董曉明，康清華，熊 健，張豐松

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3國家礦山機械質(zhì)量檢測檢驗中心 河南洛陽 471039

球磨機作為將固體物料細化制粉的關(guān)鍵設(shè)備，在水泥、電力、冶金、化工、建筑、金屬礦及非金屬礦選礦廠以及國防工業(yè)等多個行業(yè)有廣泛應(yīng)用，尤其在當(dāng)前選礦產(chǎn)業(yè)中，球磨機占據(jù)著十分重要的地位。

軸向力是旋轉(zhuǎn)機械的重要工作參數(shù)，是影響其使用壽命的重要因素之一。過大的軸向力會加速軸承的損耗，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向竄動，噪聲變大，整體負(fù)載加重，嚴(yán)重時會造成燒瓦、斷軸、密封隔板的損壞等故障，給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟損失。因此測量旋轉(zhuǎn)機械軸向力，獲取其受力狀態(tài)具有十分重要的意義。當(dāng)前軸向力測量多數(shù)采用的是推力軸承、傳力環(huán)、應(yīng)變電測法等測量手段，取得了一定的成果[1-2]。

某礦山球磨機驅(qū)動軸軸承內(nèi)腔剝落、滾珠異常磨損，使用壽命短。軸承一旦損壞需連同驅(qū)動軸一起返廠維修，不僅運輸費用高，而且維修時間長，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，給用戶造成了較大經(jīng)濟損失。球磨機工作現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，條件惡劣，驅(qū)動軸可供安裝傳感器空間狹窄。無線應(yīng)變電測法采用無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸可靠，解決了在球磨機驅(qū)動軸上引出信號線困難的問題。采用電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟準(zhǔn)確度高，占用空間小，同時還具有安裝、操作方便等優(yōu)點，適用于球磨機現(xiàn)場條件惡劣工況測試[3]。因此采用無線應(yīng)變電測法對礦山球磨機驅(qū)動軸軸向力進行測試。

1 軸向力的測試

1.1 測試系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)采用北京必創(chuàng)無線應(yīng)變采集系統(tǒng)。整個測試系統(tǒng)主要由傳感器 (電阻應(yīng)變片)、SG401 無線應(yīng)變節(jié)點、無線接收網(wǎng)關(guān)、計算機 4 部分組成。該無線應(yīng)變采集系統(tǒng)基于 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。無線系統(tǒng)自動識別各應(yīng)變節(jié)點，自主組網(wǎng)，無線應(yīng)變節(jié)點與網(wǎng)關(guān)間通過天線進行通信。無線應(yīng)變節(jié)點由電源模塊、采集處理模塊、無線收發(fā)模塊組成，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，可固定在驅(qū)動軸上隨驅(qū)動軸一起旋轉(zhuǎn)。無線接收網(wǎng)關(guān)通過 U SB 連接線與計算機相連，并由計算機 USB 供電。通過計算機上的 BeeData采集軟件發(fā)送相關(guān)測試指令，接收和存儲數(shù)據(jù)，完成整個測試過程。

1.2 驅(qū)動軸軸向力測試原理

無線應(yīng)變電測法是將電阻應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件表面，按照正確方式接入測量電路。當(dāng)構(gòu)件變形時，電阻應(yīng)變片的電阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，然后通過應(yīng)變儀將電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，再換算成應(yīng)變值，從而得到被測構(gòu)件表面的應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系確定被測構(gòu)件表面的應(yīng)力狀態(tài)。在測量時，可根據(jù)不同測試參數(shù) (如軸向力、彎矩等) 組成相應(yīng)半橋或全橋電橋，并利用電橋的特性提高應(yīng)變讀數(shù)的數(shù)值[4]，然后通過無線傳輸模式接收和存儲數(shù)據(jù)。

球磨機驅(qū)動軸在實際工作條件下受載模式并非是單一的，而是受彎矩、轉(zhuǎn)矩、軸向力等載荷共同作用。本次測試采用無線應(yīng)變電測法測試驅(qū)動軸工作過程的實時軸向力。為了準(zhǔn)確地測量驅(qū)動軸的軸向力，選擇在驅(qū)動軸的合適位置按圖 1、2 所示的全橋法連接應(yīng)變片 (R1，R2，R3，R4)。這樣可以消除彎矩和轉(zhuǎn)矩的影響，只測量其受到的軸向力。同時，采用全橋法組成的電路還可以實現(xiàn)溫度補償?shù)墓δ?，提高電路輸出的?zhǔn)確度[5]。

圖1 應(yīng)變片位置示意Fig.1 Sketch of location of strain gauges

圖2 應(yīng)變測量橋路原理Fig.2 Principle of strain test bridge circuit

若以εF、εM、εn、εt分別代表軸向拉力、彎矩、轉(zhuǎn)矩在被測點引起的應(yīng)變和溫度引起的應(yīng)變。而ε2、ε4中由拉力引起的軸向應(yīng)變′=-μεF(μ為桿件材料泊松比) 則各應(yīng)變片的應(yīng)變分別為

式中：ε1、ε2、ε3、ε4分別為應(yīng)變片 R1、R2、R3、R4的應(yīng)變；μ為泊松比，μ=0.26。

軸向力引起的應(yīng)變

式中：E為彈性模量，P a；σ為應(yīng)力，Pa；S為測點位置軸的截面積，m2；r為軸半徑，m；F為最終軸向力，N。

2 測試結(jié)果與分析

球磨機驅(qū)動軸處結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。當(dāng)球磨機啟動時，電動機帶動驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，驅(qū)動軸中部斜齒輪驅(qū)動球磨機大齒圈轉(zhuǎn)動。驅(qū)動軸自由端允許一定的軸向間隙，釋放軸向力，改善驅(qū)動軸受力狀態(tài)。分別在球磨機的電動機側(cè)和慢驅(qū)側(cè)按圖 1、2 所示粘貼應(yīng)變片，連接信號線。測試以球磨機靜止不動，電動機未啟動、氣動離合器分離狀態(tài)下電路調(diào)零。測試球磨機從啟動到平穩(wěn)運轉(zhuǎn)過程中的動態(tài)軸向力。

圖3 球磨機驅(qū)動軸結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural sketch of driving shaft of ball mill

該球磨機型號為φ7.6 m×11.4 m球磨機。驅(qū)動軸的貼片處直徑為 490 mm，驅(qū)動軸材料為 17CrNiMo6，彈性模量E=2.1×1011P a，μ取 0.26，然后將測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)帶入式 (9)，從而得出球磨機驅(qū)動軸的軸向力。其結(jié)果曲線如圖 4 所示。

圖4 驅(qū)動軸軸向力變化曲線Fig.4 Variation curve of axial force of driving shaft

由圖 4 可以看出：球磨機在啟動過程中受到的軸向力較大，之后平穩(wěn)運行階段軸向力呈現(xiàn)周期性的波動；其中電動機側(cè)軸向力變化區(qū)間為 -656.4～ 47.4 kN，慢驅(qū)側(cè)軸向力變化區(qū)間為 -262.2～281.5 kN；電動機側(cè)的軸向力大于慢驅(qū)側(cè)的軸向力，電動機側(cè)軸向力啟動時約為平穩(wěn)運行階段的 1.7 倍，平穩(wěn)運行階段軸向力為 -50～400 kN，變幅約為 450 kN；慢驅(qū)側(cè)軸向力啟動時約為平穩(wěn)運行階段的 2.6 倍，平穩(wěn)運行時軸向力為 -120～200 kN，變幅約為 320 kN；該球磨機驅(qū)動軸軸向力理論計算值約為 160 kN，實測結(jié)果偏大。

測試結(jié)果表明軸向力過大可能是導(dǎo)致球磨機軸承內(nèi)腔剝落、滾珠異常磨損的原因之一。球磨機軸向力主要為驅(qū)動軸中部傳動斜齒輪的軸向分力，軸向力過大產(chǎn)生的原因為：

(1) 傳動齒輪技術(shù)問題，傳動齒輪的螺旋角選用不當(dāng)，或齒輪的不均勻嚙合，對軸承造成嚴(yán)重的沖擊載荷，縮短軸承使用壽命；

(2) 自由端軸向間隙不合適，自由端軸承座的間隙是用來釋放固定端受到的軸向力，而不是使軸承因溫度變形或受力偏載而成為自由活動的軸承；

(3) 地基不牢，底部螺栓松動，軸承座振動大；

(4) 球磨機長期超負(fù)荷運行。

針對軸向力過大，軸承內(nèi)腔剝落、滾珠異常磨損，建議采取以下措施：

(1) 軸承可選擇能承受較大軸向力的軸承，如雙列調(diào)心滾子軸承；

(2) 在小齒輪找正的過程中，嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)要求，進行離合器的找正；

(3) 加強軸承裝配過程的管理，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進行裝配；

(4) 加固軸承座基礎(chǔ)，將軸承座下部二次灌漿層切除，并重新埋地腳螺栓，然后調(diào)整好設(shè)備，再擰緊地腳螺栓；

(5) 加強監(jiān)控潤滑系統(tǒng)的溫度和軸承振動情況，發(fā)現(xiàn)異常則立即檢查和維修；

(6) 避免超負(fù)荷運行。

3 結(jié)語

采用無線應(yīng)變電測法對某礦山球磨機驅(qū)動軸軸向力進行測試，結(jié)果表明，采用無線應(yīng)變電測法，可在球磨機惡劣工作環(huán)境下實時測量記錄驅(qū)動軸軸向力的變化，對了解分析設(shè)備運行狀態(tài)和故障分析有重要意義；球磨機驅(qū)動軸軸向力在啟動過程中較大，之后平穩(wěn)運行階段軸向力呈現(xiàn)周期性的波動，驅(qū)動軸電動機側(cè)的軸向力大于慢驅(qū)側(cè)的軸向力；球磨機驅(qū)動軸軸向力過大，是造成軸承內(nèi)腔剝落、滾珠異常磨損的原因之一。