陈风
（合肥水泥研究设计院）

　　回转窑是广泛应用在建材、冶金、化工、有色等行业的热工加热设备，是相关生产企业的核心设备。回转窑倾斜安装于基础上，由自重和摩擦力产生轴向力，还有轮带和托轮轴线不平行而产生的附加轴向力，挡轮的出现使得回转窑在运转过程中，不断缓慢地上、下窜动，这样保证宽度不等的托轮和轮带工作表面磨损均匀，但随着回转窑的大型化，普通挡轮就很难满足要求了，因此出现了液压挡轮装置。窑设有液压挡轮时，托轮与轮带轴线平行安装，当筒体受重力作用下滑，下滑到下止点后，经限位开关启动液压油泵，靠液压油的压力推动挡轮和窑体，实现窑的上窜，上窜到上止点后触动限位开关，油泵断电，滑阀换向，窑体重新靠自重下滑，重复上述过程。液压挡轮装置的设计成为广大研究者们所关注的问题。

　　1　液压挡轮装置的原理及受力分析

　　筒体负荷通过轮带加载在挡轮上，作用于挡轮上的力分为径向力和轴向力，其中径向力使得筒体向下滑动，挡轮的作用就是要克服下滑力，推动筒体向上窜动，挡轮受力图见图1。假设窑体回转部分的总质量为G，回转窑的斜度为sinβ，挡轮锥度为α，则液压挡轮的径向推力Fx和轴向推力Fy为：

　　通过对挡轮的受力原理分析，可以进行合理的计算，根据计算结果选择挡轮装置中轴承的类型，从而确定合理的挡轮结构。

　　2　液压挡轮的结构

　　目前使用的液压挡轮的基本形式都大同小异，其结构如图2所示。

　　如图2所示，挡轮安装在具有两个导向套筒的支座上，两根导向轴穿过底座两侧的套筒，导向轴和挡轮液压缸都安装在底座上，挡轮装置通过液压油的控制可以在导向轴作往复运动。虽然液压挡轮的原理一样，但是现今液压挡轮结构上还是有所区别，主要分为三轴承结构和双轴承结构两种。

　　2.1三轴承结构

　　液压挡轮三轴承系统中，挡轮系统主体主要由挡轮、轴、空心轴、轴承等组成的，挡轮与轴紧固装配后再装入空心轴，使之成为一个挡轮主体。空心轴与轴之间安装有三个轴承，其中两个为调心滚子轴承，其主要承受挡轮所受的径向力，在空心轴底部还安装有一个推力轴承，它的作用主要是承受挡轮的轴向力，三套轴承在承受所有外力的合力的作用，使挡轮处于稳定状态，其结构如图3所示。

　　2.2两轴承结构

　　液压挡轮两轴承系统中，挡轮系统主体主要由挡轮、空心轴、轴承等组成的，与三轴承结构不同，两轴承系统中没有挡轮轴，挡轮与轴为一体结构，它和空心轴通过轴承连接使之成为一个挡轮主体。空心轴内安装了两个轴承，其中一个为调心滚子轴承，其主要承受挡轮所受的径向力，在空心轴底部还安装有一个推力轴承，它的作用主要是承受挡轮的轴向力，其结构如图4所示。

　　3　两种挡轮结构的比较和分析

　　3.1两种结构受力分析

　　液压挡轮这两种结构在原理上是一样的，因为结构的不同，在设计时，需要思考的问题有所差异。在三轴承系统中，其受力分析如图5所示。

　　从图5可以看出，三轴承系统受力相当于一个悬臂梁结构，在挡轮受力时，挡轮径向力Fx（水平方向）是由上部和中部的调心滚子轴承来承受，其轴向推力Fy（竖直方向）是由底部的推力轴承来承受，这样的结构中，径向负荷通过两个调心轴承来承担，使得挡轮处于平衡状态。在两轴承系统中，其受力分析如图6所示。

　　从图6可以看出，两轴承结构只有两个轴承，挡轮的径向力全部由调心滚子轴承承担，而挡轮的轴向力则全部由推力轴承来承担；挡轮通过这两个轴承受力使得挡轮系统处于一种平衡的状态。

　　3.2两种结构的结构分析

　　三轴承结构和两轴承结构原理相同，但是在结构上各有特点，三轴承结构是通过两个调心滚子轴承来承担挡轮径向力，但是实际生产过程中，在力的分配上，两个轴承理论上可以分担总的推力，但是具体哪个轴承承担多少力很难精确计算，所以在设计过程中，为了保险起见，上部轴承需要承担全部推力，以保证挡轮的正常运转；而中部轴承可以根据结构的需要在设计范围内选型，这样可以保证在极端情况下，挡轮仍然可以正常运行。

　　而在两轴承结构中，只有一个径向轴承，只需要考虑其承受能力即可，保证设计的合理性，其结构相较于三轴承系统要简单。三轴承结构轴承运动采用力内紧外松的形式，通过轴承内圈锁力使得挡轮转动，而两轴承结构相反，因为其挡轮和轴为一整体，所以，轴承采用外紧内松的形式使得挡轮转动。

　　由于窑工况的变化大，这两种结构都可能会面对总的推力F受很多外界因素影响，变化极大，如：窑体内物料的多少、混合物料结成的球状物（俗称“结球”）对局部零件的冲击、托轮中心线变化后单个托轮的受力情况的变化、挡轮与托圈接触面摩擦力的大小等等因素，在窑体旋转时，合力F的方向、大小不断发生变化，由于调心滚子轴承在轴向上自锁力不足，从而发生挡轮竖轴的上下窜动和偏摆，也就是我们常说的“抬头”或“栽头”现象。

　　挡轮轴向虽然理论上只有向下压力，但是实际生产中，当轴向上窜动或偏摆时，下部推力轴承除了承受轴向力外，还承受一定的径向力，这就有可能造成轴承滚子会脱出轨道，破坏轴承受力平衡，导致局部受力过大，出现损坏，所以在设计之初，就需要考虑到一些极端的条件，保证零件在这些条件下可以正常运行。

　　3.3两种结构优缺点的比较

　　三轴承结构采用两个径向轴承和一个推力轴承，由于挡轮体和挡轮轴为两个零件，这就使得设备零件相对较小；由于挡轮受力时，相当于一个悬臂梁结构，径向分力由两个径向轴承分担，但是由于回转窑工况复杂，物料，设备等稍有变化，就会使得挡轮受力情况产生很大的变化，因此两个径向轴承如何分配所承受的力成为很大的问题，如果某个轴承受力超过所承受的范围，就会造成轴承损坏而引起挡轮故障，因此在设计过程中，由于无法准确的估算两个径向轴承如何分配受力和受力大小，在选型时，要使一个径向轴承承担所有的径向力，另一个轴承只是起到一个辅助的作用，或者说是根据结构需要而设计的部件。

　　而两轴承结构采用一个径向轴承和一个推力轴承的组合，这种结构在挡轮受力时，只有一个径向轴承来承受径向分力，因此在选型时不需要考虑力的分配问题，这就避免了径向轴承由于力分配不均而造成的损坏；两轴承结构中，挡轮和轴设计为一个整体，因此设备单个部件相对较大，但部件大多为铸钢件，相对于三轴承结构中的锻件，其加工难度和费用并没有增加，而且相对于三轴承结构还要减少一个轴承，这也会降低设备的加工费用。

　　4　总结

　　回转窑是水泥厂的核心设备，对其的要求是要保证连续安全稳定的运行，机械结构在满足使用要求的情况下，简单的结构往往比复杂的结构更稳定。这两种挡轮结构广泛的使用在回转窑系统中，虽然三轴承结构设备较小，但是零件较多，结构相对复杂，而两轴承结构虽然设备较大，但是结构简单，加工难度不高，设备在运行过程中出现的问题较少。因此，两轴承结构相较三轴承结构优点更突出。

来源：《四川建材》2014年5期