選粉機軸承密封優化設計

胡澤武

選粉機軸承密封優化設計

胡澤武

傳統的軸承密封結構對在高濃度粉塵環境下工作的選粉機軸承來說非常不可靠,易而導致軸承內部進入大量的粉塵引起軸承潤滑不良,軸承壽命急劇縮短。簡單改進收效較低，只有杜絕粉塵進入軸承內部，才能徹底解決問題。文章提出一種新的軸承密封結構，即采用空氣密封替代原來的機械迷宮式密封。通過實踐，證明新設計徹底杜絕了粉塵進入軸承內部的可能性,確保了軸承的正常使用壽命。

選粉機 軸承密封 空氣密封 優化設計

選粉機是工業粉磨系統中的重要設備,其作用是將粉碎后的粒徑大小不一的顆粒狀和粉狀物料,按一定的粒徑要求,將細的分選出來,其廣泛用于建材行業粉磨水泥生料和熟料、電力行業粉磨燃煤和鋼鐵行業粉磨高爐礦渣。隨著粉磨設備的大型化，其配置的選粉機也隨之增大,大型選粉機都帶有動力驅動的設備,包含旋轉軸承結構。

選粉機的部分軸承裝置在磨機內的高濃度粉塵環境中,需要軸承有良好的密封效果。傳統的軸承密封結構式為機械迷宮式密封加上旋轉軸唇形密封圈,這種雙密封結構在高粉塵環境中還是不可靠。從萊歇公司多個項目使用情況看,由于軸承內部進入粉塵而導致軸承潤滑不良,軸承壽命只有6到8個月時間, 客戶極不滿意,較7萬小時設計壽命相去甚遠。針對這種情況,公司對現有的軸承密封結構進行了設計變更與優化,去掉原機械迷宮式密封,改為空氣密封,從選粉機外引入空氣，讓軸承內部始終有空氣吹出，而不讓粉塵進入軸承內部。經過對多個項目的實際應用,效果良好,軸承壽命大幅度提高。

1.傳統軸承密封設計及軸承失效分析

1.1 選粉機結構組成和軸承工作環境

選粉機由傳動裝置、軸承裝置、殼體、轉子、導向葉片組等主要部件構成,其結構見圖1。

圖1 選粉機結構示意圖

選粉機內由單獨的外部系統提供一定的風量和壓力，將空氣和高濃度粉塵的混合物從磨機輸送到選粉機內，進行大小不同粒徑的分離(A向)，粒徑不符合要求的重新回到磨機繼續被粉磨(B向)，成品顆粒被輸送出選粉機外被收集(C向)。

大型選粉機由于結構設計需要,軸承裝置分上軸承裝置和下軸承裝置，上軸承裝置安裝在選粉機殼體的外部，其不和選粉機內的粉塵接觸,故軸承工作工況尚佳 ,密封設計也較簡單。下軸承裝置工作工況不同,其工作在選粉機殼體內的高濃度粉塵中，軸承密封功能尤其重要,否則粉塵易進入軸承內部導致軸承損壞。萊歇選粉機內在下軸承裝置周圍的粉塵顆粒分布在10μm-1000μm之間,其粉塵濃度最大可達900g/m3。

1.2 下軸承裝置及密封設計

下軸承裝置由軸承座軸承、旋轉軸、旋轉軸唇形密封圈和機械迷宮式密封結構等主要零件組成（見圖2）。因下軸承工作在高濃度粉塵環境中，原設計采用機械迷宮式密封和旋轉軸唇形密封圈相組合的密封方式，前者作為隔絕粉塵和軸承的第一道防線,后者為后續徹底密封軸承。

圖2 下軸承裝置結構圖

大型選粉機軸承的潤滑因考慮結構簡單、可靠和使用維護成本，一般均采用油脂潤滑，軸承在工作中其內部空腔填滿油脂并根據油脂的消耗通過自動潤滑系統定期補充?？紤]運作工況，選粉機軸承使用的都是KPF2G-20耐高溫油脂，油脂最大工作溫度可最達120℃。

1.3 軸承失效分析

在設計選粉機軸承裝置和軸承選型時，軸承的理論計算壽命在7萬小時以上。但部分項目在設備投入運行后，客戶反映選粉機下軸承溫度過高甚至達到135℃，已經遠超設計運行的極限，而軸承初始運行時間均不超過8個月（6千小時）。經調查，選粉機其他零件運行正常，軸承潤滑設備也沒有問題，但從這些表面現象來看，軸承已經損壞了。

在將所有損壞的下軸承裝置零件拆散檢查，發現機械迷宮式密封腔內有大量粉塵堆積，旋轉軸唇形密封圈密封面有異常磨損，軸承腔內的油脂有大量粉塵顆?；祀s，軸承零件（如滾動體）內外圈滾道有硬顆粒磨損損傷。這些情況表明，軸承損壞是由于軸承密封不可靠，導致粉塵進入軸承內部油脂而引起軸承異常損壞，通過軸承溫度監測裝置，也反映了軸承溫度異常升高，潤滑油不清潔而使軸承滾動體和內外圈滾道過渡磨損，從而使軸承失效。

2.新軸承密封設計及實施

2.1 密封需要解決的問題

從上述描述的軸承損壞情況來看,原軸承密封設計不可靠。理想狀態即選粉機殼體內呈負壓操作，粉塵不易進入軸承內部，突出密封裝置的可靠性。但由于選粉機操作時,受磨機研磨過程等諸多因素影響，其內部氣流、氣壓以及輸送的粉塵物料都會產生瞬時的復雜多變性,這種情況下粉塵就會極易進入軸承內部。

新的密封設計就需要讓這種被動的可靠性變成主動,做到在任何工況條件下粉塵都不會進入軸承內部,做到軸承密封完全可靠。

2.2 新密封設計方案

2.2.1 軸承潤滑設計的改進

如上文1.2條描述，選粉機軸承是采用間隔補充油脂潤滑。根據所選用的SKF軸承制造商的要求，油脂補充間隔時間為8小時，理論上每次補充的油脂量按公式[3]:

Gp=0.002·D·B

式中Gp=每次需要補充的油脂量，g

D=軸承外圈直徑，mm

B=軸承寬度，mm

上述理論公式計算的油脂量即可滿足軸承的潤滑要求。但如果簡單的考慮到不讓粉塵進入軸承內，可縮短補充油脂的間隔時間或增加每次補充油脂的質量，會造成過多的油脂會頻繁地從旋轉軸唇形密封圈和機械式迷宮密封處溢出，這樣亦可將粉塵在其進入軸承內部前已經和多余的油脂一起被排出軸承外了。

上述方案是潤滑設計上的改進，需要增加自動供油系統油脂泵的流量，增加泵的運行時間等等。但會帶來一個嚴重的問題，那就是實際消耗的油脂量遠大于理論計算需要的油脂量，并且絕大部分油脂是用在排除粉塵而不是用在潤滑效果上，經過幾個項目的實踐，軸承壽命能滿足設計要求，軸承溫度也能一直穩定在正常范圍內，但過多的油脂使用會大大增加客戶的生產成本，作為改近方案尚不完善。

2.2.2 空氣密封系統設計

完善改進方案需要從機械結構上來徹底解決軸承密封的問題，做到下軸承系統的主動密封，讓粉塵在任何情況下都無法進入軸承內。新的軸承密封優化設計拋棄了原機械迷宮式密封采用空氣密封,再結合旋轉軸唇形密封圈，在整個下軸承裝置內構造了一個供密封空氣流通的通道，引導空氣從軸承裝置內部吹出，外部粉塵就無法進入軸承內部（見圖3）。

圖3 新下軸承裝置結構圖

2.3 新密封設計實施過程

因密封空氣要達到的功能，就需要相對清潔的空氣從選粉機外部引入。綜合考慮整個選粉機的結構，讓外部空氣初始從選粉機傳動裝置引入，再進入選粉機機上軸承裝置及轉子的軸內，最終從新下軸承裝置內吹出，從而完成整個的密封流程（見圖4）。

為了給密封空氣提供流通通道，上軸承裝置的軸設計成空心軸結構，轉子的軸原設計即為空心軸結構，這樣整個空氣的流通通道很容易實現，并確保有足夠的空氣流量。

圖 4 密封空氣工作過程示意

建材行業粉磨水泥生料和熟料、鋼鐵行業粉磨高爐礦渣中大型選粉機應用的場合,磨機及選粉機內均為負壓操作，其相對壓力在-3500Pa～-9000Pa之間，這樣由于和設備外部空氣存在顯著的壓力差，這樣大氣中的空氣會直接從轉動裝置進入(D向)，利用負壓吸入原理，密封空氣進入下軸承裝置內并最終從其吹出(E向)，下軸承密封口處也始終保持負壓狀態，這樣粉塵就無法進入軸承內，取到可靠的密封效果。

3.新軸承密封設計的使用情況及效果

按照上述描述的新設計方案，在武漢鋼鐵(集團)公司高爐礦渣粉磨、山東日照鋼鐵控股集團有限公司高爐礦渣粉磨、青洲水泥(云浮)有限公司生料粉磨等項目上得到了實施，同時在已經運行的軸承異常損壞的老項目上也更換了新設計的下軸承裝置，更換上軸承裝置的空心軸。

從2013年5月份開始,對所有安裝新軸承密封設計的選粉機運行情況進行跟蹤調查，至今所有軸承都在穩定狀態下運行，軸承的工作溫度均在最佳的理論設計范圍內。在設備正常停機維護時，拆開下軸承裝置檢查，發現軸承腔內油脂清潔，滾動體、保持架、內外圈滾道無任何顆粒狀磨損，軸承游隙均保持在初始安裝狀態值。以上檢查表明,新的軸承密封設計可靠性可以滿足選粉機下軸承在高粉塵污染環境下的工作要求。

新設計確保了軸承運轉的可靠性，提高了整個磨機和選粉機運轉效率，同時大大減少了客戶對設備維護的時間和經濟負擔。

4.結論

新軸承密封設計是通過原產品在使用過程中頻繁出現異常損壞后，經檢查分析原因后提出的改進，是對原設計缺陷的變更與優化,通過最終實踐，取得了明顯的效果。新設計對整個下軸承裝置結構做了變更，對選粉機其他零部件只做了少許簡單的改變，即很好地達到了空氣密封軸承的效果。同時,起密封作用的空氣介質要求簡單，直接取自設備外的空氣，不需要其他額外的輔助設備和工藝處理，不會增加設備使用和維護的成本。

其他相關行業的，在類似高粉塵環境工況下的軸承，可使用和本文描述相同的空氣密封結構密封軸承，只需對原設計做簡單的優化就可達到理想的軸承密封效果，充分延長軸承使用壽命。

新設計起初是針對設備殼體內為負壓操作下狀態下提出的，對于正壓操作的設備軸承密封來說，如果要借助空氣密封的效果，就需要來自設備外密封空氣的壓力大于設備內含塵空氣的壓力，即存在密封空氣壓力差。實踐證明，這個壓力差大于1000Pa即可，就可取得空氣密封的效果，所需一定壓力的密封空氣可來自生產線上的壓縮空氣或額外的離心風機，無需過多的設備投入。

略

(作者單位：萊歇研磨機械制造(上海)有限公司)