采用滚动轴承连接的天轮装置的设计研究

赵光辉，徐永福，刘同欣，李玉辉

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

矿井提升机是矿山的关键设备之一，承担着矿石、人员、各种材料和设备的提升和运送任务[1]。其中，天轮装置是矿井提升机的主要受力部件，其结构设计的合理性与否影响着矿山的安全运行和企业的生产效率。

长期以来，国内众多学者对矿井提升机天轮装置进行了大量的研究[2-4]。杜波等人[5]对天轮装置使用中经常出现的异响、轴瓦连接螺栓断裂等问题进行了分析，并给出了结构改进方案；双永顺等人[6]针对天轮装置使用过程中的轴瓦磨损、游动轮轮缘偏摆超差等故障进行了分析，并给出了修复方案；乔金广等人[7]对天轮装置的结构和运行状态进行了分析，阐述了天轮装置异响的各种原因，并提出了解决方案。上述研究表明，天轮装置在结构设计上的缺陷，给设备的安全运行带来了隐患；因此，开发一种新型结构的天轮装置有重要意义。

1 天轮装置的设计

矿井提升机的天轮装置安装在井架上，其作用一是改变钢丝绳的方向，二是根据提升系统要求，调整提升容器的中心距[8]。

1.1 传统天轮装置

传统天轮装置结构如图 1 所示。每套天轮由数个单独的轮子组成，其中一个轮子用平键与天轮轴连接，称作固定轮，钢丝绳运动时带动固定轮转动，固定轮又带动天轮轴一起转动；其余的轮子与天轮轴是游动的，称作游动轮，游动轮与天轮轴之间装有两半式轴瓦[8]。

图1 传统天轮装置的结构Fig.1 Structure of traditional head sheave

运行过程中，需要定期对两半式轴瓦进行润滑。提升机规格越大，天轮受力越大，轴瓦润滑油路越易堵塞，造成润滑不良。轴瓦与天轮轴之间形成干摩擦，容易出现天轮装置异响、轴瓦固定螺栓断裂、轴瓦磨损等现象[9]，造成天轮装置游动轮轮缘偏摆超标。偏摆超标会增加提升系统的运行载荷，严重时会造成重大的安全事故[10]。

1.2 滚动轴承天轮装置

采用滚动轴承的天轮装置的结构如图 2 所示。每个游动轮的内孔与天轮轴的外缘面之间通过轴套 A设有 2 个滚动轴承，每 2 个滚动轴承的外端设置轴套B，轴套 B 通过轴承端盖固定在游动轮的端面上。在轴套 B 的外缘面与轴承端盖内孔的内缘面之间设有密封圈，防止外界杂质污染润滑油。

图2 采用滚动轴承天轮装置的结构Fig.2 Structure of head sheave with rolling bearing

每个游动轮的轮缘上设有注油孔，每个注油孔均有注油嘴，注油嘴通过铜管贯通至游动轮内孔，以便在日常检修中对滚动轴承补油润滑，提高天轮装置的使用寿命。

运行时，提升钢丝绳带动固定轮转动，固定轮通过平键带动天轮轴一起转动，天轮轴与每个游动轮之间靠 2 个滚动轴承支撑，各滚动轴承之间通过轴套 A和轴套 B 进行轴向定位，并通过轴承端盖与游动轮固定。当各提升钢丝绳的线速度不完全相同时，游动轮与天轮轴之间可以自由地相互转动。

滚动轴承承载能力强，可承受一定的轴向载荷，摩擦力小，使用寿命长。采用滚动轴承连接的天轮装置，可有效避免游动轮与天轮轴之间的干摩擦，解决天轮装置异响、轴瓦固定螺栓断裂、轴瓦磨损、游动轮轮缘偏摆超标等问题。

2 轴承的选型计算

除滚动轴承外，新结构天轮装置的选型计算与传统天轮装置的选型计算一致，在此不再阐述，只对滚动轴承的选型计算加以说明。

滚动轴承的选型与天轮轴轴径、钢丝绳间距和轴承寿命有关。对传统天轮装置进行整体改造，滚动轴承的选型计算主要从轴承的内径、宽度以及寿命 3 个方面进行考虑。

以 JKMD-4×4 型多绳摩擦式提升机为例，其主要技术参数如表 1 所列。

表1 JKMD-4×4 型提升机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of JKMD-4×4 hoist

(1) 轴承内径 轴承内径的选取与天轮轴强度有关。天轮轴受力如图 3 所示。

图3 天轮轴的受力Fig.3 Force state of head sheave shaft

钢丝绳最大动拉力

式中：α为出绳仰角，α=50°～ 90°，按中间角度计算，取 70°。

单个轮体所受的垂直力

单个轮体所受的水平力

式中：N 为轮体个数，取 4；G 为轮体自重。

截面处的抗弯弹性模量

式中：d 为天轮轴截面的直径，mm。

截面处的弯曲应力

式中：MⅠ-Ⅰ为天轮轴截面处的弯矩。

截面处的安全系数

式中：σ-1为对称循环应力下材料的弯曲疲劳极限；Kσ为弯曲时的有效应力集中系数；β为表面质量系数；εσ为绝对尺寸影响系数。

由公式 (1)～ (6) 可得，滚动轴承天轮轴截面的直径即为轴承内径。

(2) 轴承宽度 滚动轴承宽度主要与轴套 A 及 B的宽度、钢丝绳间距 (300 mm) 有关。装配时，游动轮应转动灵活，固定轮同天轮轴一起空转灵活，均不得有卡阻现象；每个游动轮内圈的轴套 A 应压紧，用塞尺检查并确保紧贴无缝。

(3) 轴承寿命 单个轴承所受当量动载荷

轴承寿命

式中：n 为提升机转速，r/min；C 为基本额定动负荷，kN。

轴承设计寿命按 20 a 计算，选用单列圆柱滚子轴承。该轴承的滚子由内圈上的挡边所引导，挡边结合滚子的特殊设计和表面处理，能产生良好的润滑效果，减少了摩擦，降低了轴承的运行温度。轴承中一个带挡边的圈套和滚子与保持架组件连在一起，并可与另一个圈套分离，便于安装和拆卸，适合天轮装置的使用工况。

如果仅对天轮装置进行局部改造，不更换天轮轴，滚动轴承内径须与现有天轮轴直径保持一致，滚动轴承选型时只计算轴承宽度和轴承寿命即可。

3 轴承的润滑

滚动轴承能有效可靠地运行，必须要有充分的润滑，防止滚动体、滚道与保持架支架发生直接接触。润滑剂的选择主要取决于轴承的工作条件，如工作温度、转速、环境温度等。用最少量的润滑剂且能保持轴承可靠运行，可以达到最理想的工作温度。使用润滑脂时应注意以下内容。

(1) 润滑脂的选用 天轮安装在井架上，风吹日晒雨淋，使用条件恶劣，推荐选用抗水性、防锈蚀较好的 2 号锂基脂。

(2) 润滑脂的填充 安装时，应先清洗滚动轴承后填充润滑脂。填充时应填满整个轴承，用量以占轴承座体空间的 1/2～1/3 为宜。

(3) 润滑脂的加注量 滚动轴承使用过程中，由于机械功、老化和污染物的集聚，轴承内的润滑脂会逐渐失去润滑功能，因此需要定期补充或更换润滑脂。建议每季度补充一次，每年应全部更换一次。润滑脂的加注量

式中：D 为轴承外径，mm；B 为轴承宽度，mm。

(4) 润滑脂的加注方法 用油泵加注润滑脂的方法如下：①取下游动轮轮缘处润滑点上的螺塞，将随主机供货时提供的油泵接头拧入润滑点，并与油泵出油口连在一起；② 将润滑脂装入油泵内，装填时应尽量避免夹杂空气；③按油泵说明书要求调整油泵各部位；④ 循环压动给油杆进行给油作业；⑤加油完毕取下接头，涂油防锈并妥善保管，用螺塞将润滑点堵上，以免脏物和灰尘进入。

4 结语

设计了一种游动轮与天轮轴之间采用滚动轴承代替轴瓦连接的新结构天轮装置。该新型天轮装置已广泛用于多个提升机项目上，天轮异响问题基本解决，应用效果良好。对于旧结构天轮装置的升级改造具有一定的指导意义。