浅谈大型球磨机主轴承设计

杜寄勇 武海亮 张亚东

（济南重工股份有限公司，济南 250109）

随着球磨机的发展，从小直径球磨机到大直径球磨机，它的支承装置发生过多次变动，从小型磨机的普通滑动轴承再到大型球磨机的静压轴承，轴承规格多达十几种，针对不同型号的球磨机，选择不同的轴瓦，主要依据的是不同型号轴瓦的承载能力，磨机轴承部作为球磨机的关键部件，需长期在低转速、重载荷的条件下连续运行，因此，在设计过程中必须考虑耐用度的因素。设计磨机轴承部，尤其是大型球磨机，必须运用基础理论知识核算轴瓦的承载能力，然后从原材料的利用度出发，设计改良主轴承结构。

本文主要概述如何设计主轴承的零件和设计过程中比较重要的几个主参数确定。

1 主要零件结构设计

1.1 轴承座

对于大型磨机的轴承座，为确保安全可靠，一般采用GB979-76中的ZG35-ZG25铸钢或用相应的钢板焊接而成。

为使润滑油得到充分冷却和使润滑油中的杂质沉淀，对只用固定油圈或油勺润滑轴承座中的油池应有足够容积，对于不另设油箱而采用集中润滑的轴承座中的油池容量应不低于输油泵额定流量的25倍[1]。

1.2 主轴承底板

在基础部一次灌浆时，需要将主轴承底板埋入混凝土中，通过主轴承底板上的调整螺钉来找正位置，为保证磨机稳定运行，主轴承底板需要具有良好的吸震性。轴承底板以前多用铸铁制造，近来用焊接件越来越多。

1.3 球瓦面

1.3.1 结构及其主要尺寸

作用在轴承的外力时固定，因此，球面瓦的承压角基本是固定在一定范围内（75°～90°）。为此我国近年来所设计的球面瓦都是100°～120°[2]。

大型磨机球面瓦的冷却水通道应设计成双腔式，其冷却水通道的两端应是贯通的。

为便于清除型砂，清砂孔的面积应等于或接近于通水道的横截面积。球面瓦在机加工之后，将清砂孔用盖板盖死，此盖板还作为安装进出水管之用。盖板与球面瓦之间垫1mm厚的橡胶垫以避免进水。

1.3.2 轴瓦合金材料

目前，主轴承瓦衬材料主要有两种：即铅锑轴承合金和锡锑轴承合金。锡锑轴承合金的摩擦系数大于铅锑轴承合金。这是因为铅锑轴承合金的软基体在常温时比锡锑轴承合金的软基体软得多。因铅的原子间距比锡大，原子间的吸引力比锡小之故。

锡锑轴承合金的耐磨性能比铅锑轴承合金高。另外，锡锑轴承合金比铅锑轴承合金塑性好，不容易破裂，且与球形瓦瓦体贴附性好，可以减轻脱壳现象，虽然锡锑轴承合金价格较贵，但从长远考虑还是采用锡锑轴承合金作为磨机主轴承球面瓦瓦衬的材料较好。

1.3.3 燕尾槽的开设及轴承合金厚度

为使轴承合金与球形瓦本体很好地结合，在球形瓦的本体上应加工出燕尾槽，燕尾槽应纵横交错，其夹角不能小于90°，燕尾槽的间距一般在100～150mm。另外，球形瓦本体的预浇铸面应加工成粗糙表面，有的在燕尾槽的沟或台上钻出多个φ8～10mm、深10～15mm的孔。

浇铸轴承合金层厚度也是有要求的，过厚或过薄对轴瓦耐用度都会有影响，轴承合金层的厚度一般以11～13mm为宜。

1.3.4 限位机构

为防止轴瓦从轴承座中被中空轴带出，在轴承座上装有限制轴瓦过渡移动机构（压块或销轴）。限位机构必须保证轴瓦能自由转动还不能被中空轴带出。

1.3.5 测温点的设置

当润滑油的性质和数量发生变化满足不了润滑要求或冷却系统发生故障时，以及轴颈与轴瓦之间的间隙过小时，都会引起球面瓦大面积发热或局部发热，为能及时掌握主轴承内部温度变化情况，需要在主轴承内设置测温装置。目前对主轴承的测温方法有三种。

第一，测量主轴承下座内的润滑油温度，这种方法只适用于非循环润滑的主轴承，且不能及时反映轴瓦温度的变化情况，故这种测量温度的方法不可取。

第二，测量轴瓦温度，即在球面瓦体内靠近磨机筒体一侧并接近球面瓦的下母线处，沿轴向放置铂热电阻，越靠近轴承合金越能及时将轴承合金的温度反映出来。在选择温度计长度时，要使其装入球面瓦后，其顶端要超过球面瓦中心线，在安装时应先在其安装孔中装入润滑脂，再将温度计装入并固定住。这种测量方法受到温度计发送部长度的限制，尤其是球瓦面较宽时，不能测出每点温度，因此，往往发生侧漏现象，即温度高处反而测不到，造成烧瓦现象。

第三，测量中空轴轴颈温度，即将温度计发送部装在用轴承合金制的测温块中，测温块放在中空轴轴颈上，测温块通过铰接的连杆悬挂在上盖上。这种方法更能准确地将轴颈表面温度反映出来。

1.3.6 对球面瓦的技术要求

第一，球面瓦本体机械加工后，浇铸轴承合金前，冷却水通道进行0.4MPa的压力试验，持续2小时不应有渗漏现象。

第二，球面瓦的球面与轴承座的凹球面的同轴度按表1数据选取，球面瓦装在轴承座内应转动灵活。

表1 球面瓦的球面与轴承座的凹球面的同轴度

第三，机械加工后，轴承合金表面不得有裂纹和孔眼，如出现裂纹和孔眼，可将其缺陷部位铲除，用同样的成分轴承合金进行焊补。轴承合金与球面瓦体在90°范围内不允许有离壳现象存在，再次区域外每侧脱壳的面积不得超过两侧面积之和的20%。

第四，对装有高压油管的球面瓦，要进行高压试验，高压油的压力按有关文件执行，在1小时连续试压下不得有渗漏现象。图1为大型球磨机主轴承三维模型。

图1 大型球磨机主轴承三维模型

2 主参数的确定

2.1 轴承半径间隙h0

h0=(0.35 ～ 0.5)×10-3×R

式中：h0—轴径和轴瓦在半径方面的间隙，单位mm；R—中空轴轴径半径，单位mm。

此间隙只能由机械加工来达到。为能很好地形成静压油膜，轴颈表面的粗糙度不能低于Ra=0.8，轴瓦表面的粗糙度不低于Ra=1.6。

2.2 偏心率ε

在计算主轴承时需要引用偏心率ε。计算动压润滑时ε=0.9～0.93，计算静压润滑时ε=0.7～0.8[3]。

2.3 静压轴瓦的油腔结构[4]

目前，国内外轴瓦静压油腔结构根据实用性大致分为两种型式，设计油腔的目的是在中空轴和轴瓦之间形成液体摩擦润滑油膜，本文推荐采用长方形结构，因为它不仅加工方便，而且在油腔面积相同的情况下，润滑油在轴向的泄露途径最长。再设计长方形静压油腔时按照如下原则。

第一，根据油腔的压力来选取静压站的高压泵压力，但由于计算难度较大，可根据已经确定高压油泵的压力，反算静压油腔压力。

第二，除满足将磨机浮起所需的静压载荷外，还应具有足够的动压承载力，在确保在没有静压作用下也能正常运转。

在满足上述条件的前提下，选取油腔宽度与轴瓦宽度之比为l1/L=1/9～1/10（取1/9），油腔包角α=16°～20°（取18°），h为油腔深度，一般取3～4mm，静压油腔的曲率半径用下式求出：

3 结语

本文主要讲述大型球磨机主轴承如何设计，包括主要零件结构设计和几个主参数的确定。主要零件包括轴承座、主轴承底板以及轴瓦的设计；主参数包括轴承半径间隙h0、偏心率ε和静压油腔的曲率半径。整个过程中，理论结合实际，完成整个主轴承部的设计，对大型球磨机主轴承设计来说有很大参考价值。