回转支承在金刚石绳锯机上的运用①

周世威，刘 莹，王进保，莫时雄，苏 钰，程 煜

（1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西桂林541004；2.国家特种矿物材料工程技术研究中心，广西桂林541004；3.广西超硬材料重点实验室，广西桂林541004；4.桂林理工大学材料科学与工程学院，广西桂林541004）

回转支承在金刚石绳锯机上的运用①

周世威1，2，3，刘 莹4，王进保1，2，3，莫时雄1，2，3，苏 钰1，2，3，程 煜1，2，3

（1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西桂林541004；2.国家特种矿物材料工程技术研究中心，广西桂林541004；3.广西超硬材料重点实验室，广西桂林541004；4.桂林理工大学材料科学与工程学院，广西桂林541004）

文章介绍了目前国产金刚石绳锯机的技术状况、回转支承的结构及其在金刚石绳锯机中的选型及运用。讨论金刚石绳锯机采用蜗轮箱结构和采用回转支承结构的优、缺点。

金刚石绳锯机；动力系统；回转系统；回转支承；标准化

2 目前国产金刚石绳锯机的技术状况

目前国内已有许多企业生产金刚石绳锯机，如桂林特邦公司、福州天石源、山东高时、河南联合旋风、泉州利器、福建华大、长沙通石达、福建霞浦众等，已发展有主电机功率从11kW到75kW系列机型。控制技术基本上都采用双变频控制系统，能够实现在切割过程中机器可以根据自身的负载来自动控制绳锯机的进给速度，维持串珠绳在作业过程中均衡的张力，进而延长串珠绳的使用寿命以及保证切割过程的连续性。金刚石绳锯机已完全实现国产化，有的企业甚至已出口国外。

金刚石绳锯机，主要由5部分组成，如图1。机械部分而言，支承动力部件的回转部件是受力最大，最复杂的部件。因此回转部件要求牢固可靠，便于维护，是金刚石绳锯机机械设计的重点。

图1 金刚石绳锯机结构示意图Fig.1 The structure diagram of diamond wire saw machine

金刚石绳锯机回转部件主要有以下几种形式：

（1）固定式 这种结构无法进行回转和横向调整，大功率机型已基本淘汰，只有一些用于荒料切割的22kW以下的绳锯机用这种结构。

（2）门架式 如河南联合旋风生产的机型，这种结构的优点是回转机构简支梁对称支承动力系统，稳固可靠，但只能进行360度回转角度调整，不能进行横向调整，运用不是很方便。

（3）悬臂式 这种机型因其方便进行圆周内任意角度回转，在行程范围内很方便进行横向调整，因此成为金刚石绳锯机的主流产品，目前国内大部分企业生产的金刚石绳锯机运用这种结构方式。但这种机型存在一个缺点：即回转机构悬臂梁受力，负荷大。动力系统约500～2000kg的质量全部依靠回转机构的自制的蜗轮箱来悬臂支承，如图2，造成启动或工作过程中动力系统振动的现象，当竖直切割且横向调整达到极限位置时，蜗轮箱承受巨大的回转力矩。以37kW为例，回转力矩可达2600Nm，而蜗轮的制造基本使用中低强度的材料，如铸铁、铜合金，抗拉强度σb在200～500MPa之间，通常在300MPa。铜合金是贵重金属，国产机内没有选用，基本选用球墨铸铁、锌基合金等材料，这种材料铸造过程中易产生缺陷，这种金刚石绳锯机在工作中易出现蜗轮断齿而造成设备损坏的现象。另外，国产金刚石绳锯机都是各企业自行设计和制造的蜗轮箱，不是标准化产品，生产周期长、成本高；且蜗轮箱结构复杂、安装精度要求高，在矿山这种野外环境维修极不方便。

图2 蜗轮箱结构安装方式示意图Fig.2 The installation diagram of worm－gear case structure

3 回转支承在金刚石绳锯机上的运用

笔者在金刚石绳锯机的开发过程中，在总结和认真分析各种机型的优缺点的基础上，运用了单排球式外齿回转支承作为动力系统的支承，取得了成功，如图3所示。

回转支承又叫转盘轴承，在现实工业中应用很广泛，被人们称为：“机器的关节”，是两物体之间需作相对回转运动，又需同时承受轴向力、径向力、倾翻力矩的机械所必需的重要传动原件，带齿回转支承同时具有大比例齿轮减速的作用。随着机械行业的迅速发展，回转支承在船舶设备、工程机械、轻工机械、冶金机械、医疗机械、工业机械人、隧道掘进机、旋转舞台灯等行业得到了广泛的应用。一般情况下，回转支承滚动体采用整体淬硬的碳铬轴承钢，抗拉强度σb在600～800MPa，并且淬火硬度在HRC55～62。因此回转支承所能承受力是普通钢材的2～3倍，如图4。

图3 回转支承结构安装方式示意图Fig.3 The installation diagram of rotary bearing structure

图4 回转支承结构示意图Fig.4 The structure diagram of rotary bearing

金刚石绳锯机的回转部件，动力系统需作相对机箱的回转运动，又同时承受轴向力、径向力、倾翻力矩，符合回转支承运用的特征。金刚石绳锯机的回转部件受到很大的径向力矩，以37kW金刚石绳锯机为例，约在2600Nm，同时受到金刚石串珠绳切割工作的拉力约在7000N，还受到动力系统本身的重力，及其产生的力矩。单排球式回转支承选型计算如下：

（1）计算额定静容量

式中：Co——额定静容量，N

f——静容量系数，110N／mm2

D——滚道中心直径，mm

d——钢球公称直径，mm

（2）根据组合后的外载荷，计算当量轴向载荷

Cp＝P＋4370 M／D＋3.44 Fr

式中：Cp——当量轴向载荷，N

M——总倾覆力矩，N·m

P——总轴向力，N

Fr——总径向力，N

（3）计算安全系数

式中：fs——安全系数，根据工作情况选取。

Co——额定静容量，N

Cp——当量轴向载荷，N

根据金刚石绳锯机的受力情况，以及兼顾结构尺寸等因素，笔者在设计中选取了QWA560－20A，制造完成后运行良好。

回转支承在金刚石绳锯机运用中，相比蜗轮箱结构有如下优点：

（1）设计上很大程度简化了结构，装配简单，维修方便，特别有利于矿山环境。

（2）回转支承由高性能的轴承钢制造而成，具有极高的机械性能。

（3）回转支承是标准化产品，配套极为方便，生产采购成本低，互换性好。

4 结束语

随着金刚石串珠绳锯在石材矿山上的推广应用，特别是近几年来，我国金刚石串珠锯机以每年超过600台的数量走进全国各石材矿山，因此对金刚石串珠绳锯机提出更高的质量要求：那就是稳定、可靠、维修方便，进一步提高石材开采效率，减少设备损坏所造成的浪费。而回转支承正因其结构简单紧凑，体积小、重量轻、标准化制造、传动速比大、承载能力强等许多优点在各行业得到广泛运用。回转支承在金刚石绳锯机上的运用，满足了金刚石串珠绳锯机简单、稳定、可靠、维修方便的要求，是回转支承运用的一个新的范例。

Application of rotary bearing on the diamond wire saw machine

ZHOU Shi－wei1，2，3，LIU Ying4，WANG Jin－bao1，2，3，MO Shi－xiong1，2，3，SU Yu1，2，3，CHENG Yu1，2，3
（1.China Nonferrous Metal（Guilin）Geology and Mining Co.，Ltd.，Guilin，Guangxi 541004，China；2.National Special Mineral Materials Engineering Research Center，Guilin，Guangxi 541004，China；3.Guangxi Key Laboratory of Superhard Material Research and Development，Guilin，Guangxi 541004，China；4.College of Materials Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin，Guangxi 541004，China）

This paper introduced the technology condition of domestic diamond wire saw machine，the structure rotary bearing and its selection and application in the diamond wire saw machine.It has discussed the advantages and disadvantages of the diamond wire saw machine adopt the worm－gear case structure and rotary supporting structure.

diamond wire saw machine；power system；rotary system；rotary bearing；standardization

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0032－03

1 引言

近年来，金刚石串珠绳锯以其准备时间短、切割灵活、低噪声、低粉尘、低污染、节能等特点，在石材行业得到了广泛的应用。串珠绳本身结合了金刚石超强的刚性和绳索的柔性，使其能适应诸如大理石，花岗岩的开采。这种独特锯切模式，是其它金刚石工具所无法达到的；另外，串珠绳在长度上的几乎不受限制，使其适用性加强，在一些特殊场合如水下加工、建筑物的拆除等将发挥独特的作用。随着资源节约型、可持续发展、循环经济战略的不断深入，我国石材矿山开采中杜绝浪费、提高出材率、推广先进的矿山开采方式和开采设备已成为最近几年石材行业迫切需要解决的问题。自2005年以来，国产金刚石绳锯的综合性能已经接近国际先进水平，且造价低廉，完全能够满足国内石材矿山开采和板材加工业的需求，甚至有许多企业生产的绳锯产品已开始大量出口欧美等西方国家。随着金刚石绳锯的国产化，国内数家企业推出了自己的金刚石绳锯机，并在我国全面推广应用，给中国石材矿山开采水平带来了革命性的进步。

2012－03－10

周世威（1971－），男，1993年毕业于广西大学机械系机械制造专业，长期从事机械设计工作。

国家科技部科研院所技术开发专项资金，项目编号：2011EG115007。