水泥粉磨輥壓機(jī)軸承使用壽命改善分析
2019-10-01 潘胡江
（安徽海螺川崎裝備制造有限公司）
摘 要：在輥壓機(jī)設(shè)備中，軸承是核心的部件之一，它的使用壽命將會(huì)直接影響到整機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。本文從輥壓機(jī)主軸承材料選用、熱處理工藝、軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、相關(guān)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝及使用各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析論證，改造后軸承實(shí)際使用效果良好，軸承壽命顯著提升，節(jié)約成本。
關(guān)鍵詞：輥壓機(jī)軸承；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；軸承材料；安裝
在水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中，輥壓機(jī)作用非常顯著。因?yàn)樗姆鬯樾屎芨?，使得系統(tǒng)電耗下降明顯。所以，很多水泥工廠對(duì)原有的水泥粉磨系統(tǒng)進(jìn)行改造，主要通過增加輥壓機(jī)達(dá)到節(jié)能降耗的目的。新建的項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)輥壓機(jī)是的，需要一次性配置到位。它的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性是水泥企業(yè)高度關(guān)注的。
在輥壓機(jī)設(shè)備中，軸承是非常核心的部件之一，它的使用壽命將會(huì)直接影響到整機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。如何延長(zhǎng)軸承的使用壽命，在設(shè)計(jì)、制作、安裝和使用方面，需要不斷的分析改進(jìn)。
1.軸承的使用現(xiàn)狀
現(xiàn)階段，在國內(nèi)的水泥粉磨輥壓機(jī)生產(chǎn)廠家中，主軸承選擇多數(shù)采用內(nèi)圈帶錐度的調(diào)心滾子軸承，其內(nèi)外圈不可分離，能夠承受較大的徑向力，也能承受一定的軸向力。這一點(diǎn)與國外輥壓機(jī)多采用多列圓柱滾子軸承(與鋼鐵軋機(jī)支承輥軸承結(jié)構(gòu)相似)有明顯差異?？傮w來說，輥壓機(jī)主軸承結(jié)構(gòu)采用調(diào)心滾子軸承相比多列圓柱滾子軸承而言，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、制造更方便、成本更低，但根據(jù)在市場(chǎng)卜已知兩種軸承結(jié)構(gòu)的平均使用壽命而言，多列圓柱滾子軸承比調(diào)心滾子軸承長(zhǎng)約2-2.5倍左右，有較大差異。
由于市場(chǎng)上采用調(diào)心滾子軸承結(jié)構(gòu)的輥壓機(jī)更多，本文將主要對(duì)此進(jìn)行分析。在我們調(diào)查過程中，曾有多家水泥企業(yè)采用調(diào)心滾子軸承的輥壓機(jī)，使用壽命不到1年或1～2年，軸承就發(fā)生點(diǎn)蝕、剝落，甚至出現(xiàn)滾動(dòng)體和內(nèi)外圈開裂問題。
由于輥壓機(jī)零部件較重，軸承更換難度較大，且軸承本身價(jià)格較高，結(jié)果導(dǎo)致企業(yè)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。某公司負(fù)責(zé)輥壓機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)人員與新加坡新隆成NIS問題解決方案工廠一起，調(diào)查走訪多家水泥企業(yè)，對(duì)使用過程中異常損壞的軸承進(jìn)行分析研究（使用時(shí)長(zhǎng)不超過2年，注：輥壓機(jī)主軸承壽命設(shè)計(jì)超過5年），本文從輥壓機(jī)主軸承材料選用、熱處理工藝、軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、相關(guān)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝及使用各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析論證。
2.問題分析及解決對(duì)策
2.1軸承的疲勞剝落與斷裂
滾動(dòng)軸承的表面疲勞磨損常發(fā)生在軸承滾道面上。壓應(yīng)力都發(fā)生在軸承零部件的接觸表面上，切應(yīng)力則發(fā)生在離工作面表層內(nèi)部一定深度處。滾動(dòng)接觸時(shí)，在循環(huán)切應(yīng)力影響下，裂紋容易從表層形成，并擴(kuò)展到表面而使材料剝落，在零件表面形成麻點(diǎn)狀凹坑，造成疲勞磨損。若伴有滑動(dòng)接觸，破壞的位置逐漸移近表面。
由于材料組織不可能均勻，零件表面也不是平滑，材料有表面缺陷、夾雜物、孔隙、微裂紋和硬質(zhì)點(diǎn)等原因，疲勞破壞的位置往往有所改變，裂紋有時(shí)從表面開始，有時(shí)從表層內(nèi)開始。與表面連通的疲勞裂紋還會(huì)受到潤(rùn)滑油的楔人作用，使其加速擴(kuò)展。減少表面疲勞磨損的措施首先在于提高材料的純潔度，如限制非金屬夾雜物的含量，規(guī)定基體組織和碳化物的均勻性等。表面應(yīng)盡量光潔，避免刀痕式磨痕。
軸承制造時(shí)，不同的材料、不同的熱處理方式，也是影響接觸面疲勞的重要因素。
2.2軸承材料和熱處理方式的選擇
由于受到機(jī)械加工難度和熱處理難度的限制及制造成本方面的考量，軸承制造商在選擇材料時(shí)，一般會(huì)選擇易加工、成本相對(duì)比較低的材料（通常軸承廠家在客戶未材料的情況下采用GCrl5SiMn）。表1中列出了三種常用大型軸承的鋼材的沖擊韌度與斷裂韌度對(duì)比。
表1 三種軸承鋼的沖擊韌度與斷裂韌度的對(duì)比
從表1對(duì)比可以看出，GCrl8Mo的沖擊韌度與斷裂韌度更好，更適合使用在大沖擊載荷下的工況。輥壓機(jī)的工作原理為高壓料層粉碎，即其在工作過程中，通過兩個(gè)擠壓輥對(duì)物料進(jìn)行擠壓，因此，軸承要承受極重的工作載荷；同時(shí)，由于物料的不均勻，負(fù)荷具有沖擊性。因此，針對(duì)這樣的負(fù)荷性質(zhì)，GCrl8Mo材質(zhì)的軸承鋼比GCrl5SiMn材質(zhì)的軸承鋼更適合應(yīng)用在輥壓機(jī)主軸承材料上。
2.3滾動(dòng)體端部破損嚴(yán)重對(duì)策
輥壓機(jī)在工作時(shí)，其工作輥之間的擠壓力由調(diào)心滾子軸承承受，而軸承通過滾動(dòng)體將擠壓力由內(nèi)圈傳遞到外圈。調(diào)心滾子軸承設(shè)計(jì)過程中，其滾動(dòng)體曲率與滾道曲率的比值稱為密合度。特定密合度設(shè)計(jì)的軸承，隨著軸承所承受負(fù)荷的增加，滾子與滾道的接觸區(qū)域會(huì)逐漸增加；當(dāng)負(fù)荷增加到一定值，接觸區(qū)域長(zhǎng)度會(huì)達(dá)到滾子的整個(gè)有效長(zhǎng)度；這時(shí)，如果負(fù)荷繼續(xù)增加，則滾動(dòng)體邊緣將會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，工作過程中這種情況一旦出現(xiàn)，滾動(dòng)體邊緣將出現(xiàn)坍塌，也即是我們通常所說的滾動(dòng)體塌邊。
因此，根據(jù)軸承所應(yīng)用的工況，需要充分考慮工作負(fù)荷條件與軸承密合度之間的合理選擇。為此，經(jīng)過多次的實(shí)踐應(yīng)用，我們根據(jù)輥壓機(jī)設(shè)計(jì)負(fù)荷選擇的密合度優(yōu)化方案。某型輥壓機(jī)軸承滾子接觸區(qū)域與接觸應(yīng)力之間的關(guān)系見圖1。
由圖1可知，當(dāng)滾動(dòng)體與滾道之間的密合度為0.98時(shí)，在設(shè)定工作負(fù)荷下，滾動(dòng)體邊緣產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，將導(dǎo)致軸承很快損壞；隨著密合度的降低，滾動(dòng)體邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減少；當(dāng)密合度達(dá)到0.965時(shí)，滾動(dòng)體的邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象消失。因此，考慮到輥壓機(jī)用主軸承在工作時(shí)承受極重負(fù)荷同時(shí)伴隨瞬間沖擊負(fù)荷條件下，必須確保滾動(dòng)體與滾道之間密合度設(shè)計(jì)合理，以避免在滾動(dòng)體邊緣及與滾道與之接觸區(qū)域產(chǎn)生過大的邊緣應(yīng)力集中，導(dǎo)致滾動(dòng)體破裂及滾道面的損壞。
3.與軸承相關(guān)的部件設(shè)計(jì)技術(shù)分析
3.1軸承座設(shè)計(jì)
3.1.1軸承座內(nèi)孔
擠壓輥兩端各有一個(gè)軸承，在軸承布置時(shí)，一端固定，一端游動(dòng)。一般將驅(qū)動(dòng)端作為固定端，非驅(qū)動(dòng)端作為自由端，以消除熱脹冷縮的影響。對(duì)于非驅(qū)動(dòng)端軸承座內(nèi)孔，有的設(shè)備廠家選用H7，但這不是的選擇，其實(shí)選用G7更為合理，保證軸承外圈和軸承座內(nèi)孔小間隙配合，而且內(nèi)孔的圓柱度和粗糙度盡量高標(biāo)準(zhǔn)。這樣軸承在孔內(nèi)才能真正的浮動(dòng)，避免軸承產(chǎn)生較大的軸向力，防止軸承損壞。軸承外圈載荷性質(zhì)屬于固定的局部載荷，且軸承本身重量較重，不會(huì)發(fā)生“跑外圓”現(xiàn)象。
3.1.2軸承座
由于輥壓機(jī)工況較為惡劣，軸承的密封效果至關(guān)重要，大部分設(shè)備廠家在軸承座兩端只設(shè)計(jì)了一道徑向密封，當(dāng)擠壓輥兩端的軸承座偏擺較大時(shí)，在水平方向上軸承座的徑向密封一側(cè)過度擠壓，另外一側(cè)會(huì)產(chǎn)生間隙，粉塵會(huì)進(jìn)入到軸承內(nèi)部，導(dǎo)致軸承發(fā)生不正常磨損，出現(xiàn)點(diǎn)蝕、剝落現(xiàn)象。所以單純的徑向密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不合理的，需要考慮兩個(gè)及以上的密封結(jié)構(gòu)，比如：采用徑向密封、迷宮密封和油脂三重密封，無論在什么樣的工況下，現(xiàn)場(chǎng)的粉塵都不會(huì)逃逸到軸承的內(nèi)部，確保軸承的運(yùn)行環(huán)境良好，從而延長(zhǎng)軸承的使用壽命。
3.1.3軸承座冷卻
不同的設(shè)備廠家，軸承冷卻水道的結(jié)構(gòu)不盡相同，有圓形鉆孔的，有矩形車削的，有環(huán)向循環(huán)冷卻的，有軸向循環(huán)冷卻的。但不能是哪種結(jié)構(gòu)，都必須要考慮冷卻面積要足夠。從這個(gè)角度來講，環(huán)向矩形車削結(jié)構(gòu)的更合理，而且加工可操作性也比較高。只有軸承的冷卻效果好，才能保證軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承的使用壽命才能延長(zhǎng)。
3.2軸承安裝技術(shù)分析及維護(hù)保養(yǎng)
軸承的使用壽命與軸承的工作游隙有著直接的關(guān)系，而軸承的工作游隙是由安裝游隙保證的。安裝游隙的大小與檢測(cè)可根據(jù)軸承手冊(cè)或者軸承廠家的指導(dǎo)進(jìn)行控制。對(duì)于內(nèi)孔圓錐形軸承，主要通過軸向移動(dòng)距離來調(diào)節(jié)，然后通過壓環(huán)將軸承小徑一側(cè)的內(nèi)圈進(jìn)行固定。特別強(qiáng)調(diào)的是，軸承內(nèi)圈一般是通過螺栓緊固的，如果安裝質(zhì)量不高，就會(huì)出現(xiàn)螺栓松動(dòng)，造成軸承的工作游隙變大，導(dǎo)致參與工作的滾動(dòng)體數(shù)量變少，甚至出現(xiàn)滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，嚴(yán)重破壞了軸承的正常工作狀態(tài)，結(jié)果可想而知。所以，如何做好螺栓的防松至關(guān)重要，可采用螺紋鎖固膠，但今后檢拆卸比較困難，采用機(jī)械防松的方式安全可靠。只有軸承的游隙穩(wěn)定可靠，軸承的使用壽命才能保證。
由于軸承載荷較大，應(yīng)根據(jù)設(shè)備廠家的要求，選用極壓性能較好的油脂。油脂的加入量要適當(dāng)，太少了潤(rùn)滑效果得不到保證，太多了軸承散熱效果差，都會(huì)影響軸承的使用壽命，一般控制在軸承有效空間的80％左右較為合適。同時(shí)，在設(shè)備工作時(shí)，應(yīng)定期監(jiān)測(cè)軸承的溫度，一般不超過80℃。如果溫度較高，需要及時(shí)排查，檢查冷卻水的溫度和流量是否正常，軸承的工作游隙是否正常，以及是否進(jìn)入粉塵等異物。只有故障排除了，方可正常開機(jī)，否則會(huì)加劇軸承的損壞。
4.結(jié)語
輥壓機(jī)對(duì)水泥粉磨系統(tǒng)的節(jié)能降耗發(fā)揮著重要的作用，如何延長(zhǎng)輥壓機(jī)軸承的使用壽命，對(duì)于水泥企業(yè)來說具有重要的意義。但軸承的使用壽命與設(shè)計(jì)、加工、安裝和使用等環(huán)節(jié)都有著密切的關(guān)系，每個(gè)環(huán)節(jié)都要技術(shù)分析到位，而且嚴(yán)格的按要求實(shí)施到位，軸承的使用壽命才能延長(zhǎng)，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益才能得到充分的發(fā)揮。
來源：《水泥工程》2018年04期
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