浮选机回转支承传动系统设计及校核

蔡志勇

摘 要：浮选机是选矿厂实现浮选过程的重要设备。叶轮转速是影响浮选机工艺性能的重要参数，而传统浮选机的皮带传动形式对叶轮转速的影响较大。通过齿轮传动形式可以有效弥补皮带传动的不足。因此，本文提出使用齿轮与轴承融为一体的回转支承作为传动部件，在实现齿轮传动的同时减少轴承的使用，使传动结构更加紧凑。通过几种回转支承的对比，选择了较好的回转支承形式，并且对回转支承进行选型和寿命校核，随后也对齿轮副进行强度校核。最后对该设计的优点进行总结。

关键词：浮选机;回转支承;齿轮传动

中图分类号：TH133.3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）07-0076-04

Abstract： Flotation machine is an important equipment to realize flotation process in concentrator. The impeller speed is an important parameter which affects the process performance of the flotation machine. Through the gear transmission form can effectively make up for the lack of belt transmission. Therefore， this paper proposed to use the rotating support which integrated the gear and bearing as the transmission component， to reduce the use of bearings while realizing the gear transmission， so as to make the transmission structure more compact. By comparing several kinds of slewing bearings， a better form of slewing bearings was selected， and the type and life of slewing bearings were checked， and then the strength of gear pairs was checked. Finally， the advantages of the design were summarized.

Keywords： flotation machine;slewing bearing;gear transmission

浮选是选矿工艺中应用较为广泛的工艺，浮选机是浮选工艺中应用最多的设备。浮选机的工作原理[1]：当叶轮旋转时，进入浮选槽体内的矿浆从四周经槽底由叶轮下端吸入叶轮叶片间，同时，由鼓风机吹入的低压空气经风道、空气调节阀、空心主轴进入叶轮腔的空气分配器中，通过分配器周边的孔进入叶轮叶片间，矿浆与空气在叶轮叶片间进行充分混合后，从叶轮上半部周边斜上方排出，排出的矿浆再通过安装在叶轮四周斜上方的定子稳定定向后，再次进入整个槽体内形成矿化气泡，最后上升到槽体表面形成泡沫，通过刮板装置或推泡装置自流到泡沫槽中，后矿浆再次流回到叶轮区进行再循环。

影响浮选机工艺性能的参数有很多，其中叶轮的形状、转速以及通气量[2]对浮选效果的影响较大。有学者通过实验研究了叶轮转速对精矿产率的影响，得出结论：叶轮转速增大可以提高精矿的品位和回收率，但过大的转速会影响矿粒和气泡的有效黏附，增大脱落概率，不利于浮选。因此，对浮选机叶轮转速的精准控制对浮选具有重要意义。

1 传统浮选机的传动形式

目前，大部分浮选机采用皮带传动（如图1所示），电机输出的转矩依次通过小皮带轮、皮带、大皮带轮传递给主轴及叶轮。在实际运行中存在以下问题：传动装置外部尺寸大，当電机升档后，电机装置容易与横梁及踏板干涉;三角皮带易打滑、丢转，传动比不准确，不利于对叶轮转速的精确控制;皮带易老化，故障率高，效率较低，需要较大的启动和运行电流。

2 回转支承结构的分析和选型

回转支承是一种滚珠或滚柱式支撑回转装置，采用齿轮传动，一般适用于转速较低的传动结构。回转支承是在普通滚动轴承的基础上发展起来的，结构上相当于放大了的滚动轴承，因而又被称为“大型（或特大型）滚动轴承”。但是，其具有不同于常见轴承的特性：能同时承受较大的轴向力、径向力和倾覆力矩，由于转速低，因而滚道上接触点的载荷循环次数少。而作为最为广泛的传动形式之一的齿轮传动，能保证瞬时传动比恒定，平稳性高，传递运动准确可靠;传递的功率和速度范围较大;结构紧凑，工作可靠，可实现较大的传动比;传动效率高，使用寿命长。这些优势可以有效弥补皮带传动的不足。

考虑到浮选机的传动轴应同时具有吸入空气作为风道和传动的功能，本文提出采用齿轮与轴承融为一体的回转支承作为浮选机传动结构的一部分，在实现齿轮传动的同时减少轴承的使用，使传动结构更加紧凑。

采用回转支承的浮选机传动结构主要有电动机、小齿轮、回转支承和回转机构等。空心轴与回转机构用螺栓连接，回转支承的外座圈与回转机构用螺栓连接，内座圈与减速箱体用螺栓连接，内外座圈之间设有滚动体。主轴产生的垂直载荷、水平载荷和倾覆力矩通过回转机构、回转支承的外座圈、滚动体、内座圈传给减速箱体。小齿轮与回转支承外圈的大齿轮相啮合，电机轴输出的转矩通过小齿轮传递给大齿轮，然后通过回转机构传递给空心主轴。采用回转支承的浮选机传动结构如图2所示。

2.1 回转支承的分类

按滚动体形状排列方式，回转支撑装置可分为以下四种结构[3]。

①单排四点接触球式。该结构如图3（a）所示，由2个座圈组成，为圆球形滚动体和圆弧形曲面滚道，滚道端面半径R与滚珠直径d间的关系一般为R=0.52d。滚道端面的中心偏向滚珠的中心，与滚珠内切于4点，作用力与水平的夹角即接触角[α]一般为45°，可以同时承受不同方向的轴向載荷、径向载荷和倾覆力矩。座圈可分为剖分式和整体式两种。其中，整体式座圈具有成本低和刚度大的优点。为了便于将滚珠安装入滚道，座圈上开有径向的装填孔，待滚珠全部装入后用挡销塞住。

②单排交叉滚柱式。该结构如图3（b）所示，由2个座圈组成，为圆柱形或圆锥形滚动体，相邻滚动体之间的轴线交叉排列，平面滚道，接触角与单排四点接触球式一样，一般也为45°，同样可以传递不同方向的轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩。这种回转支承装置承载力更大，但制造精度高且装配间隙小，故其安装精度要求较高。

③双排异径球式。该结构如图3（c）所示，有3个座圈，采用开式装配，上下两排布置滚珠。上排滚珠要比下排滚珠大，这主要是因为上排滚珠载荷大，下排滚珠载荷小。接触角[α]可自由移动90°，使得其能承受较大的轴向载荷和倾覆力矩。

④三排滚柱式。该结构如图3（d）所示，与双排异径球式类似，有3个座圈，有上下滚道和径向滚道，且各自分开。上下两排滚珠呈水平平行排列，同时承受轴向载荷和转矩。径向的滚珠垂直于上下第一排和第二排滚珠，主要用来传递径向载荷。此种形式是这四种形式中承载能力最大的，主要用于载荷大、直径较大的大型回转机构。

综上所述，单排四点接触球式、双排异径球式和单排交叉滚柱式是目前应用最广泛的三种回转支承形式。

2.2 回转支承的选型计算

技术性能指标[aG]：

[aG=M/G]                              （1）

经济性能指标[aE]：

[aE=S/M]                                 （2）

式中，[M]是回转支承允许承受的最大倾覆力矩;G是回转支承自重;S是回转支承的制造价格。综合考虑技术性能指标和经济性能指标并进行比较，可选择单排四点接触球式回转支承[4]。在上述的三种常用形式的回转支承中，单排四点接触球式可同时承受载荷，静容量大大超过其他形式。

2.2.1 按静态工况选型。以KYF-130型浮选机作为研究对象，回转支承所承受的最大静态载荷如表1所示。

回转支承当量中心轴向力为：

[F′a=1.225Fa+2.676Frfs=96.16kN]            （3）

回转支承当量倾翻力矩：

[M′=1.225Mfs=14.21kN·m]                         （4）

式中，[fs]为回转支承静态工况下的安全系数，根据单排四点接触球式回转支承在浮选工况下的系数值，取[fs]=1.45。

根据上述计算结果，初步选择型号为011.30.630的外齿式单排四点接触球回转支承。

2.2.2 回转支承寿命校核。按动态工况进行校核的公式为：

[F′a=1.225Fa+2.676Frfd]                      （5）

[M′=1.225Mfd]                                         （6）

式中：[fd]为回转支承动态工况下的安全系数，根据单排四点接触球式回转支承在浮选工况下的系数值，取[fd]=2.05。

用以上计算得到的[F′a]和[M′]值在所选回转支承的承载能力曲线图中找点，当该点位于承载能力曲线以下时，说明该回转支承满足要求。型号011.30.630回转支承的承载能力曲线如图4所示，可以得出回转支承满足其承载能力要求。

轴承基本额定寿命计算公式：

[Lh=10660·nCPs=54 155h]         （7）

式中：[C]表示基本额定动载荷计算值（N）;[P]表示当量动载荷（N）;s表示寿命因数。

在工作转速112r/min下，轴承的计算寿命相当于54 155h，即在正常工况下连续运转6年以上，与皮带传动相比能减少备件的更换频率，降低了现场检修成本。

3 齿轮副的强度校核

浮选机传动系统采用回转支承装置，以齿轮传动作为其传动方式，为保证齿轮传动的可靠性，要对齿轮的疲劳强度进行校核[5]。

根据回转支承选型，初步确定齿轮副参数：传递的额定功率P=160kW;小齿轮齿数[Z1]=28，齿厚[b1]=80mm，齿轮材料20CrMnMo，渗碳，淬火硬度54～58HRC，齿轮精度等级7级;大齿轮齿数[Z2]=126，齿厚[b2]=60mm，齿轮材料42CrMo，调质，硬度55～60HRC，齿轮精度等级8级;模数m=6，螺旋角[β]=0，中心距a=480mm。

3.1 齿面接触强度核算

轮齿工作时，其工作表面的接触应力不断地从零到最大值进行着往复循环变化，在过高的接触应力的多次重复作用下，容易产生点蚀的危险，因此需要对齿面接触强度进行校核[6]。

在啮合瞬间，大、小齿轮的接触应力总是相等的。齿面最大接触应力一般出现在齿轮单对齿啮合区的某一节点处，基于节点区域系数可计算得出该节点处接触应力的基本值：

[σH0=ZHZEZεZβFtdbu+1u]                     （8）

式中：[ZH]表示节点区域系数;[ZE]表示弹性系数（[N/mm2]）;[Zε]表示重合度系数;[Zβ]表示螺旋角系数;[Ft]表示端面内分度圆上的名义切向力;[d]表示分度圆直径（mm）;[b]表示齿轮副中较小齿厚（mm）;[u]表示齿数比。其中[Ft]可由功率、转速和分度圆直径得出：

[Ft=2 000Td=2 0009 549Pnd]           （9）

再将[σH0]代入得出计算接触应力：

[σH=ZBσH0KAKVKHβKHα]          （10）

式中：[ZB]表示齿轮单对齿啮合系数;[σH0]表示点处计算接触应力的基本值（N/mm2）;[KA]表示使用系数;[KV]表示动载系数;[KHβ]表示表示齿向载荷分布系数;[KHα]表示齿间载荷分配系数。

接触极限应力：

[σHG=σHlimZNTZLZVZRZWZX]                 （11）

式中：[σHlim]表示接触疲劳极限（N/mm2）;[ZNT]表示寿命系数;[ZL]表示润滑剂系数;[ZV]表示速度系数;[ZR]表示粗糙度系数;[ZW]表示齿面工作硬化系数;[ZX]表示尺寸系数。

以接触极限应力和计算接触应力的比值作为计算安全系数为：

[SH=σHGσH=1.87]                         （12）

上述计算结果大于高可靠度时最小安全系数[SHmin=1.50～1.60]，满足高可靠度要求。

3.2 轮齿弯曲强度核算

轮齿单侧工作时，根部弯曲应力一侧为拉伸，而另一侧应为压缩，轮齿脱离啮合后，弯曲应力为零，齿轮在不停地啮合和脱离啮合的状态，载荷反复作用，當弯曲应力超过弯曲持久极限时，齿根部分易产生疲劳折断，因此需要对轮齿弯曲强度进行校核。

以载荷作用侧的齿廓根部的最大拉应力作为名义弯曲应力，可通过计算得出齿根应力的基本值：

[σF0=FtbmnYFαYSαYεYβ]                           （13）

式中：b表示工作齿厚（mm）;[mn]表示法向模数（mm）;[YFα]表示载荷作用于齿顶时的齿形系数;[YSα]表示载荷作用于齿顶时的应力修正系数;[Yε]表示重合度系数;[Yβ]表示螺旋角系数。

再将[σF0]代入得出计算齿根应力：

[σF=σF0KAKVKFβKFα]                     （14）

式中：[KA]表示使用系数;[KV]表示动载系数;[KFβ]表示齿向载荷分布系数;[KFα]表示齿间载荷分配系数。

将弯曲疲劳极限应力作为许用齿根应力：

[σFG=σFlimYSTYNTYδrelTYRrelTYX]                    （15）

式中：[σFlim]表示齿根弯曲疲劳极限（N/mm2）;[YST]表示应力修正系数;[YNT]表示寿命系数;[YδrelT]表示相对齿根圆角敏感系数;[YRrelT]表示相对齿根表面状况系数;[YX]表示尺寸系数。

以许用齿根应力和计算齿根应力的比值作为计算安全系数为：

[SF=σFGσF=5.61]                          （16）

计算结果大于高可靠度时最小安全系数[SFmin=2.00]，满足高可靠度要求。

4 本文设计的优势

①回转支承是融轴承和齿轮为一体的传动结构，轴承外座圈既是轴承体又是齿轮，所以结构紧凑简单、体积较小且质量较轻。回转支承一般由轴承制造厂家进行系列化生产，且生产周期短，价格便宜且质量优良。

②采用回转支承的浮选机改变了传统的皮带传动浮选机的设计思路，使传动装置结构简化、零件数量减少、承载能力大，其结构尤其适合用在大型浮选机上。

③采用回转支承的浮选机是传统皮带传动式浮选机的较好的替代品之一。其能克服传统皮带传动的缺点，减少了因皮带打滑、磨损致使系统传动效率降低的现象，不仅省去了更换损耗皮带的次数及数量，而且降低了现场工作人员的劳动强度和安全性;同时，也能避免由于电机升档造成横梁尺寸的改变，降低加工错误的概率。

④采用回转支承的浮选机功率损失较小，可较好地传输动力，发挥齿轮传动效率高、平稳性高、寿命长等优点。对长期连续运转的浮选机设备而言，更具有经济性意义。

参考文献：

[1]沈政昌.浮选机理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2012.

[2]郭柄霖，杨润全，王怀法.叶轮转速与通气量对宽粒级煤泥浮选影响的研究[J].中国煤炭，2015（5）：99-104.

[3]徐州丰禾回转支承制造有限公司.回转支承产品样本[Z].徐州：徐州丰禾回转支承制造有限公司，2012.

[4]汪永强，方庆.液压挖掘机回转装置的回转支承选型计算及设计[J].煤矿机械，2006：（11）：4-6.

[5]成大先.机械设计手册：第3卷[M].5版.北京：化学工业出版社，2008.

[6]胡爱萍，刘善淑，陈权.标准直齿圆柱齿轮传动接触强度计算的研究[J].机械设计，2008（11）：45-48.