在役烘缸軸承故障的危害及其產生原因和防范技術

劉超鋒 付漢卿 劉應凡 劉亞莉 許培援 戚俊清

(1. 鄭州輕工業學院河南省表界面科學重點實驗室，河南鄭州，450002;2. 河南神馬氯堿發展有限責任公司，河南平頂山，467000)

烘缸軸承按安裝方位分為操作側軸承(前側軸承、進蒸汽側軸承)和傳動側軸承(排出冷凝水側軸承)，這些軸承可以是滾動軸承或滑動軸承。烘缸的傳動側軸承通常固定在軸承殼中，而操作側的軸承殼中留有移動間隙。傳動側軸頸通有蒸汽，且在密封的環境下工作，其工作溫度比較高。烘缸軸承是紙機中損耗最多的軸承之一，在高溫、重負荷 (高車速)、多水潮濕(高濕度)、酸堿腐蝕且有沖擊載荷的環境下，一旦烘缸軸承選擇錯誤、軸承質量差、軸承-軸間間隙選擇不合適、安裝工藝不正確(即不良安裝)、使用及維護保養不當(潤滑情況劣化、工況條件惡化和載荷過載)都可能造成烘缸軸承發生故障。烘缸軸承故障可能會造成事故，故其故障的防范非常重要。

1 在役烘缸軸承故障的危害

烘缸軸承嚴重損壞后，就需要對質量(含介質)幾十噸的烘缸進行軸承更換。烘缸軸承的更換過程中，會造成產量損失和發生計劃外停機費用。再加上檢修場地狹小，環境溫度高，因此烘缸軸承的拆檢費時費力。

對于烘缸滾動軸承，其運行時如果軸承內圈與軸頭相對運轉，則可能引起軸頸嚴重磨損，磨損后的磨屑進入循環潤滑系統的潤滑油，可能引起烘缸齒輪損傷而造成更大的設備事故，導致紙機不斷檢修。烘缸軸頭的一側磨損［1］嚴重，還會造成烘缸軸向傾斜，使得干毯跑偏、電機負荷過載停機。烘缸滾動軸承外圈與軸承座之間間隙太大時也可能造成相對運轉，此時軸承座會磨損，引發過大的噪聲和大幅度的有害振動［2］，甚至使紙張斷頭。有的烘缸滾動軸承的滾珠架子松動及架子斷裂時，負荷全部壓在滾動軸承的內圈上，可能造成電動機不能啟動。

對于烘缸滑動軸承，若運行時烘缸軸頸和軸瓦的配合間隙超過規定值，會造成烘缸軸心線的位置偏移，使干毯的局部與鄰近部位松緊不一而形成褶子［3］，有時甚至會在處理中產生新的褶子，造成干毯報廢。烘缸滑動軸承的磨損也會影響成紙質量和產量。烘缸滑動軸承的巴氏合金磨光后不得不進行刮研，若不能刮研，還得重新澆鑄，因為軸瓦材料喪失了承載所需要的承載能力，此時有損壞軸頭的危險。由于烘缸軸頸的磨損，軸承座與軸密封處增大的間隙中會帶出潤滑油從而造成紙張油邊;軸承缺油干磨，使軸承座溫度上升到紙的燃點時，引起機架上紙毛和滲漏到機架上的油著火而發生火災，不得不另外設置對應的專用水霧噴頭［4］在火災時對軸承進行降溫。而軸承缺油產生的干磨現象，會使系統振動，繼而導致烘缸機械傳動故障。

2 影響烘缸軸承可靠性的因素

影響烘缸軸承可靠性的因素除軸承的選擇和裝配不正確外，潤滑不夠、潤滑油污染及潤滑油選擇不合適也是加劇軸承磨損損壞的主要原因。

2.1 紙機干燥部運行的影響

烘缸滾動軸承的軸承座管子內如果是通入水來為軸承外圈降溫，那么烘缸受熱時，軸頸及軸承內圈發生熱膨脹，向操作側線性伸長;受烘缸軸頸熱傳導的影響操作側軸承內圈和軸承外圈之間的溫差可能很大，會使軸承內圈的熱膨脹及軸向伸長大大超過軸承外圈。操作側軸承除與傳動側軸承一樣都承載負荷以及熱膨脹應力之外，還受到烘缸整體(包括烘缸軸承及軸承內圈)的線性伸長力的作用，隨著服役時間的延長，金屬會發生疲勞斷裂。因此與傳動側軸承相比，操作側軸承更容易損壞。

在重載高溫(且有沖擊載荷)的條件下，紙機烘缸滾動軸承工作過程中，在其滾道及滾動體表面的接觸疲勞造成滾動面的表面呈小麻點(坑)狀剝落金屬碎片，以致滾動表面粗糙化，致使軸承外環裂紋擴展而破裂。高速紙機烘缸滾動軸承的內圈滾道嚴重剝落，使烘缸軸承振動值增大。與抄造低定量紙張相比，抄造高定量紙張的紙機軸承靜負載更高一些。紙機車速越高，軸承動負荷則越高。提高紙機的產量、車速和干燥部的干燥能力，就需要提高蒸汽烘缸的蒸汽壓力和溫度，增大烘缸直徑。對于高車速、寬紙幅的烘缸，烘缸的規格、質量、蒸汽壓力等增加，烘缸軸承的載荷也會增加。采用稀油循環潤滑和冷卻的烘缸軸承，高溫會加速潤滑油性能的老化、縮短烘缸軸承的工作壽命。烘缸工作時，內部通飽和蒸汽，通過導熱，能量在通過烘缸壁傳導到紙幅上的同時，也通過軸頸傳遞到軸承上。尤其是在進汽傳動側啟動時，通入的甚至為過熱蒸汽，軸承溫度偏高，使軸承工作壽命縮短。因此在確定蒸汽烘缸的最高干燥能力時，需要考慮烘缸軸承的極限載荷。紙機以高車速抄造高定量紙張時，烘缸蒸汽系統需提高干燥效率，帶來的問題是烘缸軸頸受熱膨脹量過大，可能使烘缸滾動軸承內外圈錯位間隙加大、軸承徑向游隙變小，使得潤滑油膜變薄，相應地縮短了軸承的使用壽命。

紙機工作的環境溫度、烘缸工作壓力、飽和蒸汽的溫度、氣罩的形式不同(密閉氣罩、半密閉氣罩和開放式氣罩)，都對烘缸軸承內部溫度有影響。由于在工作時軸頸的溫度高于內圈，安裝在錐形軸頸上內圈的周向應力增加，使軸承的徑向游隙變小，再加上紙機制造單位未必對軸頸采用隔熱裝置，這些都增加了軸承在諸多因素下出現故障的可能性。對于烘缸滑動軸承，為了提高補風效果(單位產能)而進行的干燥部全封閉改造，與改造前相比，烘缸軸瓦的溫度更高，甚至使得油脂粉化導致烘缸研軸事故。對于烘缸滾動軸承，若烘缸的溫度過高或軸承滾柱表面無法掛上油膜形成金屬間的干摩擦，則易使軸承架軌道拉傷。一旦點接觸的瞬時達到熔融焊接的溫度，則會產生軸承珠粒磨損和軌道報廢的可能。

2.2 烘缸軸承相配部件的影響

烘缸軸承的負荷與烘缸質量的大小有關。烘缸質量減輕可以延長烘缸軸承的使用壽命。在烘缸端蓋質量過大的情況下，被迫選擇大功率電機來牽引，此時對烘缸軸承的壓應力較大，使得烘缸軸承的使用壽命降低。干燥部轉動件若質量分布不均勻，在轉動時就會產生不平衡現象，加上紙機為提高產量而縮短起動時間等原因，使烘缸軸承受到附加動載荷的作用，加快了軸承的磨損。與紙張直接接觸的烘缸表面磨損后必須上磨床研磨，使光潔度達到規定等級。否則，烘缸表面磨損導致烘缸直徑誤差變大、烘缸的質量分布不均勻，則在轉動時產生不平衡現象，使烘缸軸承受到附加動載荷的作用而加快磨損。

烘缸缸面對烘缸兩端軸承檔的徑向跳動應該加以限制，需要考慮烘缸溫差變形的影響;軸頸與軸承座的不圓度，以及軸、退卸套和軸承座的形狀誤差，會影響烘缸軸承的壽命;軸頸處嚴重磨損則加劇烘缸軸承的磨損;在紙機啟動時，由于軸、退卸套和軸承座的形狀誤差，造成烘缸軸承游隙不夠縮短軸承壽命。對于球面、雙列向心短圓柱滾動軸承，當軸承外圈不對中時，載荷作用在一側上，此種偏載產生很大的摩擦力，從而導致較大的振動和噪音;軸承的預緊力不合適時，過小的烘缸軸承間隙會給烘缸軸承帶來過大的摩擦力。烘缸滾動軸承的預緊力過大，軸承運轉中的熱膨脹空間過小，則內圈可能爆裂、滾珠跌落，波及其他設備，造成重大損失;烘缸滾動軸承的軸承座與軸承外圈的預緊力太大時，由于灰鑄鐵或鑄鋼制造的材料(例如軸承座)和軸承內、外圈材料(例如高碳鉻鋼)在熱膨脹系數上各異，原先的過渡配合可能變成過盈配合。一旦過盈量超過一定范圍，引起軸承外圈爆裂。

2.3 潤滑的影響

在整個機械故障中，潤滑不當造成的軸承故障占30% ～40%。烘缸軸承循環潤滑油如果使用的不是特種油而是普通機械油，在車速低的情況下，油品清潔度保持的時間可以滿足使用，更換周期也能夠滿足需要。但是，車速一旦提高以后，普通機械油的品質發生氧化變黑、乳化變白和渾濁等劣化的時間縮短，無法滿足此時的紙機車速要求，烘缸軸承因此出現故障。

干燥部烘缸表面溫度高，環境溫度也高。對于烘缸滾動軸承潤滑系統，在軸承工作溫度高的情況下，有機潤滑油受熱分解、老化后析出黑色的碳粒懸浮在油液中、積聚沉淀在滾道面上在滾動體的滾壓下擦傷光滑的滾動表面。對于烘缸軸承的稀油潤滑系統，若密封不當，會有氣泡、灰塵顆粒等雜質進入，使潤滑油受到污染、腐蝕及變質等，進入軸承內則損害軸承。在紙機運行一段時間以后，潤滑油中水分含量超標，會導致添加劑析出和催化油的氧化，使潤滑油膜變薄，造成烘缸軸承腐蝕和銹蝕。

對于中低速紙機的烘缸軸瓦，選用的油品牌號是設備生產廠家根據車速確定的。如果紙廠在改造中提高車速，加大紙機運轉負荷，在軸瓦選用的油品牌號不變的情況下，潤滑就不能得到保證，特別是單(雙)缸無壓榨紙機、圓網衛生紙機的烘缸軸頭磨損和軸瓦會損壞得特別嚴重。

烘缸軸承循環潤滑時，循環潤滑油的流量偏低，則通過軸承的油只能帶走少量的熱能。高溫使潤滑油黏度降低，若沒有較高的轉速作補償，油膜厚度也不會令人滿意。油泵失效、供油油管或排流管堵塞，加快烘缸軸承的磨損。潤滑油系統流量設定出錯，會造成烘缸軸承在無潤滑的情況下運行而損壞。烘缸軸承座缺油、刮油板磨損導致其上油不足、甚至刮不上油，也會造成烘缸軸承發熱。軸承發熱嚴重時出現軸承與軸的黏結現象，直至損壞軸承。以較低的紙機車速生產文化用紙時，有的長網造紙機烘缸滑動軸承的潤滑靠定時人工注油時，由于存在著紙機烘缸部溫度較高、軸承座上的油標顯示孔被紙屑灰塵覆蓋，因而很難確定油位的高度，導致難以杜絕紙機烘缸軸瓦燒損現象發生。

3 提高烘缸軸承可靠性的技術

降低軸承運行的溫度、消除過度熱膨脹、保證軸承潤滑油膜不變薄，可以確保烘缸軸承的正常使用。

3.1 烘缸軸承的合理選擇

采用填充聚四氟乙烯配方燒結而成的烘缸滑動軸承，具有多孔性，孔內貯存潤滑油，軸承泡在油里，自潤性更強。此種聚四氟乙烯軸瓦耐溫可達250℃，里面含有鐵、石墨、青銅粉、二硫化鉬、玻璃纖維和聚四氟乙烯等。一套填充聚四氟乙烯的烘缸滑動軸承可用28 個月，可節省30 余萬元(1998 年的價格)。

如某紙機車速670 m/min，改造為700 m/min后，原來的烘缸滑動軸承因為不適應高速運轉的要求，就要改為滾動軸承［5］。對于生產單面膠版印刷紙和鋁箔襯紙的長網單缸造紙機烘缸，由于工藝設計要求接觸輥在烘缸上有一定的線壓力，而接觸輥對烘缸的向上作用力及齒輪間的作用力使烘缸抬起，使得烘缸軸頸與滑動軸承的巴氏合金的上軸瓦接觸，造成軸瓦的磨損大。烘缸滑動軸承改為雙列向心短圓柱滾動軸承后［6］，減少了烘缸軸承的更換次數，可在原位置進行烘缸的磨削和修復，節省吊裝費、運費并降低勞動強度。烘缸滑動軸承相配合的軸頸磨損過量使軸頸強度趨于極限時，鑲套修補磨損軸頸并且將烘缸滑動軸承改造成雙列向心球面滾動軸承的方法［3］是:拆除烘缸蓋;對軸頸的軸頭至軸瓦處機加工;根據滾動軸承安裝退卸套及原滑動軸承中心位置不變的原則設計套的外徑;套的內徑與軸頸的配合由溫差法裝配來實現;根據滾動軸承結構再設計軸承座;軸承循環潤滑油選用機油。軸承改造后，可以根據生產需要提高車速、抄造率和成品率，傳動載荷、機械故障和傳動噪音明顯降低，使紙機運轉率提高，節約軸瓦、潤滑油等開支，并可預防火災事故的發生。

滾動軸承耗用動力小、啟動力矩小，因此紙幅所需的張力小。而且，滾動軸承的維修簡單，潤滑材料的耗量低。高速紙機烘缸的軸承一般選用滾動軸承。烘缸的軸承之間距離較大，可以選用自動調心的雙列圓錐流子軸承。烘缸前側軸承要求能承受偏心、高的徑向負荷和軸位移，一種選擇是SKF 公司制造的CARB 軸承。傳動側的負荷比操作側的負荷要大，在紙機高車速的情況下，烘缸的軸承用雙列滾柱軸承來替代通用的滾珠軸承，以增大高負荷的承受力。烘缸滾動軸承游隙的選擇需要考慮紙機周圍的環境溫度、烘缸工作壓力、飽和蒸汽的溫度和氣罩形式的影響。烘缸軸承的徑向間隙一般按照C3 選取。軸承游隙足夠，以免造成滾道及滾動體表面過早地點蝕剝落。高溫下的大型軸承尺寸變化大，應進行尺寸穩定化回火處理。對于烘缸軸承座，根據軸承原始游隙確定軸承裝配后的游隙，以保證軸承的正常使用。

3.2 烘缸軸承的循環潤滑系統設計

有的干燥部配備稀油集中循環潤滑站，同時向大輥軸承、導輥軸承、烘缸軸承和烘缸齒輪供應潤滑油。哪一個潤滑元件發生故障，都會對烘缸軸承的可靠性產生影響。紙機稀油站循環潤滑系統，最好是單獨為烘缸軸承設計。潤滑油從油泵抽出后，經過濾器、冷卻器、輸油管道、分油管路和分油器元件輸送分配到烘缸軸承進行潤滑和散熱，然后匯集到回流管路，再經過回流過濾器返回稀油站，使烘缸軸承受到連續的循環潤滑作用，從而保障紙機正常運轉。潤滑油的選擇，關系到烘缸軸承的壽命，應以烘缸軸承的工作運行條件為準。描述潤滑油品質的指標有:水分含量、壽命指數和污染物指數、清潔度。高速紙機的軸承很容易受水的污染，且烘缸溫度相對較高，要求潤滑油抗氧化、抗腐化、過濾性能高、添加劑性能穩定等。

對中低速的普通紙機，使用機械油作為循環潤滑油，由于油品清潔度保持時間長，設備故障很少發生。但是，紙機車速提高后，所用機械油品質惡化的周期縮短，烘缸軸承因此常出現故障。如某白紙板機位于烘缸蒸汽入口的傳動側軸承溫度較高(150℃)，用38 號汽缸油循環潤滑。其外檔軸承溫度稍低，原來用高溫脂潤滑，在停工改造期間，手工加進BS 型復合鋰基脂［7］后裝上軸承蓋。半年后停機拆檢，BS脂狀態良好、軸承滾珠上保持油膜，軸承無明顯的磨損及損壞現象。

烘缸軸瓦的潤滑油封閉回路設計時，要能夠節省人力、工時、節約潤滑油，杜絕跑、冒、滴、漏，實現設備表面清潔、減輕軸瓦的磨損，確保烘缸轉速足夠高。在烘缸油浴式潤滑方式下，烘缸軸承溫度偏高，紙機可改用壓力式集中循環潤滑的方式以保證烘缸瓦座的可靠性。

3.3 干燥部設計和改進

烘缸質量減輕可延長烘缸軸承的使用壽命。以可靠性理論設計的烘缸，在可靠度要求很高的前提下，并考慮鑄造工藝、工作時蒸汽的腐蝕等因素，所需烘缸缸體壁厚小于傳統設計的厚度，節省材料、降低成本，還可延長烘缸軸承的維修期。大烘缸定期在線水壓試驗檢驗時，對于20 m3容積的烘缸需要充水20 t，如果用填充空心塑料球［8］(按圓柱體簡化計算，隨機填充率為0.7185)的方法，則可減為7 t，以降低烘缸軸承的支撐力。例如，對于布置在一樓、車速41.5 m/min、幅寬2400 mm 的長網多缸漿板機［9］，底部補風孔至缸面底部距離較大處，使機架橫梁與基礎板之間的空隙用魚鱗鐵封閉，造價不高，既控制補風在機架兩側的流失，又達到補風帶走紙幅上濕蒸汽的效果，日產量還可以提高1 ～2 t，還可避免全封閉后烘缸軸瓦溫度過高導致研軸的事故隱患。

烘缸軸承的正常運行與烘缸的安裝質量有關。烘缸安裝時，應嚴格控制:①烘缸軸承座銷在機架上定位的準確性及操作側軸承座內通汽膨脹間隙的合理性;②軸承緊固前插入一定厚度的塞尺檢驗;③烘缸水平度;④烘缸軸向中心線與紙機縱向中心線的垂直誤差。烘缸轉動時受熱、受壓后要產生軸向膨脹游動。烘缸滾動軸承的軸承座與軸承外圈配合若設計為過渡配合(基軸制)，內圈緊定采用推卸套，對于圓錐孔雙列圓柱滾動軸承——普通游隙組的軸承，由于無法同時滿足最小允許徑向游隙和最小徑向游隙減少值，因此，即使控制操作側及傳動側均保證最小游隙，軸承溫度仍會過高，甚至出現燒毀現象。為了減少烘缸滾動軸承的損壞［10］，由普通游隙組的軸承改用精密游隙組軸承，烘缸軸承座與軸承外圈由原過渡配合改為間隙配合，嚴格控制操作側與傳動側均保證最小工作游隙;安裝時，為避免沖擊力大小變化不一對軸承安裝質量的影響，烘缸軸承以液壓泵安裝。在更換烘缸軸承時，必須確保啟動紙機時軸承的形狀誤差總和小于徑向游隙，用液壓泵提供的壓力將機油注入軸承內孔與軸頸座之間，再用液壓螺母將軸承頂到錐形座套上去，以避免人工安裝時預緊力無法控制。在受載荷及溫度等影響的高速寬幅紙機上，對于烘缸軸承直接安裝在退卸套的結構，軸頸、退套、軸承座加工形狀存在疊加同軸度的誤差，可能降低軸承壽命。寬幅紙機中用錐形軸頸可以在保證缸面與軸頸同軸度的要求下，降低烘缸軸頸對軸承的影響。

烘缸軸頭的脹縮對烘缸滾動軸承很不利，因此不得不使滾動軸承的軸承殼中分為上、下蓋，分別采用水循環冷卻;也有的烘缸滾動軸承涂上耐高溫的鉀基脂或鈉基脂。在紙機轉速、油流量一定的情況下，啟動階段、連續工作階段分別使用過熱蒸汽和飽和蒸汽，如果軸頸沒有隔熱措施，則在啟動階段，較熱的軸頸因受熱膨脹而撐脹內圈，使安裝后的切向應力增加，加上初安裝時因預緊所承受的切向應力，極易引起因疲勞損壞而導致軸承內外圈斷裂的風險。軸頸的內外表面溫度差過大時，軸承內圈會產生較大的熱應力，使軸承游隙減少，軸承的磨損加快。在軸承座鉆孔，同時軸頸部位配用隔熱套(裝在帶有蒸汽冷凝水接頭管的烘缸軸頸內，阻隔進汽管內蒸汽熱量向烘缸軸承的傳遞)，使隔熱空腔鉆孔與外界相通，以降低軸頸內表面溫度，從而延長軸承的使用壽命。隔熱裝置損壞或隔熱設計不當，會使隔熱套和軸頸孔之間有冷凝水時的熱傳遞條件與軸頸不隔熱時的幾乎相同，隔熱套形同虛設。軸頸隔熱可以改善軸承工作環境，主要有隔熱套隔熱端面，或隔熱套與端面同時隔熱——完全隔熱。隔熱套一端固定于烘缸蓋內側，而另一端結構為膨脹石墨材料+彈簧的密封沿軸向移動。當材料易損后可借用彈簧之力作適當的調整。隔熱區設置通氣孔，以便蒸汽泄漏時引起注意。

烘缸滾動軸承潤滑系統的稀油站一般單獨設計，應設計高精度過濾器。紙機烘缸軸承主要采用的稀油循環潤滑系統用油量由車速、軸承工作溫度、軸承尺寸和類型來決定。如果潤滑油流量不夠，則在啟動時，軸承內環的不均勻熱膨脹會使軸承的運轉間隙減小，在某些情況下會減小到零間隙，直到內環發生塑性變形。軸承座缺油、刮油板磨損引起的刮油板間隙過大而刮不上油造成軸承發熱時，甚至可能出現軸承與軸的黏結現象。稀油循環潤滑系統中的潤滑油使用中易污染、腐蝕等。例如，對于使用過熱蒸汽的紙機，烘缸滾動軸承的循環潤滑系統在油液流量不大和油溫較高的情況下，會產生碳沉積(結焦)現象。而油氣潤滑［11］比稀油潤滑對潤滑油的品質以及黏度要求低一些，油氣潤滑是利用潤滑油和壓縮空氣在管道內混合，使潤滑油被壓縮空氣帶動后形成的氣油混合體輸送到烘缸軸承處實現潤滑，在紙機干燥部上可以達到與稀油潤滑相同的冷卻效果。潤滑系統的管路油質劣化后，及時清洗，在清洗過程中，開動設備至爬行速度，運行幾分鐘擾動清洗油，使清洗效果更好。

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