专用滚动轴承节能球磨机的研发

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

专用滚动轴承节能球磨机的研发摘要：分析了球磨机采用滑动轴承存在摩擦阻力大的弊端。使用滚动轴承代替滑动轴承降低了磨机能耗，解决了大负荷下的轴承寿命、轴承密封等问题，磨机配用电动机功率可减少17～23％关键字：球磨机；滚动轴承；滑动轴承；密封；节能Abstract: Various shortcomings existed for adoption of slide bearing in the ball mill was analyzed. The use of the roller bearing as the substitute of slide bearing reduced the energy consumption and solved the problems such as short service life, the axial move of the shell and the leakage of the bearing. The motor power capacity of the ball mill required could be reduced by 17%~23%.Key words; ball mill ; roller bearing; slide bearing; sealing; energy saving.一、概述球磨机广泛应用于冶金、建材、矿山、电力等行业，其优点是坚固、破碎比大、物料适应性强。但球磨机能耗大，能量有效利用率仅有2％，且传统球磨机维护繁杂，费工费时。传统球磨机采用滑动轴瓦，摩擦阻力大，摩擦功耗约占球磨机常规配用电动机功率的17～23％，是传统球磨机能耗搞的重要因素；如果改用滚动轴承代替轴瓦，主轴承的摩擦功耗能降低90％，从而达到节能目的。70年代以来，国内业界一直探讨滚动轴承式球磨机，但由于轴承的制造、寿命及轴承密封等一些难题没有突破，致使此项技术无法广泛推广应用。我公司有关专家在总结别人经验的基础上，通过20几年的理论研究和实际探索，不断改进，在建材和冶金矿山行业取得了成功。在建材行业已应用磨机的规格是φ1.83×7 m、φ2.4×8 m，φ3×11 m等，在冶金矿山行业曾使用过的磨机规格为MQ1530、MQ2721、MQ2736等。最早的节能磨机是1987年生产的，现在仍正常运行。该技术已取得三项国家专利：一种可调节的节能球磨机ZL01230661.4；一种用于轴承的密封脂 ZL01115377.6； 一种组合式轴衬套 ZL02232309.3。二、滚动轴承和滑动轴承擦力矩比较1、滚动轴承的摩擦力矩：摩擦力矩是滚动轴承的一项综合的实用性能，它的产生是多种因素综合使用的结果，其中有滚动摩擦，也有滑动摩擦；有固体间摩擦，也有润滑剂的粘性阻力。瑞典SKF公司plam gren（帕姆格林）通过大量的摩擦力矩测量结果，提出基于经验数据的滚动轴承的摩擦力矩计算方法如下： M＝M0＋M1 （N.m）M：摩擦力矩（N .m）M0：与负荷无关的摩擦力矩（主要与轴承类型、润滑剂的粘度和数量、轴承转速有关，N.m）。其中：f0：与轴承类型和润滑有关的系数； n：轴承转速（r/min）； v：在轴承工作温度下润滑剂的运动粘度（mm2/s） M1：主要是弹性滞效和接触表面差动滑动的摩擦损耗。 M1＝f1p1Dm其中：f1：与轴承类型和负荷有关的系数； P1：计算轴承摩擦力矩时轴承负荷（N） Dm：轴承品军直径（m） Dm＝0.5（d＋D）； d、D：分别为轴承内外滚道直径。节能磨机设计中采用双列调心球面滚子轴承，由有关资料查得f0＝6，f1＝5×10－4，则： M0＝160×10－7×10Dm＝9.6×10－5D3m（N?m） M1＝5×10－4×P1×104×Dm＝5P1Dm（Nm）所以：M＝M0＋M1 ＝9.6×10－5D3m＋5P1Dm（N.m）2、滑动轴承摩擦力矩普通球磨机运转中，轴颈与轴瓦得接触面积最少达75％，摩擦力矩达，消耗能量大。根据力学与摩擦学分析，得出：P1：轴承所受负荷（N）；D：中空轴直径（m）μ：摩擦系数。中空轴与轴瓦间得润滑，属于混合润滑。其间既有粘附、魔粒摩擦，也有疲劳摩擦。上市边形得： ＝2.55×102P1D （N.m）3、滚动轴承与滑动轴承摩擦力矩比：因为D=Dm ，所以 当球磨机直径1.5米＜φ＜4.5米时，中空轴直径D＜2m，轴承负荷P1＞10t，即：P1＞10，D2＜10。上式前项 （舍去）上式后项 由理论分析已知，用滚动轴承代替滑动轴承后，磨机的摩擦力矩式普通磨机的2％。但考虑到制造、安装、润滑等多种实际工况，取 .也即，主轴承使用滚动轴承后，摩擦功耗比用滑动轴瓦降低90％4、滑动支承磨机摩擦功耗：由前已知摩擦力矩T＝2.55×102P1D（N.m），中空轴轴颈与轴瓦的摩擦功耗为 ，则摩擦功 即： ＝2.67×10P1Dnn：磨机转速，r/min。5、两种磨机匹配的电动机功率比较节能磨机和普通磨机所匹配的电动机功率见表1： 表1序号规 格（m）普通磨机电机功率（kw）节能磨机电机功率（KW）下降比率（％）备 注1φ1.5×5.713011015水泥用2φ2.4×857047518水泥用3MQ273640032020铁矿用4φ2.6×13100080020水泥5MQ3245630500020铁矿用三、技术难点的突破1、专用滚动轴承的设计、制造球磨机的特点式低速、重载、体大，专用轴承既要由足够的承载能力，又要可以调心，这样才能满足磨机动、静工况下的负荷，同时不成因两端盖不同心及运行中产生的挠度。采用ISO281、ISO76、ISO15及GB/T6391等标准，确定了专用轴承额定动负荷、额定静负荷、额定寿命的计算方法，严格规定了结构型式、材质、径向游隙、热处理、加工工艺、验收规范，与大型专业轴承厂家一起联合攻关，终于解决了具有自调心功能的球磨机专用特大型滚动轴承的设计制造问题。①专用调心滚子轴承径向基本额定动载荷： （1） GB/T6391──1995 bm：与材料有关的系数； ：计算用系数，可用 查表； i：滚动体列数； α：接触角；Z：每列滚动体个数；Lwe：滚动体有效接触长度；Dwe：滚动体有效直径；Dpw：滚动体节圆直径。②专用调心滚子轴承寿命计算： 基本额定寿命 （2）GB/T6391──1995 Cr：径向额定动载荷；Pr：径向当量动载荷； （小时）③专用轴承静负荷校核公式：So：安全系数；Cor：径向当量静负荷；Por：额定基本静负荷。2、应用举例举例：JNM2736溢流磨，中空轴直径（外径）D=1000mm，运转时轴承负荷170t，转速n＝21.7r/min。根据负荷与直径，参照国际国内标准轴承系列，该磨机设计为双列调心球面滚子轴承S1000CAKF3/W33。轴承内径d1＝1000mm，轴承外径d2＝1400mm，轴承宽B＝260mm，rmin＝7.5mm。通过查表，计算得到需要的参数，将参数值带入（1）：＝8385 （kN）由（2）得：＝ ＝154741（小时）＝17.7（年） （365日/年）另，通过有关运算，得： Cor＝25700KN＝2570（t）又因为Por＝X.oFr＋YoFa，经查有关手册及计算， Por1700+4.11×272≈2817.9（kN）＝ ＝9.12可见，该轴承得寿命长，余度系数大。在正常工况下，工作10年没有任何问题。本次选用轴承基本参数见表2 表2轴承型号调心角度轴向窜量（mm）额定静载荷（KN）额定动载荷(KN)额定寿命(h)S1000CAKF3/W332024’6~8257008285154741外形尺寸（mm）内孔型式径向游隙润滑方式润滑材料重量（kg）1400×1062×2601：120.75～1.0油孔油槽脂10603、“柔性”密封措施为了保证可靠得密封效果，本技术采用了与常规方法完全不同得密封措施。密封对滚动轴承来说比滑动轴承更重要。密封既要防止润滑剂得泄漏，也要防止外界有害异物得侵入核粉尘进入，否则会引起轴承滚道得磨粒磨损、降低轴承得使用寿命，还会造成轴承温升，使轴承零件受到水分核有害气体的锈蚀加速润滑剂老化。矿山行业等粉末现场，环境差，粉尘、矿浆均可能进入，这对滚动轴承是十分不利的。比如铁矿石的硬度是f＝12～16，轴承滚道的硬度HRC61，滚子硬度HRC62，因此，只要进入矿石颗粒，就会引起严重的磨粒磨损。如果解决不好密封问题，就会使轴承发生磨损，增加额外负荷，从而加剧磨损，造成磨损失效，大大降低轴承使用寿命，给生产带来极大损失。传统密封方法是在出轴处压工业毛毡，运转一段时间后，毡垫与轴就不会紧密接触，物料、粉尘、水汽便会进入内部。有的采用丁腈橡胶圈密封，但这种密封的接触型式、贴合压力、润滑状态、滑动速度以及接触处的表面加工质量等因素都会直接影响到轴承的摩擦力矩及温升，密封装置在运转过程中都会发生磨损，其磨损合失效的程序与密封装置本身性能及使用条件有关。磨损失效或老化后，更换困难，停机费时。这种特大型轴承的丁腈橡胶密封装置，批量少，专门制作，造价太高，因此这种密封装置也不好。本技术采用密封脂密封。在轴承座两侧端盖出轴处设计有密封环，密封环上内、外设有油槽，另外设计密封套与密封环配合，油槽内充满密封脂，密封脂系“柔性”材料，任何情况下都能与轴很好地贴合。不会增加摩擦阻力，又经济、简单。使用效果十分理想。中空轴端到轴颈有一定地锥度，轴承发热润滑油变稀外串，有利于轴承座内部地清洁。4、技术特点①用本技术可以制造新磨机，也可以对现有地球（棒）磨机进行技术改造。②技术改造时，不改变现磨机地传动部分合筒体部分，不用加工轴颈两侧的轴肩，不动轴承座底板，只更换新轴承座，增加密封件和滚动轴承，轴承衬套。③取消现磨机的稀油站。每季度打一次润滑脂，管理方便，现场干净。④正常工况，10年不用更换主轴承，日常无维修，节约了大量的人力物理，不会因检修轴瓦而停机耽误生产。⑤技改后，节约电量10～15％，节约润滑油70％，综合节能15％以上。四、使用效果与存在的问题的探讨㈠、使用效果 1. 首钢大石河矿使用效果首钢大石河铁矿2系统1磨的MQ2736进行了改造，已运行4个多月了，基本技术参数如表3、表4、表5 表3项目日期装球量（t）产量（t/h）矿石硬度（f）排矿粒度（mm）主电机功率（kw）稀油站功率（kw）技改前39～4070～8012～16～0.0744004技改后39～4070～8012～16～0.0744004 表4项目时间日期取值点月均主电机电流值（A）稀油站电机（kw）电流值比率（％）技改前2001年6月∑60304基准技改后2001年12月2002年2月2002年4月265628∑11029.36422.7计及功率因数0.95传动效率0.83（22.7×0.95×0.83）17.918.08（含稀油站） 表5项目时间主机电流（A）润滑油（元/年）日常维护费用（元/年）轴承维护人工费（元/年）年费用(万元)技改前基准400096008000技改后17.912000800技改后综合18.087010090(电价0.4元/kwh)22.9其他部分用户使用效果见表6㈡存在问题的探讨 ①完善专用结构以更好地满足单进料勺地周期性振动负荷对轴承的冲击。②使用节能磨机多台的企业设计中要考虑自动加油机构。③增加轴承运行自动跟踪检测系统。④制造、安装精度要求比传统磨机高。特别是两端盖的同心度，一定要限制在0.5mm以内；对轴承座的总想中心距、横向平行度限制严格，误差分别为1mm河1.5mm；两轴承座中心高尽量保持同一水平。否则，会影响预期的节能效果。五、结语 通过首钢矿业公司大石河铁矿、本溪钢铁公司南芬矿、宣化钢铁公司龙**矿等冶金矿山企业磨机的节能技改，证明专用滚动轴承球磨机节能技术已走向成熟。总结这些年技术改造过程中的利弊，对设计、制造、安装提出了新的思路和方法，我们要尽快和本行业的同仁共同努力，积极改进结构上的不足，为冶金矿山粉磨领域的节能降耗做出一定的贡献。