導(dǎo)讀：開(kāi)式齒輪是礦物磨機(jī)的關(guān)鍵部件，不對(duì)中是運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題。大小齒輪不對(duì)中會(huì)使局部齒面出現(xiàn)偏載，若檢測(cè)或調(diào)整方法不當(dāng)，會(huì)造成齒面損傷甚至斷齒，嚴(yán)重縮短齒輪的使用壽命。結(jié)合礦物磨機(jī)開(kāi)式齒輪維護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹了在線齒面溫差和軸承座振動(dòng)的不對(duì)中檢測(cè)方法，并對(duì)如何通過(guò)側(cè)隙和墊片高效地調(diào)整開(kāi)式齒輪角度不對(duì)中進(jìn)行了研究與總結(jié)，為科學(xué)檢測(cè)、高效調(diào)整提供了指導(dǎo)。
由于礦物磨機(jī)開(kāi)式齒輪傳動(dòng)工況比較惡劣，特別是出現(xiàn)不對(duì)中時(shí)，局部齒面承受高載荷，導(dǎo)致齒面過(guò)早出現(xiàn)點(diǎn)蝕或裂紋，大大縮短了齒輪的使用壽命；當(dāng)偏載過(guò)大時(shí)，大齒輪齒面甚至出現(xiàn)斷裂失效。根據(jù)國(guó)內(nèi)案例，采用堆焊修復(fù)一個(gè)斷齒所需時(shí)間約為 3~6d；如需更換齒輪，在人員、器具和齒輪備件準(zhǔn)備到位的前提下，也至少需要15d；而且修復(fù)后的使用效果存在不確定性，為生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
開(kāi)式齒輪不對(duì)中是礦物磨機(jī)運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題，產(chǎn)生的主要原因如下。
(1) 在安裝初期，磨機(jī)負(fù)荷試車時(shí)，負(fù)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(kāi)式齒輪的對(duì)中狀況也發(fā)生了變化。
(2) 在礦物磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨著時(shí)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(kāi)式齒輪的對(duì)中狀況；另外，不可避免的振動(dòng)導(dǎo)致固定軸承座的螺栓轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)降低，受啟動(dòng)過(guò)程中的瞬時(shí)沖擊影響，小齒輪軸組底板相對(duì)大齒輪也可能發(fā)生移位。
實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)因開(kāi)式齒輪不對(duì)中檢測(cè)方法不當(dāng)，沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，造成齒輪斷齒的設(shè)備事故。當(dāng)齒輪出現(xiàn)偏載時(shí)，在實(shí)施調(diào)整過(guò)程中，由于生產(chǎn)計(jì)劃緊張，要求一次性高效完成調(diào)整，并達(dá)到規(guī)定的溫度偏差范圍，這更是一個(gè)普遍存在的技術(shù)難題。有時(shí)采用了錯(cuò)誤的調(diào)整方法，進(jìn)一步加劇了齒面偏載，不僅因返工增加了非計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間，還可能對(duì)大齒輪齒面造成永久性的損傷。筆者針對(duì)以上問(wèn)題分別進(jìn)行了深入分析、研究與總結(jié)，為科學(xué)合理檢測(cè)、正確高效調(diào)整不對(duì)中提供正確指導(dǎo)。
1 不對(duì)中的檢測(cè)方法介紹
開(kāi)式齒輪不對(duì)中的檢測(cè)方法通常分為離線檢測(cè)方法和在線檢測(cè)方法。離線檢測(cè)方法包括測(cè)量側(cè)隙法和接觸面積法；在線檢測(cè)方法包括在線齒面溫度測(cè)量法和在線軸承座振動(dòng)測(cè)量法。筆者僅介紹在線檢測(cè)的方法。
1.1 在線齒面溫度測(cè)量法
開(kāi)式齒輪不對(duì)中將導(dǎo)致沿整個(gè)齒面負(fù)載分布不均，并在高負(fù)載點(diǎn)產(chǎn)生高的運(yùn)行溫度。當(dāng)齒面溫度較均勻時(shí)，表明齒面承受均勻的載荷，也表明齒輪處于較佳對(duì)中狀態(tài)。
通常選用小齒輪而不是大齒輪齒面溫度來(lái)判斷開(kāi)式齒輪是否出現(xiàn)不對(duì)中現(xiàn)象。這是因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)大齒輪齒面溫度和偏差均比小齒輪的更小，無(wú)法敏感地反映齒輪不對(duì)中的問(wèn)題；同時(shí)，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(yùn)行中磨機(jī)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(shí)，相鄰時(shí)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(yùn)行中磨機(jī)小齒輪齒面熱成像
圖2 某運(yùn)行中磨機(jī)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(gè)紅外測(cè)溫傳感器實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量的，如圖 3 所示。利用手持測(cè)溫槍定期從觀察門處測(cè)量齒面溫度，并與紅外測(cè)溫傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確保在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性也非常有必要。同時(shí)，熱成像儀作為專業(yè)監(jiān)測(cè)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(diǎn)、線或區(qū)域處的最高、最低和平均溫度，如圖 4 所示。可以看出，監(jiān)測(cè)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(cè)溫傳感器
圖4 某磨機(jī)小齒輪齒面熱成像及分析
1.2 在線軸承座振動(dòng)測(cè)量法
由于磨機(jī)開(kāi)式斜齒輪的縱向重合度通常大于 1，傳動(dòng)比較平穩(wěn)，使軸承座上的振動(dòng)值無(wú)法敏感地反映齒輪副的不對(duì)中狀態(tài)，僅可作為一個(gè)參考的檢測(cè)方法。表 1 所列為某臺(tái)磨機(jī) 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(dòng)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)顯示齒面溫度偏差與振動(dòng)值沒(méi)有較大的相關(guān)性，即使明顯不對(duì)中的齒輪，其嚙合頻率的 2 倍頻振動(dòng)值也較低。表 2 所列為調(diào)整不對(duì)中前后齒面溫度偏差與軸承座振動(dòng)數(shù)據(jù)。可以看出，4 組不對(duì)中的開(kāi)式齒輪在調(diào)整后溫度偏差均至少減少 80%，而軸承座振動(dòng)速度值大部分降幅在 15% 以上。
表1 水平方向軸承座振動(dòng)數(shù)據(jù)
表2 調(diào)整不對(duì)中前后齒面溫度偏差與軸承座振動(dòng)數(shù)據(jù)
2 不對(duì)中的調(diào)整方法研究
開(kāi)式齒輪不對(duì)中通常表現(xiàn)為平行不對(duì)中、角度不對(duì)中以及綜合不對(duì)中，不同的形式產(chǎn)生不同的影響，需要采取對(duì)應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整。
2.1 平行不對(duì)中
平行不對(duì)中在設(shè)備實(shí)際工況中發(fā)生較少，影響相對(duì)較小，在此不進(jìn)行深入研究。平行不對(duì)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(jì)節(jié)圓相對(duì)位置出現(xiàn)重疊或者距離過(guò)大，有時(shí)會(huì)造成異常振動(dòng)、齒面溫度過(guò)高等問(wèn)題，通過(guò)整體平移即可調(diào)整到位。
2.2 角度不對(duì)中
角度不對(duì)中會(huì)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(duì)中又分為水平角度不對(duì)中和豎直角度不對(duì)中，如圖 5、6 所示。
圖5 水平角度不對(duì)中示意
圖6 豎直角度不對(duì)中示意
2.2.1 水平角度不對(duì)中
水平角度不對(duì)中時(shí)，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(guò)移動(dòng)一側(cè)軸承座使側(cè)隙值達(dá)到一致，實(shí)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(dòng)量，達(dá)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(dòng)與側(cè)隙值量化關(guān)系。圖 7 所示為側(cè)隙的測(cè)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(gè)別位置的側(cè)隙值大小會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，但應(yīng)使圖 7 中測(cè)得的齒側(cè)隙值 x1+x2 (齒向左側(cè)接觸面和齒隙面 2 個(gè)側(cè)隙值之和) 與 x3+x4(齒向右側(cè)接觸面和齒隙面 2 個(gè)側(cè)隙值之和) 的差值盡量小，且接觸側(cè)無(wú)間隙。
圖7 側(cè)隙的測(cè)量方式
圖8 所示為大、小齒輪的安裝示意。在實(shí)際維護(hù)工作中，測(cè)量的齒面?zhèn)认吨祵?duì)應(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(dòng)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(dòng)距離 Δs=1 mm時(shí)，假設(shè) θ =14°，αn=25°，此時(shí) 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(duì)中
當(dāng)小齒輪與大齒輪齒面兩端側(cè)隙值和頂隙值基本一致時(shí)，齒面溫度仍顯示偏差，可判斷為豎直角度不對(duì)中。此時(shí)，需要將小齒輪在豎直方向進(jìn)行上下調(diào)整來(lái)保證兩端嚙合承載均勻性。現(xiàn)場(chǎng)搜集若干組豎直角度不對(duì)中齒輪，對(duì)其調(diào)整前后的溫度偏差變化、調(diào)整量和磨機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與研究，筆者提出了經(jīng)驗(yàn)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(jī)的長(zhǎng)徑比，P1 為實(shí)際運(yùn)行功率，kW；Pn 為磨機(jī)額定裝機(jī)功率，kW。
式 (2) 考慮了磨機(jī)規(guī)格不同長(zhǎng)徑比以及在不同載荷下的筒體撓度對(duì)溫度偏差的影響，能夠較為可靠地確定在豎直角度不對(duì)中情況下小齒輪軸組的調(diào)整量。結(jié)合表 3 中的 7 組實(shí)際數(shù)據(jù)，利用式 (2) 計(jì)算墊片調(diào)整量，結(jié)果與實(shí)際墊片調(diào)整量最大差值小于 0.05 mm，對(duì)比曲線如圖 9 所示。滿足現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際的墊片調(diào)整量與計(jì)算的墊片調(diào)整量比較
3 討論
開(kāi)式齒輪不對(duì)中的調(diào)整是一個(gè)精密操作的過(guò)程，需要使用百分表記錄，并確認(rèn)固定端和游動(dòng)端軸承座在調(diào)整過(guò)程中的實(shí)際位移量。同時(shí)，需考慮軸承游隙、軸承座螺栓緊固順序、小齒輪軸與電動(dòng)機(jī)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(dāng)電動(dòng)機(jī)無(wú)法調(diào)整時(shí)，在調(diào)整小齒輪時(shí)，需要綜合考慮對(duì)應(yīng)聯(lián)軸器同軸度，避免開(kāi)式齒輪對(duì)中調(diào)整后，由聯(lián)軸器同軸度超標(biāo)導(dǎo)致異常振動(dòng)問(wèn)題。
4 結(jié)論
開(kāi)式齒輪的不對(duì)中是磨機(jī)運(yùn)行中的常見(jiàn)問(wèn)題，該問(wèn)題的出現(xiàn)不利于大齒輪長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)短期內(nèi)可能對(duì)齒輪造成直接損壞。通過(guò)在線齒面溫度檢測(cè)法，可及時(shí)地發(fā)現(xiàn)不對(duì)中問(wèn)題。針對(duì)常見(jiàn)的角度不對(duì)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(kāi)始前，需確定溫度偏差是否由不對(duì)中導(dǎo)致，以及不對(duì)中的具體類型。
針對(duì)水平角度不對(duì)中情況下調(diào)整側(cè)隙的要求，為了高效準(zhǔn)確地實(shí)施調(diào)整，結(jié)合磨機(jī)齒輪的幾何結(jié)構(gòu)，確定了小齒輪軸水平移動(dòng)量與側(cè)隙變化量的關(guān)系式。
對(duì)豎直角度不對(duì)中情況下如何確定調(diào)整墊片厚度的難點(diǎn)，結(jié)合 7 組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)整數(shù)據(jù)，綜合考慮了磨機(jī)規(guī)格的不同長(zhǎng)徑比以及在不同載荷下的筒體撓度對(duì)溫度偏差的影響，提出了可量化經(jīng)驗(yàn)回歸公式。利用該公式計(jì)算的墊片調(diào)整量與實(shí)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(chǎng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證和修正計(jì)算調(diào)整墊片厚度的經(jīng)驗(yàn)回歸公式，降低開(kāi)式齒輪調(diào)整的技術(shù)難度，節(jié)約調(diào)整工作的時(shí)長(zhǎng)，為齒輪副長(zhǎng)期安全平穩(wěn)運(yùn)行創(chuàng)造有利條件。
由于各磨機(jī)工況不同，當(dāng)采用以上方法不便或調(diào)整效果不理想時(shí)，需使用著色劑查看開(kāi)式齒輪實(shí)際接觸情況，分析原因并采取其他相應(yīng)措施。
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