導讀：開式齒輪是礦物磨機的關(guān)鍵部件，不對中是運行過程中常見的問題。大小齒輪不對中會使局部齒面出現(xiàn)偏載，若檢測或調(diào)整方法不當，會造成齒面損傷甚至斷齒，嚴重縮短齒輪的使用壽命。結(jié)合礦物磨機開式齒輪維護實踐經(jīng)驗，介紹了在線齒面溫差和軸承座振動的不對中檢測方法，并對如何通過側(cè)隙和墊片高效地調(diào)整開式齒輪角度不對中進行了研究與總結(jié)，為科學檢測、高效調(diào)整提供了指導。
由于礦物磨機開式齒輪傳動工況比較惡劣，特別是出現(xiàn)不對中時，局部齒面承受高載荷，導致齒面過早出現(xiàn)點蝕或裂紋，大大縮短了齒輪的使用壽命；當偏載過大時，大齒輪齒面甚至出現(xiàn)斷裂失效。根據(jù)國內(nèi)案例，采用堆焊修復一個斷齒所需時間約為 3~6d；如需更換齒輪，在人員、器具和齒輪備件準備到位的前提下，也至少需要15d；而且修復后的使用效果存在不確定性，為生產(chǎn)運營帶來了巨大的經(jīng)濟損失。
開式齒輪不對中是礦物磨機運行過程中常見的問題，產(chǎn)生的主要原因如下。
(1) 在安裝初期，磨機負荷試車時，負荷、筒體和軸承等部件溫度升高，筒體撓度、熱變形等隨之改變，開式齒輪的對中狀況也發(fā)生了變化。
(2) 在礦物磨機運轉(zhuǎn)時，隨著時間的推移，主軸承、小齒輪軸等不同部位地基沉降不均，影響開式齒輪的對中狀況；另外，不可避免的振動導致固定軸承座的螺栓轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)降低，受啟動過程中的瞬時沖擊影響，小齒輪軸組底板相對大齒輪也可能發(fā)生移位。
實際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)因開式齒輪不對中檢測方法不當，沒有及時發(fā)現(xiàn)并采取措施，造成齒輪斷齒的設(shè)備事故。當齒輪出現(xiàn)偏載時，在實施調(diào)整過程中，由于生產(chǎn)計劃緊張，要求一次性高效完成調(diào)整，并達到規(guī)定的溫度偏差范圍，這更是一個普遍存在的技術(shù)難題。有時采用了錯誤的調(diào)整方法，進一步加劇了齒面偏載，不僅因返工增加了非計劃檢修時間，還可能對大齒輪齒面造成永久性的損傷。筆者針對以上問題分別進行了深入分析、研究與總結(jié)，為科學合理檢測、正確高效調(diào)整不對中提供正確指導。
1 不對中的檢測方法介紹
開式齒輪不對中的檢測方法通常分為離線檢測方法和在線檢測方法。離線檢測方法包括測量側(cè)隙法和接觸面積法；在線檢測方法包括在線齒面溫度測量法和在線軸承座振動測量法。筆者僅介紹在線檢測的方法。
1.1 在線齒面溫度測量法
開式齒輪不對中將導致沿整個齒面負載分布不均，并在高負載點產(chǎn)生高的運行溫度。當齒面溫度較均勻時，表明齒面承受均勻的載荷，也表明齒輪處于較佳對中狀態(tài)。
通常選用小齒輪而不是大齒輪齒面溫度來判斷開式齒輪是否出現(xiàn)不對中現(xiàn)象。這是因為實際運行時，發(fā)現(xiàn)大齒輪齒面溫度和偏差均比小齒輪的更小，無法敏感地反映齒輪不對中的問題；同時，受大齒輪安裝精度的影響，不同位置大齒輪齒面的溫度分布也不一致。圖 1 和圖 2 是某運行中磨機大齒輪和小齒輪的熱成像圖。圖 1 顯示小齒輪齒面溫度偏差約 10.6 ℃，齒面最高溫度為 58.7 ℃。圖 2 顯示大齒輪齒面溫度偏差小于 1.0℃，齒面最高溫度為 38.0 ℃，比小齒輪齒面最高溫度低了 20.7 ℃；同時，相鄰時刻拍攝的兩張大齒輪齒面的溫度分布也略有不同。
圖1 某運行中磨機小齒輪齒面熱成像
圖2 某運行中磨機大齒輪齒面熱成像
小齒輪齒面溫度通常是利用齒輪罩上安裝的 3 個紅外測溫傳感器實現(xiàn)在線測量的，如圖 3 所示。利用手持測溫槍定期從觀察門處測量齒面溫度，并與紅外測溫傳感器數(shù)據(jù)進行比對，確保在線監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性也非常有必要。同時，熱成像儀作為專業(yè)監(jiān)測工具，能夠提供更加直觀全面的溫度分布信息。例如，繪制沿齒寬方向某位置溫度曲線，獲取任一點、線或區(qū)域處的最高、最低和平均溫度，如圖 4 所示�？梢钥闯�，監(jiān)測位置的最高溫度為 67.61 ℃，最低溫度為58.10 ℃，平均溫度為 64.70 ℃。
圖3 安裝在齒輪罩上的紅外測溫傳感器
圖4 某磨機小齒輪齒面熱成像及分析
1.2 在線軸承座振動測量法
由于磨機開式斜齒輪的縱向重合度通常大于 1，傳動比較平穩(wěn)，使軸承座上的振動值無法敏感地反映齒輪副的不對中狀態(tài)，僅可作為一個參考的檢測方法。表 1 所列為某臺磨機 4 種不同溫度偏差下，兩種齒輪嚙合頻率的小齒輪軸組水平方向軸承座振動數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)顯示齒面溫度偏差與振動值沒有較大的相關(guān)性，即使明顯不對中的齒輪，其嚙合頻率的 2 倍頻振動值也較低。表 2 所列為調(diào)整不對中前后齒面溫度偏差與軸承座振動數(shù)據(jù)�？梢钥闯觯�4 組不對中的開式齒輪在調(diào)整后溫度偏差均至少減少 80%，而軸承座振動速度值大部分降幅在 15% 以上。
表1 水平方向軸承座振動數(shù)據(jù)
表2 調(diào)整不對中前后齒面溫度偏差與軸承座振動數(shù)據(jù)
2 不對中的調(diào)整方法研究
開式齒輪不對中通常表現(xiàn)為平行不對中、角度不對中以及綜合不對中，不同的形式產(chǎn)生不同的影響，需要采取對應(yīng)的措施進行調(diào)整。
2.1 平行不對中
平行不對中在設(shè)備實際工況中發(fā)生較少，影響相對較小，在此不進行深入研究。平行不對中主要表現(xiàn)為在水平方向上小齒輪與大齒輪齒面兩端側(cè)隙值或頂隙值比較一致，但兩齒輪設(shè)計節(jié)圓相對位置出現(xiàn)重疊或者距離過大，有時會造成異常振動、齒面溫度過高等問題，通過整體平移即可調(diào)整到位。
2.2 角度不對中
角度不對中會造成沿齒向的載荷分布不均，齒面溫度產(chǎn)生偏差。角度不對中又分為水平角度不對中和豎直角度不對中，如圖 5、6 所示。
圖5 水平角度不對中示意
圖6 豎直角度不對中示意
2.2.1 水平角度不對中
水平角度不對中時，小齒輪與大齒輪齒面兩端側(cè)隙值出現(xiàn)明顯的差值，可通過移動一側(cè)軸承座使側(cè)隙值達到一致，實現(xiàn)載荷的均勻分布，最終表現(xiàn)為均勻的齒面溫度。為了確定水平移動量，達到僅一次調(diào)整便使側(cè)隙值接近一致的目的，需掌握軸承座水平移動與側(cè)隙值量化關(guān)系。圖 7 所示為側(cè)隙的測量方式。需注意的是，受白天與夜晚環(huán)境溫度和大齒輪端跳與徑跳的影響，個別位置的側(cè)隙值大小會出現(xiàn)波動，但應(yīng)使圖 7 中測得的齒側(cè)隙值 x1+x2 (齒向左側(cè)接觸面和齒隙面 2 個側(cè)隙值之和) 與 x3+x4(齒向右側(cè)接觸面和齒隙面 2 個側(cè)隙值之和) 的差值盡量小，且接觸側(cè)無間隙。
圖7 側(cè)隙的測量方式
圖8 所示為大、小齒輪的安裝示意。在實際維護工作中，測量的齒面?zhèn)认吨祵?yīng)于節(jié)圓處的側(cè)隙變化值 jbn，根據(jù)齒輪幾何特性，結(jié)合大、小齒輪位置關(guān)系可以得出換算式
式中：Δs 為小齒輪軸水平移動距離，mm；θ 為大、小齒輪安裝角，(°)；αn 為齒輪法向壓力角，(°)。
例如，小齒輪軸一側(cè)水平移動距離 Δs=1 mm時，假設(shè) θ =14°，αn=25°，此時 jbn=0.9 mm，即節(jié)圓處的側(cè)隙變化值為 0.9 mm。
圖8 大、小齒輪安裝位置示意
2.2.2 豎直角度不對中
當小齒輪與大齒輪齒面兩端側(cè)隙值和頂隙值基本一致時，齒面溫度仍顯示偏差，可判斷為豎直角度不對中。此時，需要將小齒輪在豎直方向進行上下調(diào)整來保證兩端嚙合承載均勻性。現(xiàn)場搜集若干組豎直角度不對中齒輪，對其調(diào)整前后的溫度偏差變化、調(diào)整量和磨機實際運行功率進行數(shù)據(jù)分析與研究，筆者提出了經(jīng)驗回歸公式
式中：S 為所需的墊片調(diào)整量，mm；ΔT 為需要調(diào)整的溫差值，℃；Lr 為磨機的長徑比，P1 為實際運行功率，kW；Pn 為磨機額定裝機功率，kW。
式 (2) 考慮了磨機規(guī)格不同長徑比以及在不同載荷下的筒體撓度對溫度偏差的影響，能夠較為可靠地確定在豎直角度不對中情況下小齒輪軸組的調(diào)整量。結(jié)合表 3 中的 7 組實際數(shù)據(jù)，利用式 (2) 計算墊片調(diào)整量，結(jié)果與實際墊片調(diào)整量最大差值小于 0.05 mm，對比曲線如圖 9 所示。滿足現(xiàn)場調(diào)整的施工和精度需求。
表3 僅使用墊片調(diào)整前、后齒面溫度偏差數(shù)據(jù)
圖9 實際的墊片調(diào)整量與計算的墊片調(diào)整量比較
3 討論
開式齒輪不對中的調(diào)整是一個精密操作的過程，需要使用百分表記錄，并確認固定端和游動端軸承座在調(diào)整過程中的實際位移量。同時，需考慮軸承游隙、軸承座螺栓緊固順序、小齒輪軸與電動機或減速器的同軸度等因素，結(jié)果易受操作者水平的影響。特別是當電動機無法調(diào)整時，在調(diào)整小齒輪時，需要綜合考慮對應(yīng)聯(lián)軸器同軸度，避免開式齒輪對中調(diào)整后，由聯(lián)軸器同軸度超標導致異常振動問題。
4 結(jié)論
開式齒輪的不對中是磨機運行中的常見問題，該問題的出現(xiàn)不利于大齒輪長期穩(wěn)定運行，嚴重時短期內(nèi)可能對齒輪造成直接損壞。通過在線齒面溫度檢測法，可及時地發(fā)現(xiàn)不對中問題。針對常見的角度不對中情況，水平和豎直方向調(diào)整小齒輪軸承座是最有效的解決方法。需要注意的是，在調(diào)整開始前，需確定溫度偏差是否由不對中導致，以及不對中的具體類型。
針對水平角度不對中情況下調(diào)整側(cè)隙的要求，為了高效準確地實施調(diào)整，結(jié)合磨機齒輪的幾何結(jié)構(gòu)，確定了小齒輪軸水平移動量與側(cè)隙變化量的關(guān)系式。
對豎直角度不對中情況下如何確定調(diào)整墊片厚度的難點，結(jié)合 7 組現(xiàn)場實際調(diào)整數(shù)據(jù)，綜合考慮了磨機規(guī)格的不同長徑比以及在不同載荷下的筒體撓度對溫度偏差的影響，提出了可量化經(jīng)驗回歸公式。利用該公式計算的墊片調(diào)整量與實際墊片調(diào)整量最大差值小于 0.05 mm，滿足調(diào)整的精度需求。還可根據(jù)更多現(xiàn)場數(shù)據(jù)，驗證和修正計算調(diào)整墊片厚度的經(jīng)驗回歸公式，降低開式齒輪調(diào)整的技術(shù)難度，節(jié)約調(diào)整工作的時長，為齒輪副長期安全平穩(wěn)運行創(chuàng)造有利條件。
由于各磨機工況不同，當采用以上方法不便或調(diào)整效果不理想時，需使用著色劑查看開式齒輪實際接觸情況，分析原因并采取其他相應(yīng)措施。
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