立磨及其传动装置技术的现状和趋势

2014-05-31董建峰曹海军

重型机械 2014年2期

董建峰，王昆，刘虎，曹海军

(江苏省金象传动设备股份有限公司，江苏淮安 223001)

0 前言

在当前的产业背景下，基于节能降耗减排的国家政策要求，立磨成为粉磨生产的发展方向，但是，受螺旋锥齿轮生产规格的限制，在采用加长传动链、双电机输入等手段后，立磨的传动装置勉强发展到5 MW的规格。因此，在解决多分流均载、双行星传动、大规格螺旋锥齿轮精密制造等技术的条件下，大型立磨传动装置的发展前景广阔。本文研究立磨及其传动装置技术的现状，为实现大型化规模化立磨技术尽力。

1 立磨技术的概况

1.1 立磨的发展历程

立磨是低能耗的粉磨工艺设备，又称立式磨、辊磨、立式辊磨。世界上第一台立磨是上个世纪二十年代在德国研制出来，1935年立磨首次用于水泥生产。上个世纪60年代起，立磨得到了改进，应用得到推广。

我国自上世纪80年代起，因窑外分解新型干法工艺的开发与推广，开始重视立磨粉磨技术，天津水泥研究设计院开发出了TKM系列立磨，合肥水泥工业设计研究院研究开发出了HRM系列立磨，但产能限于1 000 t/d的生产线配用，1985年沈重从德国Pfeiffer公司引进了2 000 t/d以下规模生产线配套的MPS立磨制造技术。

1.2 立磨类型及主要供货商

各型立磨在结构上的差异最突出的是在磨盘的结构和磨辊的形状及数目上，选粉装置和对磨辊的加压方式也各有不同。国际上几种主要类型立磨及其公司为:MPS型立磨，也称非凡磨，德国普费佛(Pfeiffer)公司;ATOX型立磨，丹麦史密斯(F.L.Smidth)公司;RM型立磨，德国伯力鸠斯(Polysius)公司;LM型立磨，德国莱歇(Loesche)公司。国内引进和开发立磨的主要厂商有:天津仕名(TRM)，合肥中亚(HRM)，沈重(MPS)。

1.3 立磨生产的特点

粉磨生产中，常用的设备有球磨、辊压机、立磨等。其中，辊压机一般都要配套球磨机才能完成粉磨工序。显然，立磨将是粉磨行业、也是水泥粉磨的发展大方向。各粉磨生产技术比较见表1。

表1 各类型粉磨生产技术比较Tab.1 General comparison between various mills

(1)在粉磨理论上，立磨采用了非完全限定料床挤压粉碎的原理，与球管磨相比，其粉磨效率为它的165%，节约电耗20%～40%。粉磨物料为P.O42.5，产品比表面积350 m2/kg，各粉磨生产的设备能耗比较见表2。

表2 各粉磨生产的设备能耗比较Tab.2 Comparison in terms of energy consumption between various mills

(2)系统漏风少，比球磨系统的少一半多，可降低废气处理成本;

(3)噪声小得多，大大减少噪声污染;

(4)集中碎、粉磨、烘干、选粉与气力输送等5项单元操作于一体，设备少，系统简单，占地少，建安费用低很多;

(5)立磨是在负压下工作，无扬尘，基本避免了粉尘污染;

(6)金属磨耗低;

(7)立磨对粉磨物料适应性强，可磨各种原料，如水泥熟料、石灰石、砂岩、煤、高炉钢渣、矿石等等，只需对工作参数进行调整，均能生产出不同粒度及比表面积的合格产品;

(8)立磨设备工艺性能优越，能粉磨入料水分高、粒度大的原料，设备运转率高，对成品质量控制快捷，更换产品灵活，易实现智能化控制;

(9)适应水泥装备大型化配套之需，简化工艺流程与车间布置。

2 立磨传动装置技术的现状和趋势

2.1 立磨传动装置及生产厂商

立磨传动装置是驱动立式磨机的传动设备。立磨减速机由电机驱动，经联轴器、主减速机，通过磨盘与立磨相连。主减速机还配有高低压油站，在启制动时和正常运转时提供高压油使推力轴承与磨盘推力面之间形成液垫，抬起磨盘，保证推力轴承不致擦伤损坏。

立磨传动设备主要供货商，国外的有德国SIEMENS、德国 RENK、瑞士 MAAG，丹麦SMITH等公司，国内以中信重型、中船重工、南高齿、金象传动、荆州巨鲸、杭齿为主要制造商，其较大的使用功率有5 300 kW、4 800 kW、4 500 kW、4 200 kW、4 000 kW，德国Siemens公司产品样本最大功率为7 100 kW。从产能来看，立磨已经配置到了5 000～10 000 t/d的水泥生产线。

2.2 立磨传动装置常规技术参数

(1)齿轮传动AGMA服务系数≥2.5，设计寿命为无限寿命;

(2)除推力轴承外，全部采用滚动轴承，轴承设计寿命(L10)均大于1×105h;

(3)锥齿轮副采用克林根贝尔齿制，常采用材料为17CrNiMo6优质低碳合金钢，渗碳淬火，齿部硬度大于HRC58，精度6级(ISO1328);

(4)行星传动齿轮压力角为25°，也有采用20°，须协调配置重合度、接触强度和弯曲强度;

(5)行星轮、太阳轮为渗碳淬火硬齿面齿轮，齿部硬度大于HRC58，采用齿形修形和齿根喷丸技术，精度6级;

(6)内齿圈采用调质，调质硬度大于HB300，内齿圈磨齿，精度6级(ISO1328);

(7)为保证整个产品安全运行，整个传动系统和润滑系统都配置了监控，对过滤器进出油口的油压差、高压泵出油口的油压、管路的流量、各油口的油温、轴瓦温度、振动等参数，实行连续监控。对稀油站和主电机采用电气连锁，对整机设置自动报警、自动停机等保护措施。当以上监控点参数偏离标准值时，监控系统将发出警报信号或者使系统停机，从而保证了整机运行的安全可靠。

3 立磨传动装置的新技术

3.1 多分流均载技术

在立磨传动装置的行星传动部分，常采用在可靠均载条件下功率多分流的设计思路。除了常规的3行星轮均载，依托行星架轮系超高精度形位公差的精确保证，4、5、6甚至更多的行星轮分流均载将得以实现。如6行星轮分成3组的均载机构:行星传动由3个行星轮组构成，每组由2个行星轮与浮动架联接，3个浮动架再与行星架联接，并等分分布。浮动架通过圆柱销与行星架铰接。其均载原理:三个行星轮组自动定心，实现行星架在合理误差范围内的浮动(自适应)，而每个行星轮组的两个行星轮亦可通过铰接实现与内齿圈、太阳轮啮合的径向浮动(自适应);在组内行星轮距离较为严格控制的情况下，上述两处自适应成就了均载条件下功率6分流。其三维结构如图1所示。

图1 6行星轮三维结构图Fig.1 3D drawing of the 6-planetary-gear assembly

3.2 双行星传动形式

立磨传动装置由“锥齿轮+平行齿轮+行星齿轮”传动形式发展为“锥齿轮+行星齿轮+行星齿轮”的双行星传动形式。采取双行星传动，有利于适应大传动比要求，减小螺旋锥齿轮、行星内齿轮的尺寸，特别是方便在滑动轴瓦内侧空间布置二级行星传动，极大地降低了立磨减速机的高度，节约了空间和成本。

对于双行星传动形式，第一级为直角传动的圆锥齿轮副，安装大锥齿轮的轴垂直向上，通过双齿联轴器与第二级行星传动中的太阳轮联接起来。第二与第三级行星齿轮传动采用串联方式。

第一级圆锥齿轮传动部分一般设计为一对克林贝尔格延伸外摆线螺旋锥齿轮。材质常采用17CrNiMo6，大小齿轮均渗碳淬火，精度DIN6级。小锥齿轮和大锥齿轮均通过轴承座装入下箱体中，两轴承座法兰下设有调整垫，用于调整锥齿轮副接触区的位置和齿侧间隙。锥齿轮副速比范围通常为2.5～3.5。第二级行星齿轮传动一般只需采取3行星轮均载，第二级行星齿轮传动速比范围通常为3.5～5.0。由于第三级行星齿轮传动传递扭矩大，故须采用多分流均载机构。第三级行星齿轮传动速比范围通常为2.0～3.0。

3.3 关键零部件的加工工艺

克林贝格螺旋锥齿轮传统的加工方法是试切-滚检法，即先根据齿轮参数按经验选定合适的刀具(刀盘与刀片)，分别加工小轮与大轮，然后在滚检机床按照使用时的装配参数配对啮合，得到齿面接触斑点图，如果接触斑点未能达到要求，则必须返修小轮，通过调整轮位、刀盘直径、刀片参数等再重新切削，改变接触斑点的三个特征参数，得到理想的结果。“切削－滚检”过程至少要反复两次，通常要反复三次以上，接触斑点在齿长方向不超过40%。这种方法加工过程较为繁琐，周期长，接触斑点水平具有较大的偶然性，可控性差，对经验的依赖性大，而且所能达到的最高水平也不够理想。

随着数字化制造技术的发展，通用、精密数控机床，在配置必要的软件后，采用新工艺流程“建模+齿面接触仿真+计算机分析调整+精密数控切削”，实现了大规格螺旋锥齿轮的精密制造。

螺旋锥齿轮的齿面接触分析技术(TCA技术)，是运用软件仿真的方法，将精确建模的一对螺旋锥齿轮导入仿真软件，按照装配关系确定空间位置，模拟齿轮副啮合过程，对齿廓曲面刚性接触情况进行分析，得到接触斑点;如果接触斑点无法达到要求，可通过修改刀盘直径、刀片模数、齿廓修形量、齿向修形量、变位系数、安装距等参数后，再进行分析计算;通过反复多次计算，直到得到符合要求的接触斑点，再将最终的齿轮副模型用于数控加工，使加工结果完全可控。这种方法的调整控制变量多达六个，而且参数可以连续取用，因此不受传统方法刀具组数固定的限制。采用TCA多参数软件控制技术，使接触斑点远超出传统方法所能达到的水平，齿长方向最高可达70%，齿廓方向达50%;同时，经TCA分析修正后的齿轮模型，用五轴联动加工中心一次加工成型，不需要传统方法的反复试切滚检，加工效率提高2倍以上。图2是TCA软件分析结果与实际加工滚检的接触斑点比较。

图2 模拟与加工实物齿轮接触斑点的比较Fig.2 Comparison in terms of contact pattern between simulation and actuality

大型内齿圈、人字齿轮副等的关键零部件，皆可以采用此数控技术精密制造。

3.4 安全可靠的液压和监控系统

大型磨盘推力轴承及其承载法兰，将承担数千吨的压力，须配置高压供油系统。高压供油系统在主机启动前向轴瓦的高压油腔供油，将磨抬起。正常运转时，常压(低压)供油系统分别向太阳轮和行星轮、螺伞及滚动轴承供油，高压系统向推力瓦供油，推力瓦始终浸泡在油中，始终保持良好的润滑状态和较低的温度。正常运转时，在额定轴向静负荷下，轴瓦的油膜厚度为0.07 mm，在尖峰轴向负荷下，轴瓦的油膜厚度为0.05 mm，轴瓦温度控制在55℃以下，确保安全可靠的运转。整个润滑系统作为一个复杂部件，还集成了控制系统，采集敏感的油压等信号进行润滑系统的调控，更加安全可靠。

控制系统较为复杂，传感器有温度、温差、压力、压差、流量、振动等等，各种控制器和传感器协调运行，控制着主电机、辅助传动电机、几台高压油泵、低压油泵、加热器、冷却阀门、声光报警等，严格执行安全逻辑，确保设备顺利运行。

关于行星轮系滚动轴承的润滑，采用离心力润滑结构，有专门的供油线路。从行星架靠近中心部位供油，油路从中部向外围扩散，通过行星轮轴的油孔，进入行星轮轴承。本结构具有以下优点:①离心力驱动，驱动力大小适中，油量适中;②润滑油流动的沿程油路通道无管接头联接，在使用过程中不会因为振动等原因而松动，牢固可靠;③对轴承的供油不受行星轮公转位置不固定的影响。