性，氣泡施加給潤滑油的壓力越大潤滑油粘度會變得越高，始終不會破裂，故在氣泡作用下拉長推力瓦安裝座螺栓使其產(chǎn)生彈性變形而將輸出法蘭抬了起來。由于12塊瓦各自條件不一，氣蝕程度也不盡相同（維修過程中，觀察拆開后的推力瓦、推力瓦調整墊及推力瓦座，全都有氣蝕現(xiàn)象，但氣蝕程度不盡相同），故輸出法蘭在各點被舉升的高度也有差異，從而導致了推力瓦與輸出法蘭之間間隙的產(chǎn)生。

在落磨輥后，由于磨輥重力（G3）遠大于G1+ G2，氣泡在G1+ G2+G3合力作用下終于達到讓氣泡潰滅的臨界條件，于是氣泡潰滅，輸出法蘭就落在了推力瓦支撐面上。這時候再去檢測輸出法蘭與推力瓦面之間是否有間隙測量結果就是真實值。

通過氣泡產(chǎn)生與潰滅這一氣蝕形象，也合理解釋了高強度推力瓦安裝螺栓為什么會產(chǎn)生松動甚至斷裂的根本原因。

5.結論

(1)所有推力瓦頂面基本共面，裝配時

對推力瓦共面性檢測結果是正確的。

(2)推力瓦座裂紋的產(chǎn)生不是材料與制造工藝導致的。若不解決根源，新?lián)Q裝的推力瓦座時間周期到了還會出現(xiàn)同樣的問題，或者其它的推力瓦座也會相繼開裂，各高強度聯(lián)結螺栓依然會松動，甚至斷裂。（建議下次維修時：推力瓦座及其調整墊全部更換經(jīng)過我公司優(yōu)化設計制造后的新件）。

(3)所有的高強度推力瓦座聯(lián)結螺栓全部松動且部分斷裂，并非裝配或者螺栓本身質量問題。

(4)推力瓦調整墊與推力瓦座疲勞損傷不是材料與制造工藝導致的。

(5)氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生不是由制造工藝導致的，完全屬于最源頭設計問題。下次維修時必須消除氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的先決條件，否則隨著使用時間的延長，將會導致更多的問題出現(xiàn)，諸如推力瓦開裂等嚴重惡果。

參 考 文 獻

[1] Hu L , Han-You R , Jian-Feng D , et al. Design and application of vertical mill reducer[J]. Heavy Machinery, 2011.

[2]孫惢. 風力發(fā)電機傳動系統(tǒng)可靠性分析方法研究[D].東北大學,2011.

[3]韓翠英.煤礦機械傳動齒輪損壞原因及解決方式[J].煤礦機械,2012,33(11):230-232.

[4]殷財輝,李錫恩.翅片式散熱器氣蝕研究[J].設備管理與維修,2018(02):72-73.

[5]祁海洋. 高壓旋轉粘度計的研制及合成油壓粘特性研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2011.

[6]張植忠. 核主泵推力滑動軸承流體動力潤滑分析與實驗研究[D].湘潭大學,2015.

作者簡介：

1冉學平，男，土家族，大連交通大學交通運輸分院內燃機專業(yè)畢業(yè)，高級工程師，現(xiàn)任成都名辰傳動設備有限公司常務副總經(jīng)理。四川理工技師學院特聘企業(yè)專家，機電工程系專業(yè)建設委員會委員，聯(lián)系電話：15308366637

2，*：通訊作者：馬海軍，男，助理講師，碩士研究生，研究方向，機械設計與制造，油箱：1191267186@qq.com。

劉旭，男，西南石油大學博士，高級工程師。

楊建平，男，高級實習指導教師，研究方向，機械設計與制造。

岳智慧，男，助理講師，研究方向，機械制造。