KMP300型磨煤机减速齿轮箱行星齿轮轴承强度校核及改造方案研究

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【摘 要】kmp300型磨煤机减速齿轮箱的行星减速机构由太阳轮、三个均布行星齿轮、固定的内齿圈和作为输出轴的行星架构成。此类型齿轮箱在发电厂制粉系统中作为HP型中速磨煤机的驱动装置，使用过程中多次出现行星齿轮轴承损坏的故障。因此本文重点对该轴承设计的动静载荷及预期寿命进行校核计算，以期找出该型齿轮箱轴承频繁损坏的共性原因，从而从根本上消除该型齿轮箱存在的设计隐患。

【关键词】磨煤机 齿轮箱 轴承 动静载荷校核 改进方法

某火电厂2台630MW锅炉采用冷一次风正压直吹式制粉系统，每台锅炉配置6台HP1003型中速磨煤机，磨煤机配备Flender KMP300型齿轮箱，两台机组于2007年投入商运。Flender KMP300型齿轮箱采用螺旋伞齿轮、行星齿轮两级减速传动结构，由一对螺旋伞齿轮的啮合完成齿轮箱的一级减速，然后通过齿形联轴器将扭矩传递给行星减速机构完成二次减速，其行星齿轮原设计配置FAG 22326E1.C3轴承。该型齿轮箱自2011年以来陆续出现了多台磨煤机齿轮箱轴承损坏问题，降低了机组运行可靠性，严重影响了运行安全。

为准确分析故障成因，并找出解决该型齿轮箱频繁故障的解决方法，需首先对原制造厂所选FAG 22326E1.C3轴承受力情况及预期寿命进行校核计算。

1 减速箱行星齿轮轴承受力与预期寿命核算

1.1 行星轮轴承受力分析

KMP300型减速齿轮箱的太阳轮与行星轮的传动系统如图1所示。其中，太阳轮齿数Za=17，内齿圈齿数Zb=103， 行星齿轮齿数Zc=43。

齿轮箱太阳轮与行星轮的受力如图2所示。在输入端转速982rpm、驱动功率

520kW下，输入转矩为

N.m （1）

其中， 为第一级螺旋伞齿轮速比 ，P为输入功率（电动机额定功率kW），n为电机转速。

行星轮圆周力：

（2） 其中， 。

行星轮径向力：

（3）

其中β=0°， ，

根据以上各式，可得轴承所受径向力为：

N （4）

轴承所受轴向力为

1.2行星轮轴承的基本额定动载荷与预期寿命

因为

因此，轴承当量动载荷： （5）

轴承当量静载荷： （6）

轴承选型的基本额定动载荷按式[8]寿命因素 计算，此处， ：寿命因数； ：力矩载荷因数； ：冲击载荷因数； ：转速因数； ：温度因数。

对于KMP300型减速箱，行星轮的载荷不大，故力矩载荷因数取 ；行星轮转速为79rpm，转速因数取 ；轴承温度不大于120K，温度因数取 。

冲击载荷因数与设备工作的平稳性有关，无冲击或微冲击机械 ，机床、内燃机、起重机等中等冲击机械 ，破碎机等强冲击机械 。磨煤机理论上属于破碎机械，但与矿山破碎机械相比，冲击小得多，故将磨煤机列为中等冲击机械是恰当的。冲击因数取值1.2时，据此计算得出原设计选型轴承的预期寿命为24500h，与我公司现场该型齿轮箱实际使用情况基本一致，约为3-4年时间，这也充分说明了我公司该型齿轮箱频繁故障的真正原因，应该就是齿轮箱设计时选取的动载荷安全裕度不足。

图3基于[8]给出了轴承的寿命因数与预期寿命间的对应关系。由图3可见，轴承的预期寿命是寿命因数的二次函数。对于KMP300型齿轮箱，将已确定的参数代入式（6），求得寿命因数与轴承基本额定动载荷、实际动载荷及冲击因数的关系

。 （7）

由式（7）可知，在冲击因数一定时，轴承的选型设计，就是在给定的动载荷下，按预定的使用寿命，确定轴承的基本额定动载荷。对我公司磨煤机齿轮箱行星轮轴承的改造，就是要寻找满足结构要求、基本额定动载荷强于FAG 22326E1.C3的轴承。

2 轴承选型方案与可行性分析

2.1 轴承选型

对于我公司磨煤机齿轮箱的行星轮轴承改造，轴承寿命因数计算中，实际动载荷取167.15kN，冲击因数取1.2，则式（7）改写为

。 （8）

根据Flender KMP300型齿轮箱的内部结构，由于受到齿轮箱各传动部件配合尺寸的限制，综合考虑轴承静载荷安全校核、太阳轮―行星轮传动系统接触强度、弯曲强度安全校核，以及内齿圈―行星轮传动系统接触强度、弯曲强度安全校核等因素，包括原设计选型轴承在内仅有四种规格轴承可供选用。

我们对原选用轴承和3个可选型号轴承进行了预期寿命计算，结果显示：SKF产品目录中，在行星轮轴承孔径不大于300mm轴不大于150mm的情况下，FAG轴承系列中，没有一款轴承的基本额定动载荷高于1250kN。仅22328-E1及同系列轴承的基本额定动载荷较现轴承大，预期寿命计算值比现轴承增加约68.2%。即FAG 22328-E1是改造唯一可选的轴承。

2.2 可行性分析

本次行星轮轴承改造的可行性分析，着重点在于轴承轴和轴承孔的扩大。

现有行星架轴承轴的直径为150mm，选用FAG 22328-E1是可行的。由齿轮箱结构示意图推断，行星轮内孔由现 扩大到 是可行的。如选用FAG 22328-E1轴承作改造，可相对延长行星轮轴承工作寿命16000h，能获得一定程度的延寿作用。

3 通过运行方式调整延长KMP300型齿轮箱轴承工作寿命可行性分析

由[1][2][3]分析已知，KMP300型齿轮箱行星轮轴承的基本额定静载荷符合设计要求，但其基本额定动载荷偏小，寿命因数过低，故投运不足4年就陆续发生了多台磨煤机齿轮箱失效故障，但至今仍有同类型齿轮箱保持正常运行，这表明失效故障的发生还与运行因素有关，科学调整磨煤机运行工况，也能有效延长齿轮箱的工作寿命。式（7）显示，轴承的寿命因数与实际载荷和冲击因数成反比。因此，要延长轴承工作寿命，一是尽可能降低磨煤机的冲击载荷，避免加载力和给煤量不当造成磨煤机较大振动；二是合理分配各台磨煤机的负荷，在制粉总电耗不增大的情况下，尽可能降低各台磨煤机的实际载荷。

由此可见，通过磨煤机的参数调整和运行优化，也可以有效减缓轴承的寿命损耗。目前我公司根据磨煤机出力试验以及锅炉制粉系统实际运行状况，已将原磨煤机设计最大出力60t/h优化为56t/h，这样既能保证机组正常带负荷能力，又改善了磨煤机运行工况，对延长此型磨煤机齿轮箱工作寿命有一定的帮助。

4 结论与建议

（1）我公司二期工程HP1003型立式中速磨煤机，投运4年即发生齿轮箱行星轮轴承损坏事故，其根本原因是该轴承的额定动载荷安全裕量设计过小。因此对现轴承进行改造，对减缓轴承寿命损耗、延长工作寿期是必要的。

（2）齿轮箱行星轮轴承改造的强度可行性研究与论证，应着重于轴承轴及行星齿轮的内孔扩大方面，在行星轮轴承孔不大于300mm情况下，行星轮内孔扩大后轮毂强度经校核计算没有问题，因此选用比原设计更大规格的FAG 22328-E1轴承是可行的。

（3）在现有行星齿轮上进行轴承改造，行星轮轴承孔不大于300mm情况下，采用FAG 22328-E1轴承是获取延长工作寿命最大的唯一选择，可有效减缓轴承寿命损耗，在现有运行方式下，预期工作寿命比原设计轴承增加16000h左右。

（4）对于既定磨煤机的齿轮箱，影响轴承工作寿命的主要因素是冲击载荷和实际动载荷，通过磨煤机负荷和加载力的优化配置，可以减小冲击和降低动载荷，进而延长轴承的工作寿命。我公司二期工程磨煤机减速箱行星轮轴承固有动载荷安全裕量太小，在行星轮内孔不大于300mm约束下，轴承改造只能减缓寿命损耗。为有效延长磨煤机减速箱轴承的工作寿命，在不影响机组正常带负荷能力的前提下，可对二期工程磨煤机出力适当降低，以达到减小冲击和降低动载荷目的，从而使磨煤机齿轮箱轴承寿命得到有效延长。

目前我公司已完成2台KMP300型齿轮箱采用FAG 22328-E1作为行星轮轴承进行了改造，并投入运行约一年时间，设备运行工况稳定，当然实际改造延寿效果还有待于该设备的长期运行来检验。

参考文献：

[1] 江苏新中科技股份有限公司，KMP300齿轮箱行星齿轮轴承强度校核与改型方案，2013年5月.

[2] 成大先 主编.机械设计手册（第2卷）.第五版，化学工业出版社，2007.11.

[3] 日本精工株式会社.NSK滚动轴承技术手册，2008.