大型球磨机振动原因分析及实例

大型开式齿轮传动球磨机振动原因分析及实例

焦玉勤李治彦

（华能德州电厂，253024）

摘要：大型球磨机小齿轮轴承常常发生水平、垂直振动超标而发生设备损坏等情况，正确分析查找小齿轮振动的机理是关乎小齿轮使用可靠性的关键。开式齿轮传动由于采用与压力角相近的安装角，因此使小齿轮主要受力方向为垂直向，鉴于小齿轮4~6mm的渗碳热处理层的厚度，在小齿轮磨损10%左右后应及时更换受力面。

关键词：球磨机布置角重合度系数干摩擦磁粉探伤失效判据

一、序言

大型球磨机因结构简单，制造与安装精度要求低，制造费用也相对低廉，对工作介质的适应范围广而受到大量应用，尤其在矿山、水泥、燃煤火电行业得到广泛应用。但由于开式齿轮传动受安装、环境、载荷状况、润滑等各方面的影响，常常发生水平、垂直振动超标而发生设备损坏等情况，因此正确分析查找震源，对于解决球磨机振动问题具有根本性的现实意义。

二、开式齿轮球磨机振动问题概要

1、开式齿轮传动的安装、转向要求

球磨机的小齿轮的布置角ψ常为20°左右，相当于齿轮压力角，这时小齿轮的正压力的方向垂直向上，使传动轴承受垂直向下的压力，对小齿轮轴承的联接螺栓和地脚螺栓的工作有利，运转平稳。由于正压力垂直向上，减小了磨机传动端主轴承（轴瓦）的受力，使该主轴承乌金瓦的磨损减小。同时减小磨机横向占地面积，可使传动轴承与磨机主轴承的基础在同一平面上，便于更换小齿轮。若球磨机转向与图示方向相反，会造成地脚联接螺栓松脱和折断。

图1

2、振动原因概要

所谓振动，广义的讲是指一个物理量在它的平均值附近不停地经过极大值和极小值而往复变化，产生振动的原因主要是由于外界对系统的激励和作用。齿轮副振动产生的根本

原因是由于齿轮的磨损、安装、制造误差以及其他部件的故障等使齿轮的正确啮合条件遭到破坏，从而产生冲击，引起振动。

引起球磨机振动的原因主要有如下几种：

(1)制造方面

球磨机传动齿轮齿廓为渐开线齿形，标准安装，制造产生的主要缺陷有：偏心、齿距误差和齿形误差等。

(2)安装方面

啮合齿轮的重合度、顶隙和侧隙、模数等对齿轮的工作性能有重要影响，而在安装过程中，电动机主轴和小齿轮的轴线之间的同轴度误差，小齿轮轴线和大齿轮轴线之间的平行度误差超出误差范围，齿侧间隙和齿顶间隙在全齿宽上不相等，重合度变小等，都对轮齿的正确啮合产生影响，在运行中产生冲击和振动。

(3)润滑方面

润滑不充分，在齿轮副啮合面之间不能形成油膜，齿轮的润滑条件差，齿面局部啮合点会出现干摩擦或边界摩擦。齿罩的密封性差，在润滑脂内常夹杂有矿浆、粉末颗粒，会形成磨粒磨损，致使齿轮润滑条件更加恶劣，加剧了齿轮的磨损，缩短了齿轮的运行寿命。

三、大型开式齿轮振动问题原因分析及处理实例

1、故障经历及结构状况分析

华能德州电厂#5、6炉制粉系统配备RKD420/650型球磨机，额定出力52t/h，转速15.8rpm，开式齿轮传动，模数28，压力角25°，小齿轮齿数26个，大齿轮齿数206个。磨煤机基础采用粘滞弹性阻尼隔震结构，配备2×5ml小齿轮润滑油喷洒系统。

2007年1月#6炉20磨煤机在发生高速轴联轴器断裂事故，电机基础开裂，再次投运后，即产生磨煤机基础震动大（电机侧西南角25丝）的问题。2009年7月10日，小齿轮轮齿断裂。总结以往事故经历如下表：

虽然几次查找、校正隔音罩、大齿轮罩壳、小齿轮罩壳、调整大小齿轮啮合（2007年3月因小齿轮震动大打磨小齿轮两侧凸缘，2007年4月#6炉B 修大小齿轮啮合调整，小齿轮齿顶间隙由标准8.35mm 调整至9.3mm ，2007年9月大小齿轮再次调整啮合，小齿轮齿顶间隙调整至10.8、11.1mm ）、电机地脚螺栓、轴瓦地脚螺栓缺陷，更换基础阻尼，而后小齿轮的水平震动达到了较好的状态：东西两侧小齿轮轴承水平震动5~6丝，但都未能消除或改变基础震动大的问题。

齿顶间隙调整后大小齿轮状况变化如下图：

图2

原中心距a=0.5*28（模数）*（26+206）=3248mm ，小齿轮水平变位3mm （2007年外移调整）后，中心距变为（32+32482-2*3*3248cos150）0.5=3250.6mm ，啮合角α′=arcos(a ×cos α/a ′)变大（垂直向受力变大）0.1°，即变位后压力角变化微小，传动中水平、垂直受力比例基本不变。依据上图示，大小齿轮传动力在水平和垂直方向分力比例为F 水平：F 垂直=SIN5：SIN85=1：11.4。

重合度系数变化微小，在安全运行范围以内。

()()[]ααααεα'-+'-=

tg tg z tg tg z a a 221121

π

=1.46 其中小齿轮齿根圆直径d b1=d 1cos α=28*26*cos25=659.8mm ， 小齿轮齿顶圆直径d a1=784mm ，

大齿轮齿根圆直径d b2=d 2cos α=28*206*cos25=5227.6mm ， 大齿轮齿顶圆直径d a2=5824mm ，

小齿轮齿顶压力角1a α=arcos d b1/ d a1=32.7°， 大齿轮齿顶压力角2a α=arcos d b2/ d a2=26.2°

图3

图4

图5

依据图3齿轮传动啮合轨迹、图4渐开线及其压力角，图5小齿轮齿根至齿顶压力角曲线及上式渐开线方程,结合齿轮啮合1.5的重合度系数，可见小齿轮在运行过程中承受偏向大齿轮侧的压力（图2中A 区），因此小齿轮在运行时能够保证不会脱离啮合。但这也带来了相应的故障倾向，即在小齿轮底座螺栓松动后，会产生小齿轮齿根与大齿轮齿顶顶撞现象（由上节分析知在齿根部位小齿轮所受水平力最大），造成小齿轮震动大。

2、最终故障及检修工艺

2009年7月10日，小齿轮故障损坏，小齿轮轮齿不连续断裂4齿，小齿轮损坏的4齿长度分别为（约）：406、320、190、200，齿高大约65，齿厚约60，故障时小齿轮向外移位分别为承力侧15mm ，推力侧5mm 。

经磁粉探伤#6炉20磨煤机小齿轮其余轮齿受力面，有多处点蚀和应力裂纹。

检修工艺过程及参数为：因检查大齿轮东侧多齿受力面有6~7cm 区域接触面较为粗糙

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K K K K K

b K tg inv r r α α α θ cos

且隆起约15丝左右，大小齿轮西侧啮合间隙35~45丝，深度150mm，东侧齿顶间隙11.1mm，西侧齿顶间隙10.8mm，为调和啮合偏差，将西侧轴承底座抬高30丝，齿顶保持不变，以减少对小齿轮联轴器中心距的过大影响。而后测量西侧啮合间隙为15丝，深度120mm。为配合东侧大齿轮磨损状况级小齿轮联轴器中心，确定保持该状况运行磨合，消除大齿轮缺陷。

经处理后#6炉20磨煤机因断齿更换小齿轮后20磨煤机持续两年的基础震动问题消失，目前四角震动3~4丝，与其余磨煤机相同，为正常状态，磨煤机小齿轮轴承水平震动东侧7丝西侧6丝，状态良好。

3、原因分析

开式齿轮的主要损伤形式是磨损，而最终失效形式是轮齿齿厚减薄导致轮齿断裂。在JB/T5664-1991《重载齿轮失效判据》中，规定轮齿齿根两侧磨损量之和Δs（mm）与齿轮模数（mm）的百分比M=Δs/m达到或超过下表值则该齿轮被判为失效。经实际测量，目前小齿轮轮齿齿厚38~35mm，比较实际齿厚43.2mm，局部齿厚磨损大于6mm，齿根处磨损大于4mm，M介于15~30间，可判断为初步失效。而受力面多处破裂裂纹，使用可靠性进一步降低。对于小齿轮断齿原因，观察齿面断裂图片及磁粉探伤，认为齿面偏载点蚀应力集中及长期基础震动、小齿轮受力面过度磨损导致齿轮强度降低、渐开线齿形异常、轴承支撑及转动异常，齿轮传动不良，致使小齿轮轮齿偏载、摩擦、振动导致最终疲劳断裂。

2008年经打磨调整后小齿轮轴承水平震动逐渐减弱至5丝，而垂直振动不变，在压力角变化微弱的情况下，可以认为齿轮啮合变好，同时说明，大小齿轮啮合传动不是产生基础垂直震动的原因。而小齿轮更换后磨煤机基础振动大的故障消失，则说明导致基础振动大的原因集中于小齿轮轴转动组件中。

在急需修复利用#6炉20磨煤机小齿轮之前，正确分析查找小齿轮如何导致基础震动的机理是关乎小齿轮再利用可靠性的关键。

对于小齿轮组件，包括以下几部分：小齿轮轴、两端轴承及其固定件、联轴器、小齿轮及其固定件，逐件分析如下：

解体检查及使用验证：解体小齿轮轴承后发现小齿轮推理侧轴承滚动体卡涩，迷宫密封侧润滑脂板结，轴承外圈在底部两侧出现严重蚀坑，这与上述轴承原因分析一致,即在轴承外圈损坏后，轴承外圈异常磨损，导致滚动体卡涩，小齿轮偏载，进一步使推力侧产生垂直向剧烈震动。

图6

小齿轮断齿修复、更换轴承完毕安装后，不再有磨煤机基础振动大的现象，进一步说明了分析的正确性。

四、结语

开式齿轮传动由于采用与压力角相近的安装角，因此使小齿轮主要受力方向为垂直向，这有利于球磨机主轴承的运行和小齿轮的固定，但同时水平指向大齿轮侧的受力，在小齿轮地脚螺栓松动时会带来大小齿轮的碰撞问题，而在外观检测上却不易察觉，因此在球磨机长期运行后需要定期检查小齿轮底座螺栓及定位装置。同时小齿轮轴承由于主要承受较大的周期冲击力，在轴承发生磨损游隙失效后，由于小齿轮径向、轴向偏差加大，对于小齿轮已存在明显磨损和凸缘的状况，将会带来小齿轮的异常振动。最后，鉴于小齿轮4~6mm的表面渗碳热处理层厚度，以及2个大修期的使用寿命，因此在小齿轮磨损10%左右后应及时更换受力面，以确保小齿轮在耐磨渗碳层表面下长周期安全运行。

参考文献：

1、减少球磨机齿轮磨损的措施中国润滑油网

2、球磨机齿轮副振动现象分析及技术改良云南昆明昆鼎重型机器厂

3、中国机械设计大典机械工业出版社

作者简介：

焦玉勤（1970～），男，河海大学热动专业，工程师。长期从事火力发电厂液压、转动设备检修工作。

李治彦（1970～），男，华北电力大学热动专业，工程师。长期从事火力发电厂锅炉转动设

备检修工作。