不刮瓦轴承的两个基础理论及其实例计算分析.pdf

2024年第2 期No.22024中图分类号：TQ172.6文献标志码：B文章编号：10 0 8-0 47 3(2 0 2 4)0 2-0 0 0 4-0 7 DO1编码：10.16 0 0 8/ki.1008-0473.2024.02.002新世纪水泥导报CementGuideforNewEpoch专题论述不刮瓦轴承的两个基础理论及其实例计算分析江旭昌（天津市博纳建材高科技研究所，天津30 0 40 0）摘要不刮瓦轴承在我国水泥工业应用中存在两个问题：一是对其形成楔形间隙的必要性和重要性的认识模糊甚至存在疑虑；二是担心管磨机主轴承球面瓦的巴氏合金轴瓦会被压坏。为消除当前不少人对不刮瓦轴承技术的疑虑和担心，通过对不刮瓦轴承两个基础理论及其实例计算进行分析，得出结论：（1）不刮瓦轴承即无负荷时轴颈与轴瓦接触角=0的滑动轴承，是一种当前最先进的滑动轴承；（2）在管磨机中，水泥磨机主轴承轴瓦的负荷是最大的或者说是最重的，经过实例计算表明其安全系数n最小者竟然大于10，表明巴氏合金轴瓦是绝对不会被压坏的。关键词回转窑管磨机滑动轴承球形瓦，不刮瓦轴承新型刮研法0引言回转窑和管磨机是水泥厂中最重要、同时也是体量最大的设备，因而素有将水泥生产简述为“两磨一烧”之说。回转窑的托轮轴承球面瓦和管磨机主轴承球面瓦是最容易出现问题的机件，主要有轴承发热、烧研、翻瓦，严重者有时会发生“糊轴”现象甚或将瓦盖撞坏等设备事故。这些事故一且发生，就需停产处理，轻者需停产35天，重者则需停产10 余天，从而会使水泥企业遭受很大损失。为了减少因此造成的损失，人们研究出了一种“不刮瓦轴承”，即理论上在无负荷时轴颈与轴瓦的接触角=0的滑动轴承。顾名思义，这种滑动轴承的轴瓦是不需要刮研的。这种“不刮瓦轴承”在国外早已广泛应用，但在我国回转窑托轮轴承和管磨机主轴承上应用和推广之初，曾有不少人对其形成楔形间隙的必要性和重要性不甚理解甚至存在疑虑，将已存在楔形间隙的球面瓦硬是给刮削成带有接触角的“刮瓦轴承”；更严重的是担心管磨机主轴承球面瓦的巴氏合金轴瓦会被压坏2。这影响了这项先进技术在我国的快速发展。然而在江西、河南七里岗、山东鲁南、北京燕山、天津等水泥厂的推广实践都证明，不但都完好地解决了经常烧瓦停窑停磨的难题，而且没有一个管磨机4主轴承巴氏合金瓦被压坏。这都无可辩驳地证明，这种“不刮瓦轴承”确实是当代一种最先进的滑动轴承，对解决轴瓦烧研等事故特别有效。虽然实践已经证明巴氏合金瓦是不会被压坏的，然而还是有人不放心。这是因为当时在江西水泥厂2000t/d熟料水泥生产线攻关时，笔者提出采用接触角=0 的不刮瓦轴承刮研法，能够顺利解决4台磨机频繁烧瓦的问题。但厂里有人不同意，担心压坏巴氏合金瓦。为了尽快解决这一难题，笔者无奈撒了一个“小谎”，将实际采用不刮瓦轴承刮研法谎称是采用接触角=30小接触角的刮研法。由于效果显著，因此采用=30 小接触角刮研法”可以有效解决烧瓦问题的消息便很快传开了。这个善意的小谎产生了很大的误导，有些不了解真情的水泥厂，在自己处理窑磨烧瓦时，就真的按照接触角=30 小接触角进行刮研处理。虽然也取得了一定的效果，但总不如采用真实“不刮瓦轴承”法的效果好。滑动轴承虽然在工程中的应用非常普遍，在水泥厂中也更是如此，但是由于水泥厂资料较少，有关滑动轴承两个最重要的基础理论却很少有人问津，显然更谈不到在实践中具体应用了。为了使不刮瓦轴承这项先进技术在我国能够得到迅速推广，现在必须将影响其发展的两个基础理P=02024年第2 期No.222024论进行再介绍再分析。只有提高了理论认识，才能彻底地消除人们的疑虑和担心，不刮瓦轴承这项先进技术才能在我国得以快速发展。为此，本文现对不刮瓦轴承的两个基础理论问题进行介绍分析和结合实例计算进行运用分析，以供有关人士参考。1第一个基础理论一一液体摩擦润滑理论轴承是支承轴或者说轴之轴颈的部件，滑动轴承是与轴之轴颈相结合而工作的。窑磨所用的球面瓦，不论铜轴瓦还是巴氏合金轴瓦，其瓦面的主要结构都是基本相同的，即都有瓦口间隙和导油槽等，见图1所示。So-瓦口间隙；ShS-楔形间隙；Sb-导油槽宽度；?-接触角接触角轴瓦(P=120(=90=60接触范围无间隙区江旭昌：不刮瓦轴承的两个基础理论及其实例计算分析轴颈导油槽专题论述平板1的速度相等，即V=0；沿二平板之间高度方向上的速度变化如该图中所示呈斜直线变化，即由下到上速度由V-V逐渐变到V=0。很显然，从右端被带人的油量和从左端被带出的油量是相等的。从图中速度的变化情况来看，两平板间的油压无变化。如在上平板1上加载荷P时，其必下沉，油被挤出后，两平板的上下两表面便会直接接触，则油层便不复存在，即形不成液体摩擦。如果将平板1倾斜，这时如油层（油膜）沿高度方向速度的变化仍为直线变化，见图2（b）中倾斜虚线所示。显然，右部进油多，左部出油少。众所周知，这是不可能的。因为液体几乎是不能压缩的，而两平板间的容积又一定，因此在两板间的油则产生动压，这将使上下两平板有分开的趋势。当在上倾斜平板1上加载荷P时，上倾斜平板下的油压可与外载荷平衡，因而能够保持一定的间隙，即油膜厚度，这就能够获得液体摩擦的效果。上下两平板间油压P的变化情况如图2（b）中所示曲线所包括的部分，而进出两端速度的变化见图2（b）中实线所示，以保持进出口油的流量相等。由此可见，滑动面间形成楔形间隙是达到液体摩擦的必要条件3。液图1滑动轴承的轴颈与轴瓦2（a）两块平行平板被油膜隔开的示意图众所周知，任何轴承都必须有良好的润滑，才能保证长期稳定的工作。对滑动轴承，在轴颈表面与瓦面之间必须存在楔形间隙才能形成油膜。只有形成油膜才能将轴颈与轴瓦隔开，使轴颈与轴瓦金属的固体直接摩擦变为油膜流体的内摩擦，即液体摩擦，才能使所在设备保证长期稳定地工作。不刮瓦轴承确实是一种具有很多优点十分先进的技术。原因就是从瓦口到最大吃力点能够形成逐渐减小的楔形间隙，即接触角=0的滑动轴承，为形成液体摩擦润滑的油膜提供了先决条件，其原理示于图2。由图2（a）可见，两块平行的平板1和2 被流体层或者称油层3隔开。如平板1不动，平板2 按箭头方向以速度V.移动，液体层3与下平板2上表面接触的部分与下平板2 的速度相等，即V-V；液体层3与上平板1的下表面接触部分与上PS。（b）两块倾斜平板被油膜隔开的示意图图2 雷诺方程式的分析图体摩擦的轴承就是利用这个道理使受载荷的摩擦面能够被油膜隔开，而形成液体摩擦5322024年第2 期No.22024现在来研究油压的分布情况。为简单起见，先作如下假设：（1）润滑油在乙轴方向不流动，且假定平板在Z轴方向上的宽度是无限大；（2）两平板间的距离极小，故可以认为压力沿Y轴方向无变化；（3）油的惯性力可以忽略而不计，因其值很小；（4）油在两平板间的温度无变化，即油的绝对黏度为常数；（5）油的流动是规则的，即为层流流动。现从两平板间取出一微体积dxdydz来研究其平衡，见图3所示，则微体积各面上的应力在X轴向上应平衡，即Z=0，于是便可得下式：P-(P+dP)dy dz+(t+dt)-tdx dz=0dT整理（1）式可得到下式：dxdy单位面积的摩擦力，即剪切应力则可写成下式：T.dV（3）T=式中：t单位面积的摩擦力，即剪切应力；T一一油层间的摩擦力；A一一相邻油层的面积；U一油的绝对黏度；y方向上的速度梯度。dyV图3两平板间油压分布的理论分析图将（3）式代人到（2）式中，则可得到下式：dPdxdy2在任意一定的x处，为一定值，欲知该断面y轴上任意点的速度时，将（4）式进行二次积分即可求得，详见下式：JddydV1dP由此可得到：dy1dP2udx式中的c,和c,为二次积分常数，可按边界条件求得：当y=0，V=V o,于是得c,=V；当y=s时，则v=0,6新世纪水泥导报CementGuideforNewEpoch于是得：C=-1dP2uSdxS代人到（7）式中，则可得到下式：1dPV2udx在单位时间内，任意X座标的断面单位宽度在Z方向的流量为：1dPQ=JiVdy=2MdxSdP十S12udx2(1)由图2(b)知P=Pmax处,dP（2)+dTP+d,XdV1dPTdydXdxy+c+C2专题论述将所得的c,和c,两式y-s)(8)-sy)dy-%i(y-s)dy(9)dPdx=0，从（4)可知=0。即在该断面的速度在Y方向的变化为常数。d2V令该断面处两板间之间隙高度为S。，则通过该断面单位宽度即Z方向的流量为：Q.=UosS现假设在Z方向的油不运动，所以在单位时间内沿X方向任意断面的流量均相等，故（9）和（10）两式应相等，即可得到下式：dPS-S.=6uVdxS3式中：S一沿x轴任意点处的间隙高度，对滑动轴承而言就相当于楔形间隙值；S。P=Pm处的间隙高度，即下文3.2 节图6中C点的油膜厚度，实际上也就是最小油膜厚度；V。两摩擦面相对滑动的速度；-润滑油的绝对黏度。（11）式表明了油压P沿X轴变化的规律，即(4)为计算液体摩擦轴承承载能力的基本方程式，这就是著名的雷诺方程式。实际上，这个方程也就是不刮瓦轴承的理论基础。2第二个基础理论一一不刮瓦轴承巴氏合金瓦不会被压坏的理论分析最早认为通过沟槽最容易能够将润滑油输送(5)到轴颈与轴瓦接触吃力面之间，故当时出现了第一(6)代的“刮瓦轴承”，也称为“油沟轴瓦”。当时分析误认油沟中的润滑油并没有那么大的力量能够平（7)铺到整个吃力的瓦面上，于是出现了第二代的“刮瓦轴承”，也称为“油窝轴瓦”2。这种刮瓦轴承就是将机加工后本来是光洁平滑的整个瓦面，用刮(10)(11)2024年第2 期No.22024刀再刮削成凹凸不平的瓦面，经与轴颈配研后要求保证有12 点/cm的接触，误认为在均布的凹窝中可布满润滑油，以满足润滑的要求。实践表明，这种油沟轴瓦和油窝轴瓦使用效果都不是很好。后来才发现，这两种刮瓦轴承应用不好的原因，都是因为存在接触角=12060，将已形成好的油膜又都被油沟或者油窝给划坏了的缘故。以上分析已从理论上完全证实了这个问题。不刮瓦轴承的轴颈与轴瓦在无负荷时理论上是一条线接触，即接触角=0。因为有负荷存在，轴颈和轴瓦都是金属弹性体，受力后便都要产生弹性变形，在负荷作用下实际上是一个窄条带接触，称为“接触带”。根据弹性力学，这个“接触带的宽度b。”是可以通过计算得到的4。实践证明，计算得到的接触带宽度与现场实际相符。当前管磨机主轴承基本上都采用巴氏合金材料制作轴瓦，这种材料是由美国人巴比特组别代号ZChSnSb11-6锡锑轴承合金ZChSnSb44ZChSnSb84ZChPbSb16-16-2铅锑轴承合金ZChSnSb15-15-3牌号比压Q/(kg/cm)200（冲击)锡基6 8 3250（平稳）锡基16150锡基650锡基H150200钙基K200铅基C100（冲击)150（平稳)6606405015100103专题论述（Ba b b i t t）于18 39年发明的，因此国际上都将这种最适宜制作轴瓦的合金称为“巴氏合金”。这种合金呈白色，所以又称为“白合金”。因为虽为白色，但有点发乌，故还有称为“乌金”的。这种合金材料的特点是硬度低，但强度较高，能承受较大的压力，同时还耐疲劳；摩擦系数小，对润滑油的吸附力即油性强，不仅耐磨而且节能，同时对保护轴颈有利；导热性好，便于轴承的散热；易熔，流动性好，便于浇铸和制造等。这种轴承合金现有锡基、铅基、钙基等系列，其中以锡基品种最多。我国在国标GB117474标准中只规定了3个牌号的锡基铸造轴承合金，详见表1所列5。而原苏联在IOCT613一6 5标准中则规定了4个牌号，现在列出供读者参考，详见表2。由表1和表2 可见，我国ZChSnSb11一6 牌号的铸造轴承合金是性能最好的巴氏合金，相当于原苏联锡基6 8 3牌号的铸造轴承硬度PbSn余量余量余量余量15.0 17.0余量5.0 6.0特别重要的，高转数，大动力的机器，如蒸汽透平等，工作温度t110。工作温度t120 工作温度I100 工作温度t130 工作温度t160 20工作温度 t27630（上接第3 页）化建材产业体系2 0 2 3 年建筑材料行业大会主旨报告 J.中国建材，2 0 2 3(1 2):2 8-3 6.3高长明.知识经济激励水泥工业可持续发展兼谈我国水泥工业现状及对策 J.新世纪水泥导报,2 0 0 0(1):1 2-1 4.4高长明.预分解窑水泥生产技术及进展 M.北京:化学工业出版社,2 0 0 6:2 47-3 2 1.5高长明.论我国水泥工业可持续发展的战略步骤 .新世10纪水泥导报,1 9 9 9(2):4-6.6高长明.试论新经济时代的水泥工业 J.建材工业信息,2000(7):4-7.7高长明.再论水泥工业可持续发展的“四零一负”战略.新世纪水泥导报,2 0 0 4(S):7-12.（收稿日期：2 0 2 4-0 2-1 8）Main AbstractsTwo Fundamental Theories and Example Calculationof the clinker and reducing cooling power consumption.Analysis of Non-Scraping Bearing(04)Practice has shown that using TIE-fixed grate bed toJiang Xuchangpartially replace the old fixed grate bed can effectively(Tianjin Bona Building Materials High-Techincrease the secondary air temperature,reduce the energyResearch Institute,Tianjin 300400)consumption of the sintering system,and significantlyAbstract:There are two problems in the application ofimprove the quality of clinker.non-scraping bearings in Chinas cement industry:firstly,Keywords:TIE-Fixed grate bed;water droplet typethere is a vague understanding and even doubt about thehigh-efficiency grate plate;clinker rapid cooling;PLUSnecessity and importance of forming wedge-shaped gaps;grate cooler;energy-saving and consumption reductionThe second concern is that the Babbitt alloy bearingtechnical transformationshells of the main bearing spherical shells of the tube millmay be crushed.To eliminate the doubts and concerns ofmany people about the technology of non-scrapingbearings,through the analysis of two basic theories andpractical calculations of non-scraping bearings,theconclusion is drawn:(1)Non-scraping bearings,whichare sliding bearings with a contact angle of 0 between thejournal and the bearing pad under no load,are currentlythe most advanced sliding bearings;(2)In a tube mill,theload on the main bearing bushing of the cement mill isthe largest or heaviest.After calculation,it is shown thatits safety factor n is actually greater than 10,indicatingthat the Babbitt alloy bushing will never be crushed.Keywords:rotary kiln;tube mill;sliding bearing;spherical tile;non-scraping bearing;new scrapingmethodDiscussion on Optimization and Upgrade of TIE-Fixed Grate Bed(16)You Lei,Yu Xianlin,Xing Tao,Yang Tengfei,HaoShuaiqi,Xu Yiyuan,Li Fuxiang(Chengdu Building Materials Industry Design andResearch Institute Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan610051)Abstract:TIE-fixed grate bed adopts technologies suchas central partition air supply,fine adjustment air valve,and water droplet type high-efficiency grate plate.It useshigh-speed airflow with horizontal air outlet to quicklycool the clinker.Not only can the system obtain hightemperature and stable secondary air,but it can alsoevenly distribute the clinker,reduce the segregationdistribution of coarse and fine clinker,and control thegeneration of red river from the source;At a stable andhigh secondary air temperature,the overall thickness ofthe material layer can be reduced to around 650 mm,significantly reducing the overall load resistance of allsubsequent cooling fans,further facilitating the coolingThe problems and countermeasures in the energy-saving and carbon reduction practice of the finalgrinding system of the raw material roller press(22)Song Yang,Tao Congxi,Zeng Rong,Wei Huaijun,Lao Lilin,Li Pengbin,Li Hanting(1.China Resources Cement Technology R&D(Guangxi)Co.,Ltd.,Nanning Guangxi,530000,;2.Chengdu Building Materials Industry Design andResearch Institute Co.,Ltd,Chengdu,Sichuang610051;3.China Resources Cement(Wuxuan)Co.,Ltd.Building Materials,Laibin Guangxi,546100)Abstract:Due to factors such as high moisture contentin raw materials,insufficient drying capacity of thesystem,high equipment resistance,and structural defectsin high-efficiency powder selection machines,the finalgrinding system of the raw material roller press isunstable in operation,with high cycle load,frequentshutdowns,high system resistance,excessive pulling ofthe circulation fan,and coarse fineness,resulting in highelectricity consumption in the raw material section andlow qualified rate of finished product fineness.Conductthermal diagnosis and research analysis on materialcharacteristics,process flow,equipment selection andoperation,and finished product fineness,and implementcorresponding equipment,process,and system operationoptimization measures.After optimization,the powerconsumption of the final grinding system section of theraw material roller press has been reduced by 2.2 kWh/t,the powder selection efficiency has been improved,andthe fineness of the finished product has been significantlyimproved,achieving the goals of improving quality,efficiency,energy conservation,and carbon reduction.Keywords:raw material roller press final grindingsystem,V-shaped powder selection machine,verticalhigh-efficiency powder selection machine,energy-savingand carbon reduction