董建峰，王 昆，劉 虎，曹海軍

(江蘇省金象傳動設備股份有限公司，江蘇 淮安 223001)

0 前言

在當前的產(chǎn)業(yè)背景下，基于節(jié)能降耗減排的國家政策要求，立磨成為粉磨生產(chǎn)的發(fā)展方向，但是，受螺旋錐齒輪生產(chǎn)規(guī)格的限制，在采用加長傳動鏈、雙電機輸入等手段后，立磨的傳動裝置勉強發(fā)展到5 MW的規(guī)格。因此，在解決多分流均載、雙行星傳動、大規(guī)格螺旋錐齒輪精密制造等技術(shù)的條件下，大型立磨傳動裝置的發(fā)展前景廣闊。本文研究立磨及其傳動裝置技術(shù)的現(xiàn)狀，為實現(xiàn)大型化規(guī)?；⒛ゼ夹g(shù)盡力。

1 立磨技術(shù)的概況

1.1 立磨的發(fā)展歷程

立磨是低能耗的粉磨工藝設備，又稱立式磨、輥磨、立式輥磨。世界上第一臺立磨是上個世紀二十年代在德國研制出來，1935年立磨首次用于水泥生產(chǎn)。上個世紀60年代起，立磨得到了改進，應用得到推廣。

我國自上世紀80年代起，因窯外分解新型干法工藝的開發(fā)與推廣，開始重視立磨粉磨技術(shù)，天津水泥研究設計院開發(fā)出了TKM系列立磨，合肥水泥工業(yè)設計研究院研究開發(fā)出了HRM系列立磨，但產(chǎn)能限于1 000 t/d的生產(chǎn)線配用，1985年沈重從德國Pfeiffer公司引進了2 000 t/d以下規(guī)模生產(chǎn)線配套的MPS立磨制造技術(shù)。

1.2 立磨類型及主要供貨商

各型立磨在結(jié)構(gòu)上的差異最突出的是在磨盤的結(jié)構(gòu)和磨輥的形狀及數(shù)目上，選粉裝置和對磨輥的加壓方式也各有不同。國際上幾種主要類型立磨及其公司為:MPS型立磨，也稱非凡磨，德國普費佛(Pfeiffer)公司;ATOX型立磨，丹麥史密斯(F.L.Smidth)公司;RM型立磨，德國伯力鳩斯(Polysius)公司;LM型立磨，德國萊歇(Loesche)公司。國內(nèi)引進和開發(fā)立磨的主要廠商有:天津仕名(TRM)，合肥中亞(HRM)，沈重(MPS)。

1.3 立磨生產(chǎn)的特點

粉磨生產(chǎn)中，常用的設備有球磨、輥壓機、立磨等。其中，輥壓機一般都要配套球磨機才能完成粉磨工序。顯然，立磨將是粉磨行業(yè)、也是水泥粉磨的發(fā)展大方向。各粉磨生產(chǎn)技術(shù)比較見表1。

表1 各類型粉磨生產(chǎn)技術(shù)比較Tab.1 General comparison between various mills

(1)在粉磨理論上，立磨采用了非完全限定料床擠壓粉碎的原理，與球管磨相比，其粉磨效率為它的165%，節(jié)約電耗20%～40%。粉磨物料為P.O42.5，產(chǎn)品比表面積350 m2/kg，各粉磨生產(chǎn)的設備能耗比較見表2。

表2 各粉磨生產(chǎn)的設備能耗比較Tab.2 Comparison in terms of energy consumption between various mills

(2)系統(tǒng)漏風少，比球磨系統(tǒng)的少一半多，可降低廢氣處理成本;

(3)噪聲小得多，大大減少噪聲污染;

(4)集中碎、粉磨、烘干、選粉與氣力輸送等5項單元操作于一體，設備少，系統(tǒng)簡單，占地少，建安費用低很多;

(5)立磨是在負壓下工作，無揚塵，基本避免了粉塵污染;

(6)金屬磨耗低;

(7)立磨對粉磨物料適應性強，可磨各種原料，如水泥熟料、石灰石、砂巖、煤、高爐鋼渣、礦石等等，只需對工作參數(shù)進行調(diào)整，均能生產(chǎn)出不同粒度及比表面積的合格產(chǎn)品;

(8)立磨設備工藝性能優(yōu)越，能粉磨入料水分高、粒度大的原料，設備運轉(zhuǎn)率高，對成品質(zhì)量控制快捷，更換產(chǎn)品靈活，易實現(xiàn)智能化控制;

(9)適應水泥裝備大型化配套之需，簡化工藝流程與車間布置。

2 立磨傳動裝置技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢

2.1 立磨傳動裝置及生產(chǎn)廠商

立磨傳動裝置是驅(qū)動立式磨機的傳動設備。立磨減速機由電機驅(qū)動，經(jīng)聯(lián)軸器、主減速機，通過磨盤與立磨相連。主減速機還配有高低壓油站，在啟制動時和正常運轉(zhuǎn)時提供高壓油使推力軸承與磨盤推力面之間形成液墊，抬起磨盤，保證推力軸承不致擦傷損壞。

立磨傳動設備主要供貨商，國外的有德國SIEMENS、德國 RENK、瑞士 MAAG，丹麥SMITH等公司，國內(nèi)以中信重型、中船重工、南高齒、金象傳動、荊州巨鯨、杭齒為主要制造商，其較大的使用功率有5 300 kW、4 800 kW、4 500 kW、4 200 kW、4 000 kW，德國Siemens公司產(chǎn)品樣本最大功率為7 100 kW。從產(chǎn)能來看，立磨已經(jīng)配置到了5 000～10 000 t/d的水泥生產(chǎn)線。

2.2 立磨傳動裝置常規(guī)技術(shù)參數(shù)

(1)齒輪傳動AGMA服務系數(shù)≥2.5，設計壽命為無限壽命;

(2)除推力軸承外，全部采用滾動軸承，軸承設計壽命(L10)均大于1×105h;

(3)錐齒輪副采用克林根貝爾齒制，常采用材料為17CrNiMo6優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼，滲碳淬火，齒部硬度大于HRC58，精度6級(ISO1328);

(4)行星傳動齒輪壓力角為25°，也有采用20°，須協(xié)調(diào)配置重合度、接觸強度和彎曲強度;

(5)行星輪、太陽輪為滲碳淬火硬齒面齒輪，齒部硬度大于HRC58，采用齒形修形和齒根噴丸技術(shù)，精度6級;

(6)內(nèi)齒圈采用調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)硬度大于HB300，內(nèi)齒圈磨齒，精度6級(ISO1328);

(7)為保證整個產(chǎn)品安全運行，整個傳動系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)都配置了監(jiān)控，對過濾器進出油口的油壓差、高壓泵出油口的油壓、管路的流量、各油口的油溫、軸瓦溫度、振動等參數(shù)，實行連續(xù)監(jiān)控。對稀油站和主電機采用電氣連鎖，對整機設置自動報警、自動停機等保護措施。當以上監(jiān)控點參數(shù)偏離標準值時，監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)出警報信號或者使系統(tǒng)停機，從而保證了整機運行的安全可靠。

3 立磨傳動裝置的新技術(shù)

3.1 多分流均載技術(shù)

在立磨傳動裝置的行星傳動部分，常采用在可靠均載條件下功率多分流的設計思路。除了常規(guī)的3行星輪均載，依托行星架輪系超高精度形位公差的精確保證，4、5、6甚至更多的行星輪分流均載將得以實現(xiàn)。如6行星輪分成3組的均載機構(gòu):行星傳動由3個行星輪組構(gòu)成，每組由2個行星輪與浮動架聯(lián)接，3個浮動架再與行星架聯(lián)接，并等分分布。浮動架通過圓柱銷與行星架鉸接。其均載原理:三個行星輪組自動定心，實現(xiàn)行星架在合理誤差范圍內(nèi)的浮動(自適應)，而每個行星輪組的兩個行星輪亦可通過鉸接實現(xiàn)與內(nèi)齒圈、太陽輪嚙合的徑向浮動(自適應);在組內(nèi)行星輪距離較為嚴格控制的情況下，上述兩處自適應成就了均載條件下功率6分流。其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 6行星輪三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 3D drawing of the 6-planetary-gear assembly

3.2 雙行星傳動形式

立磨傳動裝置由“錐齒輪+平行齒輪+行星齒輪”傳動形式發(fā)展為“錐齒輪+行星齒輪+行星齒輪”的雙行星傳動形式。采取雙行星傳動，有利于適應大傳動比要求，減小螺旋錐齒輪、行星內(nèi)齒輪的尺寸，特別是方便在滑動軸瓦內(nèi)側(cè)空間布置二級行星傳動，極大地降低了立磨減速機的高度，節(jié)約了空間和成本。

對于雙行星傳動形式，第一級為直角傳動的圓錐齒輪副，安裝大錐齒輪的軸垂直向上，通過雙齒聯(lián)軸器與第二級行星傳動中的太陽輪聯(lián)接起來。第二與第三級行星齒輪傳動采用串聯(lián)方式。

第一級圓錐齒輪傳動部分一般設計為一對克林貝爾格延伸外擺線螺旋錐齒輪。材質(zhì)常采用17CrNiMo6，大小齒輪均滲碳淬火，精度DIN6級。小錐齒輪和大錐齒輪均通過軸承座裝入下箱體中，兩軸承座法蘭下設有調(diào)整墊，用于調(diào)整錐齒輪副接觸區(qū)的位置和齒側(cè)間隙。錐齒輪副速比范圍通常為2.5～3.5。第二級行星齒輪傳動一般只需采取3行星輪均載，第二級行星齒輪傳動速比范圍通常為3.5～5.0。由于第三級行星齒輪傳動傳遞扭矩大，故須采用多分流均載機構(gòu)。第三級行星齒輪傳動速比范圍通常為2.0～3.0。

3.3 關(guān)鍵零部件的加工工藝

克林貝格螺旋錐齒輪傳統(tǒng)的加工方法是試切-滾檢法，即先根據(jù)齒輪參數(shù)按經(jīng)驗選定合適的刀具(刀盤與刀片)，分別加工小輪與大輪，然后在滾檢機床按照使用時的裝配參數(shù)配對嚙合，得到齒面接觸斑點圖，如果接觸斑點未能達到要求，則必須返修小輪，通過調(diào)整輪位、刀盤直徑、刀片參數(shù)等再重新切削，改變接觸斑點的三個特征參數(shù)，得到理想的結(jié)果?！扒邢鳎瓭L檢”過程至少要反復兩次，通常要反復三次以上，接觸斑點在齒長方向不超過40%。這種方法加工過程較為繁瑣，周期長，接觸斑點水平具有較大的偶然性，可控性差，對經(jīng)驗的依賴性大，而且所能達到的最高水平也不夠理想。

隨著數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，通用、精密數(shù)控機床，在配置必要的軟件后，采用新工藝流程“建模+齒面接觸仿真+計算機分析調(diào)整+精密數(shù)控切削”，實現(xiàn)了大規(guī)格螺旋錐齒輪的精密制造。

螺旋錐齒輪的齒面接觸分析技術(shù)(TCA技術(shù))，是運用軟件仿真的方法，將精確建模的一對螺旋錐齒輪導入仿真軟件，按照裝配關(guān)系確定空間位置，模擬齒輪副嚙合過程，對齒廓曲面剛性接觸情況進行分析，得到接觸斑點;如果接觸斑點無法達到要求，可通過修改刀盤直徑、刀片模數(shù)、齒廓修形量、齒向修形量、變位系數(shù)、安裝距等參數(shù)后，再進行分析計算;通過反復多次計算，直到得到符合要求的接觸斑點，再將最終的齒輪副模型用于數(shù)控加工，使加工結(jié)果完全可控。這種方法的調(diào)整控制變量多達六個，而且參數(shù)可以連續(xù)取用，因此不受傳統(tǒng)方法刀具組數(shù)固定的限制。采用TCA多參數(shù)軟件控制技術(shù)，使接觸斑點遠超出傳統(tǒng)方法所能達到的水平，齒長方向最高可達70%，齒廓方向達50%;同時，經(jīng)TCA分析修正后的齒輪模型，用五軸聯(lián)動加工中心一次加工成型，不需要傳統(tǒng)方法的反復試切滾檢，加工效率提高2倍以上。圖2是TCA軟件分析結(jié)果與實際加工滾檢的接觸斑點比較。

圖2 模擬與加工實物齒輪接觸斑點的比較Fig.2 Comparison in terms of contact pattern between simulation and actuality

大型內(nèi)齒圈、人字齒輪副等的關(guān)鍵零部件，皆可以采用此數(shù)控技術(shù)精密制造。

3.4 安全可靠的液壓和監(jiān)控系統(tǒng)

大型磨盤推力軸承及其承載法蘭，將承擔數(shù)千噸的壓力，須配置高壓供油系統(tǒng)。高壓供油系統(tǒng)在主機啟動前向軸瓦的高壓油腔供油，將磨抬起。正常運轉(zhuǎn)時，常壓(低壓)供油系統(tǒng)分別向太陽輪和行星輪、螺傘及滾動軸承供油，高壓系統(tǒng)向推力瓦供油，推力瓦始終浸泡在油中，始終保持良好的潤滑狀態(tài)和較低的溫度。正常運轉(zhuǎn)時，在額定軸向靜負荷下，軸瓦的油膜厚度為0.07 mm，在尖峰軸向負荷下，軸瓦的油膜厚度為0.05 mm，軸瓦溫度控制在55℃以下，確保安全可靠的運轉(zhuǎn)。整個潤滑系統(tǒng)作為一個復雜部件，還集成了控制系統(tǒng)，采集敏感的油壓等信號進行潤滑系統(tǒng)的調(diào)控，更加安全可靠。

控制系統(tǒng)較為復雜，傳感器有溫度、溫差、壓力、壓差、流量、振動等等，各種控制器和傳感器協(xié)調(diào)運行，控制著主電機、輔助傳動電機、幾臺高壓油泵、低壓油泵、加熱器、冷卻閥門、聲光報警等，嚴格執(zhí)行安全邏輯，確保設備順利運行。

關(guān)于行星輪系滾動軸承的潤滑，采用離心力潤滑結(jié)構(gòu)，有專門的供油線路。從行星架靠近中心部位供油，油路從中部向外圍擴散，通過行星輪軸的油孔，進入行星輪軸承。本結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點:①離心力驅(qū)動，驅(qū)動力大小適中，油量適中;②潤滑油流動的沿程油路通道無管接頭聯(lián)接，在使用過程中不會因為振動等原因而松動，牢固可靠;③對軸承的供油不受行星輪公轉(zhuǎn)位置不固定的影響。

4 結(jié)束語

立磨傳動裝置是立式磨機的關(guān)鍵部件，但立磨的大型化受到傳動裝置的限制。隨著傳動裝置性能的突破，5～6 MW的超大型立磨傳動必將是今后3～5年內(nèi)的發(fā)展重點。大型立式磨機的需求量將大幅度提高，產(chǎn)業(yè)化前景非常廣闊。

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