水泥球磨机调心滚子轴承接触应力和寿命分析

贾磊，李云峰

(1.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471039；2.商丘工学院 机械工程学院，河南 商丘 476000)

球磨机是水泥、矿山行业重要的大型设备,轴承是球磨机的核心部件，其性能将直接影响整机设备的稳定性和可靠性[1-2]。球磨机小齿轮轴两端一般采用调心滚子轴承，其能够承受较大的轴向、径向载荷。目前，该位置使用的调心滚子轴承主要依赖进口，国产化率较低。

球磨机轴承的研究主要集中在轴承失效分析方面，轴承失效的原因包括齿轮啮合振动、温升过高、窜轴、润滑不良、漏油等[3-13]，缺乏对球磨机用调心滚子轴承接触应力和寿命的研究。鉴于此，基于某大型球磨机齿轮传动结构，介绍了球磨机轴承载荷计算方法，建立Romax仿真模型，分析了径向力、齿轮推力、温度对调心滚子轴承接触应力和寿命的影响。

1 轴承载荷分析

球磨机齿轮传动布置如图1所示，传动机构中使用斜齿轮结构，小齿轮为主动轮，由电动机驱动。轴两端由两套相同的调心滚子轴承支承。

1—驱动电动机；2—小齿轮；3—滚筒；4—出料装置；5—调心滚子轴承;6—大齿圈；7—进料装置图1 球磨机齿轮传动布置图Fig.1 Gear transmission layout of ball mill

小齿轮作为斜齿轮，其载荷分析简图如图2所示，计算方程为[14]

图2 斜齿轮载荷分析简图Fig.2 Load analysis diagram of helical gear

(1)

(2)

Fa=Fttanβ，

(3)

式中：Ft为齿轮切向力；Fs为齿轮分离力；Fa为齿轮推力；P为主电动机功率；d1为小齿轮节圆直径；n为小齿轮转速；αn为小齿轮法向压力角；β为小齿轮分度圆螺旋角。

两点支承轴的受力分析如图3所示，对于轴承B，垂直分力为

图3 轴受力分析简图Fig.3 Diagram of shaft force analysis

(4)

水平分力为

(5)

合成径向力为

(6)

式中：c1，c2为力作用点到轴承A的距离；θ1，θ2，θ3为各载荷与基准面的夹角；ae为轴承间距；F为外载荷；M为外加力矩。

对于轴承A, 垂直分力为

FrAv=Frcosθ1+Ftsinθ1+Fcosθ2-FrBv,

(7)

水平分力为

FaAh=Frsinθ1-Ftcosθ1+Fsinθ2-FaBh,

(8)

合成径向力为

(9)

2 Romax仿真模型

某球磨机小齿轮轴主要参数见表1，假设轴不承受额外径向力和力矩，同时大小齿轮接触角为0°。轴两端选用相同的23284CA/W33双列调心滚子轴承，其主要结构参数见表2。采用ISO VG 220润滑油，轴转速200 r/min。通过上节计算方法可得:单套轴承径向载荷Fr=417 kN，两轴承相同；齿轮推力Fa=86 kN。

表1 小齿轮轴主要参数Tab.1 Main parameters of pinion shaft

表2 双列调心滚子轴承主要参数Tab.2 Main parameters of double row spherical roller bearing

Romax软件提供了较全的轴承类型库，建模方便，分析过程时间短，在轴承分析领域得到广泛应用[15-21]。基于Romax Designer建立轴模型，左端轴承A外圈与轴承座固定，内圈与轴可滑动，为游动端；右端轴承B内外圈均固定，为固定端。Romax轴系模型如图4所示，基于Romax建立调心滚子轴承仿真模型。

图4 Romax轴系模型简图Fig.4 Diagram of Romax shafting model

3 轴承接触应力和寿命分析

3.1 径向力的影响

轴承内部温度设为50 ℃(正常运转时温度在常温至70 ℃[22])，齿轮推力取86 kN，轴承正常运行所需的最小径向载荷Fr=0.02C0r=234 kN，分别对两端轴承各自施加300～1 500 kN径向力。轴承仅受径向力时，两端轴承分析结果相同，在此仅取其中一套轴承分析,径向力对轴承最大接触应力和寿命(ISO 281：2007L10h寿命)[23-24]的影响如图5所示，由图可知:1)随径向力增大，最大接触应力增大，轴承寿命减小。2)载荷每增大200 kN，最大接触应力增大约100 MPa，但轴承寿命呈10倍减小，当载荷超过1 100 kN时，寿命已不足105h(约10年)。

图5 径向力对轴承最大接触应力和寿命的影响Fig.5 Influence of radial force on maximum contact stress and life of bearing

当径向力分别取最小载荷300 kN和最大载荷1 500 kN时内圈滚道接触应力云图如图6所示，由图可知：随径向力增大，接触应力增大，接触范围也增大。若增加到一定程度，将会出现边缘应力集中现象。

图6 不同径向力下内圈滚道接触应力云图Fig.6 Nephogram of contact stress of inner ring raceway under different radial force

3.2 齿轮推力的影响

轴承内部温度设置为50 ℃，径向力取800 kN，齿轮推力取0～250 kN时，齿轮推力对轴承最大接触应力和寿命的影响如图7所示。

图7 齿轮推力对轴承最大接触应力和寿命的影响Fig.7 Influence of gear thrust on maximum contact stress and life of bearing

由图7可知：1)齿轮推力对固定端轴承接触应力和寿命影响较大，对游动端轴承影响较小。2)随齿轮推力增大(0～225 kN)，固定端轴承列1(靠近游动端为列1，另一列为列2)接触应力呈减小趋势，而列2呈增大趋势，载荷逐渐向列2集中；超过225 kN后，列1接触应力略有增加，列2略有减小。3)在0 kN时，列1和列2接触应力相同，在225 kN时，列2的接触应力约为列1的13倍。

不同齿轮推力下固定端轴承内圈滚道接触应力云图如图8所示(左图为列1，右图为列2)，由图可知：随齿轮推力增大，列2接触应力和范围逐渐增大，而列1逐渐减小，列2将受到较严重的损伤。

图8 不同齿轮推力下固定端轴承内圈滚道接触应力云图Fig.8 Nephogram of contact stress of inner ring raceway of fixed end bearing under different gear thrust

综上分析可知：固定端轴承是小齿轮轴传动中的薄弱环节，承受冲击或齿轮推力过大时，固定端轴承很可能会由于单列受载过大而损坏。

3.3 运行温度的影响

当径向力为417 kN、齿轮推力为86 kN时，分析温度对轴承最大接触应力和寿命的影响。由于固定端轴承是重点关注对象，在此仅列出固定端轴承(图9)。由图9可知：1)由于载荷固定，温度对接触应力的影响并不明显，但在70 ℃处发生了明显转折，说明此时接触面的润滑状态发生了变化，可能从弹流润滑转变为混合润滑状态，若温度持续升高，最后可能转变为干摩擦状态。2)温度对轴承寿命影响较大，在50 ℃以下轴承寿命基本不变，超过50 ℃后，随温度继续升高，轴承寿命急剧下降。

图9 温度对固定端轴承最大接触应力和寿命的影响Fig.9 Influence of temperature on maximum contact stress and life of fixed end bearing

4 结论

通过建立Romax轴系模型，对球磨机齿轮轴调心滚子轴承的接触应力和寿命进行分析，得到以下结论：

1)随径向力增大，轴承最大接触应力逐渐增大，轴承寿命减小。

2)游动端轴承接触应力和寿命不受齿轮推力的影响;随齿轮推力增大，固定端轴承内远离游动端一列的接触应力和范围大于另一列，对轴承寿命影响较大。

3)温度对轴承接触应力的影响较小，对轴承寿命影响较大。