【生産實踐】烘缸軸承失效原因分析及其改善方案

原創 陳賽 漿紙技術 今天

陳賽 先生

助理工程師；從事設備安裝、維修工作。

1 烘缸工作環境

造紙機用鑄鐵烘缸屬Ⅰ類壓力容器。鑄鐵烘缸的數量約占造紙行業壓力容器總數的2/3。制造烘缸的材料一般多爲HT200、HT250。爲了增加紙面光滑度，要求把烘缸外表面磨光并把内表面镗光，使整個烘缸壁保持厚薄一緻，以保證烘缸的安全、平衡和各處傳熱均勻。烘缸的作用是用來烘幹紙頁中的水分并整飾紙面。

烘缸内部通入飽和蒸汽進行加熱，飽和蒸汽的溫度120～150℃。烘缸被安放到密閉的氣罩内，并通過供風系統通入預熱的幹熱空氣加速水分的蒸發。熱量通過烘缸壁傳導到紙張中，将紙張中的水分由壓榨後的60%降低到出烘幹部約爲7%。在正常生産過程中氣罩内的環境溫度可以達到70～80℃。

2  烘缸軸承故障簡述

某公司紙機從2004年開機，烘缸固定端軸承連續出現損傷失效症狀。按設計要求，在烘幹部的軸承使用壽命爲8～10萬h。按連續生産來算這些軸承的壽命應該爲8年左右。但是現在這些軸承隻有1～2年的工作壽命，有的甚至隻有2～3個月的壽命，明顯低于設計要求。

從2004年至2015年已經更換了一百多套軸承。由于軸承頻繁的拆卸、安裝，又對烘缸的軸頭造成不可逆轉的損傷。烘缸軸承的不穩定工作對車間的正常生産産生極大的影響。

3  烘缸軸承損壞和蒸汽壓力的關系

3.1蒸汽群組分類

在紙機生産過程中，要從烘缸固定端通入高溫的蒸汽來實現對紙幅中水分的蒸發。根據紙機生産工藝，不同位置的烘缸對紙面的烘幹能力是不同的，通入的蒸汽壓力也是不同。若幹個相鄰的烘缸組成一個烘缸群，通入特定壓力的飽和蒸汽來實現組群的共同加熱。該紙機共有40個烘缸，劃分爲11個烘缸群。不同的群通入的蒸汽壓力各不相同，烘缸表面溫度也不同。

在生産過程中根據出幹燥部紙幅水分的大小，紙機會自動調節各個蒸汽群的供氣壓力。通過表2可以清晰看出蒸汽壓力較高的三個位置分别是2B、3、4号烘缸群，這三個群的供氣壓力峰值分别達到0.44MPa、0.54MPa、0.52MPa。蒸汽壓力較低的兩個位置分别是1C、5B烘缸群，其供汽壓力分别是0.14MPa、0.18MPa。

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3.2烘缸固定端軸承更換數量

依據2004年至2015年間該車間維修記錄，該車間重複性更換了137套烘缸固定端軸承。結合烘幹部烘缸群組蒸汽壓力和對應烘缸位置軸承更換數量，可以體現出蒸汽壓力和軸承損壞的關系并得到圖1（蒸汽壓力和軸承更換數量對應關系）。

通過圖1可以清晰地看出烘缸固定端軸承更換頻次最高的三個位置分别是2B、3、4号烘缸群，在這三個位置烘缸傳動側軸承更換平均頻次分别達到4.67次、3.125次、4次。更換頻次較低的兩個位置1C、5B烘缸，在這兩個位置内的烘缸軸承更換頻次分别爲1.5次、2次。

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1#、2#、27#烘缸在正常生産過程中通入微量蒸汽，在蒸汽壓力爲0的情況下這三個位置的烘缸軸承工作時間已經達到11年。通過振動監測技術分析，這三個位置的烘缸軸承狀态良好。

通過以上數據可以看出，烘缸傳動側軸承更換頻次和烘缸的供汽壓力呈正相關關系。

4  烘缸軸承損壞模式

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圖2顯示的是軸承内圈滾道失效的圖片。

● 軸承有打滑痕迹

● 滾道表面有環形色圈

● 滾道表面次表層疲勞脫落

圖2顯示軸承滾道表面的環形色圈、次表層脫落、滾動體表面脫落和碎裂、滾動體表面磨損。對于以上軸承損傷原因可以引用ISO15243—2004Rolling bearings—Damage and failures滾動軸承損傷和失效—特征和原因一文中的說明（圖3）。

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● 潤滑不良，軸承間隙過小。

● 相對于負載和速度存在嚴重的軸承負載。

● 過高的溫升降低了軸承材料的硬度。

● 固體顆粒進入密封的軸承中導緻磨損。

通過以上列舉的案例和數據可以反映出，造成烘缸傳動側軸承損傷失效的根本原因是烘缸傳動側汽頭内部的高溫引發的一系列影響軸承正常運行的惡劣條件。

5  烘缸的隔熱結構

爲了減少烘缸中的熱量向軸承的傳導，便有了隔熱套的産生。隔熱結構主要有隔熱套隔熱、端面隔熱、隔熱套與端面隔熱共同隔熱。

5.1隔熱結構的原理

隔熱套隔熱即把蒸汽用鋼管輸送，與軸頸用空氣隔開形成隔熱帶。空氣比熱比較小、導熱系數低，熱量是通過輻射和對流散逸的。通過設置隔熱帶，來保證高溫蒸汽不會散失到烘缸軸頭中。

在實際生産的過程中經常會發生隔熱失效的情況。在設備安裝或維修過程中，因爲軸頸和隔熱套尺寸和結構等原因，極易造成端面密封中隔熱密封環的安裝損壞、破裂，如圖4所示的隔熱密封環就因爲安裝不當造成隔熱密封環破裂。

安裝到汽頭上的隔熱密封環在工作過程中因爲安裝不當造成損壞後，極易發生高壓蒸汽的洩漏。高溫蒸汽洩漏後進入到隔熱套和軸頸的空隙當中會形成冷凝水。這時熱傳遞條件與軸頸不隔熱時幾乎相同，隔熱結構失效，大量的熱量穿透隔熱套傳遞到軸頸中，造成軸承内外圈的溫度急劇上升。

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5.2隔熱結構和無隔熱結構對比試驗

試驗條件：無隔熱套和端面隔熱結構的軸承裝置、具備隔熱套和端面隔熱結構的軸承裝置，試驗蒸汽溫度爲130℃。

通過對兩套軸承裝置通入相同溫度的蒸汽後分别測量軸頭位置、軸承内環、軸承滾動體、軸承外環等部位的溫度。無隔熱結構的軸承裝置在運行一定時間後，軸頭位置溫度達到121℃，軸承内環溫度達到107℃，滾動體溫度93℃，軸承外環溫度達到86℃。而具備隔熱結構的軸承裝置在運行相同時間後，軸頭位置溫度達到79℃，軸承内環溫度達到77℃，滾動體溫度73℃，軸承外環溫度達到72℃。通過圖5可以明顯地看出具備隔熱結構的軸頭比沒有隔熱結構的軸頭溫度低42℃，軸承溫升也大幅降低。

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6  高溫對潤滑油黏度的影響

黏度反映油品的内摩擦力，是表示油品油性和流動性的一項指标。在未加任何功能添加劑的前提下，黏度越大，油膜強度越高，潤滑效果越好。黏度是随着溫度變化的，溫度越高潤滑油的黏度就越低。

通過圖6潤滑油黏溫曲線可以看出潤滑油的黏度随着溫度的升高快速降低。當油品溫度上升到100℃時該型号潤滑油黏度下降到18.1mm2/s。

潤滑油的溫度越高其黏度下降的越大，潤滑油的油膜厚度越小（圖7），抵抗重載的能力就會越低，潤滑油的潤滑性能越差，軸承系統就會因爲潤滑不良而過早損壞失效。

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7  汽頭隔熱結構優化方案

采用二次密封的方式對其進行改進，使得第一道密封破損失效後第二道密封結構繼續完成對蒸汽的密封作用。

7.1轉接法蘭設計

該方案是繼續采用威爾遜9700型的烘缸汽頭結構，原來的隔熱密封環安裝在轉接法蘭中。轉接法蘭安裝在烘缸軸頭上。當轉接法蘭安裝到位後在隔熱套和轉接法蘭中間會有7mm配合距離。第二道密封就是在這7mm的位置上發揮作用（圖8）。

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首先在距離轉接法蘭内側1mm的位置加工一個3mm寬、2.5mm深的環形O型圈槽。使用材質爲氟橡膠的O型圈，安裝到O型槽内。當轉接法蘭安裝到位後，O型圈起到第二道密封的作用。

7.2密封材料的選擇

氟橡膠(fluororubber)是指主鏈或側鏈的碳原子上含有氟原子的合成高分子彈性體。氟原子的引入，賦予橡膠優異的耐熱性、抗氧化性、耐油性、耐腐蝕性和耐大氣老化性，在航天、航空、汽車、石油和家用電器等領域得到了廣泛應用。

氟橡膠具有高度的化學穩定性，是目前所有彈性體中耐介質性能最好的一種，氟橡膠的耐高溫性能和矽橡膠一樣，可以說是目前彈性體中最好的。氟橡膠在250℃下可長期使用。

8  烘缸軸承安裝方式優化

8.1安裝過程中的溫度控制

安裝前軸承的提前預熱、軸頭溫度降溫處理。

現場維修過程中由于紙機設備停機檢修時間短，烘缸體積大，短時間内軸頭溫度下降幅度有限，停機3h後的軸頭溫度依然高達75～85℃，此時軸頭和室溫條件下的軸承存在50～60℃的溫度差。由于烘缸軸承尺寸較大，大幅溫升後對其自身的熱膨脹形變造成影響，從而引起軸承遊隙的變化。

8.2安裝方式——遊隙測量變更爲液壓推進法

軸承内圈爲錐度孔結構和烘缸軸頭錐面過盈配合安裝。在安裝過程中一般使用塞尺對其軸承安裝遊隙進行測量。由于紙機傳動側部分烘缸傳動爲齒輪齒箱結構，齒箱結構限制了烘缸軸承的拆卸、安裝。在起吊烘缸或者拆卸軸承的過程中會造成烘缸軸向的位移，使得軸承安裝位置變化。在安裝過程中随着軸承内環在軸頭的移動會造成内外環的軸向移位，使得内外排滾動體軸承間隙異常變大或者變小。很容易造成安裝人員使用塞尺測量遊隙時的測量誤差，導緻軸承實際剩餘遊隙過大或者過小，不能滿足軸承正常運行的遊隙要求。

當軸承安裝剩餘遊隙小于軸承許用最小遊隙時，軸承運行過程中會出現軸承溫度升高、内外環滾道疲勞脫落、滾動體卡死、保持器斷裂、軸承内環脹裂等情況發生，導緻軸承異常損壞或過早出現損傷。軸承内環脹裂還會導緻烘缸研軸或者軸承抱死的惡性設備事故的發生。

當軸承安裝剩餘遊隙大于軸承許用最大遊隙時，軸承運行過程中會出現軸承的異常振動、烘缸運行異響。由于軸承遊隙過大在運行過程中還會出現軸承滾動體在内外環滾道之間的異常打滑，造成軸承磨損加劇，嚴重時導緻軸承内外環滾道疲勞脫落。

在各安裝部位正常無明顯磨損的情況下，現場安裝時建議采用液壓推進法進行軸承安裝，在安裝過程中使用液壓螺母對軸承内環進行推進。通過查詢軸承型号後可以獲得該型号軸承的安裝數據：軸承的原始遊隙、遊隙減小量、最小許用遊隙、液壓螺母起始壓力、軸承内環推進距離等數據。當軸承内環到達位置後即可完成軸承的安裝。可以避免因爲人工測量導緻的測量誤差，實現軸承的精細安裝。

9  潤滑油品優化

造紙機烘幹部因爲運行的溫度較高，常采用稀油潤滑方式，采用油站供油由自動化控制系統進行管理控制。由于現代紙機高速、重載荷連續運行，因此對潤滑油黏溫性、氧化安定性、擠壓性、抗乳化性、抗水性、過濾性等性能提出了較高的要求。現有紙機上配備的PMO無灰造紙機循環油雖然在性能指标上可以滿足紙機運行的基本要求，但是在高溫、高速、重載的工況下作業也暴露出油膜穩定性不足、潤滑性能降低等問題。

對于紙機烘幹部潤滑油的優化可以采用CMO無灰極壓造紙機循環油，該油品具有高溫穩定性。有效的抗氧化劑保護高溫環境及高溫運行條件下的潤滑油使用壽命，減少沉積物的生成。

擠壓添加劑與無灰抗磨劑提供良好的FZG和Timken表現性能。是在高溫高壓的邊界潤滑狀态下，能和金屬表面形成高熔點化學反應膜，以防止發生熔結、咬黏、刮傷的添加劑。作用是通過分解的産物在摩擦高溫下與金屬起反應，生成剪切應力和熔點都比純金屬低的化合物，從而防止接觸表面咬合與焊熔，有效地保護金屬表面。輔助提升潤滑油的潤滑性能，延長軸承重載條件下的使用壽命。

10  結束語

通過優化烘缸汽頭密封結構、采用極壓特性潤滑油、優化軸承裝配工藝，可以有效地改善烘缸軸承在高溫、重載工況的運行條件，減少軸承内部摩擦，延長軸承的使用壽命。

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