提高煅燒爐托輪軸承使用壽命的探討

朱建新，王愛(ài)民，鄭春海，董志強(qiáng)，郭明亮

(唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305)

1 托輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

蒸汽加熱煅燒爐是純堿生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，煅燒爐爐體及物料的重量全部由4套托輪承受，在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)中，支承托輪運(yùn)行的軸承承受徑向和軸向較重載荷。圖1為φ3600×30000蒸汽加熱煅燒爐托輪裝配圖，托輪采用轉(zhuǎn)軸式，軸承采用雙列調(diào)心滾子軸承和推力調(diào)心滾子軸承的組合形式，通過(guò)設(shè)計(jì)保證雙列調(diào)心滾子軸承和推力調(diào)心滾子軸承的外圈球面滾道球心同心，以保證可靠的調(diào)心性能。壓緊彈簧是保證當(dāng)托輪軸軸向竄動(dòng)時(shí)，推力調(diào)心滾子軸承靜環(huán)始終被壓緊在滾子上確保正確的位置，防止?jié)L道偏磨。

2 托輪的檢修及問(wèn)題發(fā)現(xiàn)

根據(jù)托輪裝配圖，托輪檢修主要過(guò)程簡(jiǎn)述如下：托輪外圓經(jīng)車(chē)削修復(fù)，熱裝雙列調(diào)心滾子軸承于托輪軸上。安裝上下軸承座和，要求雙列調(diào)心滾子軸承兩側(cè)端面與上下軸承座端面等距。安裝隔環(huán)。安裝推力調(diào)心滾子軸承。安裝壓蓋，加裝調(diào)整墊，緊固螺栓，調(diào)緊頂絲壓緊彈簧。檢修后的托輪替換運(yùn)行的舊托輪即可投入使用。托輪運(yùn)行周期主要決定于軸承的使用壽命。正常情況下，有的軸承能夠使用6年。但大多數(shù)情況下，使用同一公司的產(chǎn)品一般使用1～2年就得更換。在檢修時(shí)，常常發(fā)現(xiàn)，雙列調(diào)心滾子軸承的滾道和滾子磨損嚴(yán)重，而推力調(diào)心滾子軸承磨損輕微。因此，雙列調(diào)心滾子軸承的使用壽命主要決定了托輪的更換周期。

1.下軸承座 2.頂絲 3.彈簧 4.止推墊 5.推力調(diào)心滾子軸承 6.壓蓋 7.螺栓 8.調(diào)整墊 9.隔環(huán) 10.上軸承座 11.雙列調(diào)心滾子軸承 12.托輪圖1 蒸汽加熱煅燒爐托輪裝配圖

3 軸承受力分析與壽命計(jì)算

3.1 雙列調(diào)心滾子軸承理論受力分析與計(jì)算

投入運(yùn)行的托輪安裝如圖1所示，右端靠近爐尾。在滾圈的帶動(dòng)下，托輪被動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)殪褵隣t爐體傾斜安裝(爐頭高于爐尾)，爐體因重力而產(chǎn)生下滑力，為平衡此力需要調(diào)整托輪與爐體軸線(xiàn)歪斜以產(chǎn)生上竄力。因此，托輪要承受徑向和軸向聯(lián)合載荷。圖1中設(shè)計(jì)時(shí)，雙列調(diào)心滾子軸承承受徑向載荷，推力調(diào)心滾子軸承承受軸向載荷。上下軸承座內(nèi)孔公差為H7，是為了使雙列調(diào)心滾子軸承在承受軸向載荷時(shí)能夠軸向蠕動(dòng)從而避免或減少承受軸向力。圖2為按圖1繪制的受力分析圖。在日常頂爐更換托輪時(shí)，根據(jù)頂爐裝置的液系統(tǒng)上壓力表可以計(jì)算出托輪負(fù)載，考慮運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)純堿重量和托輪自身重量估算2只托輪承受的總負(fù)載為G=2 100 kN。

單只托輪承受徑向負(fù)載KR。

式中，φ—托輪支承工位支承角，φ=60°。

單只托輪承受軸向載荷KaR

KaR=μKR

式中，μ—摩擦系數(shù)，μ取0.2。

KaR=1 212×0.2=242.4 kN

托輪承受徑向載荷KR，雙列調(diào)心滾子軸承1、2由此分別承受徑向力FrT，考慮附加因數(shù)fZ，若取fZ=1.2。

FrT=fZKR/2=727.2 kN

托輪承受軸向載荷KaR不但使雙列調(diào)心滾子軸承承受軸向力Fa(如果推力調(diào)心滾子軸承未能承受軸向力時(shí))，還會(huì)產(chǎn)生一傾覆力矩，該力矩作用于雙列調(diào)心滾子軸承1、2上的徑向力偶Fra可以由托輪直徑DR=1 400 mm和軸承間距L=1 070 mm計(jì)算求出，所以

Fra=158.6 kN

該力偶Fra作為附加力施加于左邊的雙列調(diào)心滾子軸承1減輕了徑向載荷，施加于右邊雙列調(diào)心滾子軸承2增加了徑向載荷。

圖2 托輪受力分析圖

3.2 雙列調(diào)心滾子軸承壽命計(jì)算

假設(shè)推力調(diào)心滾子軸承由于裝配原因沒(méi)有承受軸向力，軸向力Fa分別由雙列調(diào)心滾子軸承1、2各承擔(dān)一半。但托輪軸承受軸向力時(shí)，其上過(guò)盈配合的雙列調(diào)心滾子軸承1、2內(nèi)圈將力傳遞給滾子、外圈，盡管外圈與上下軸承座為間隙配合，要想軸向蠕動(dòng)將軸向力傳遞出去，需要先克服外圈與上下軸承座的摩擦力，只有軸向力大于摩擦力時(shí)，托輪軸才能帶著雙列調(diào)心滾子軸承1、2軸向蠕動(dòng)。

雙列調(diào)心滾子軸承1受徑向力Fr1=FrT-Fra=568.6 kN

雙列調(diào)心滾子軸承1受軸向力Fa1=KaR/2=121.2 kN

雙列調(diào)心滾子軸承2受徑向力Fr2=FrT+Fra=885.8 kN

雙列調(diào)心滾子軸承2受軸向力Fa2=KaR/2=121.2 kN

查某公司的軸承樣本，雙列調(diào)心滾子軸承1、2型號(hào)為23264CA/W33，其當(dāng)量動(dòng)載荷P。

若Fa/Fr≤0.35，P=Fr+1.9Fa

(1)

若Fa/Fr>0.35，P=0.67Fr+2.9Fa

(2)

根據(jù)公式(1)、(2)，計(jì)算雙列調(diào)心滾子軸承1、2的當(dāng)量動(dòng)載荷。

P1=816.9 kN

P2=1 116.1 kN

雙列調(diào)心滾子軸承所受軸向摩擦力fa=μFr，取μ=0.1。

則fa1=56.9 kN

軸承外圈能軸向蠕動(dòng)，但實(shí)際可能并非如此，因?yàn)閺牟饳z的軸承座內(nèi)孔看不出外圈移動(dòng)痕跡。通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)孔尺寸，發(fā)現(xiàn)軸承座內(nèi)孔變形，圓柱度超差明顯，局部尺寸減小很多，與軸承外圈形成過(guò)盈配合。由此，假設(shè)軸承外圈不能蠕動(dòng)。計(jì)算軸承使用壽命。

式中，Lh—軸承使用壽命，h；

C—軸承的額定動(dòng)載荷，kN，23264CA/W33軸承C=3 850 kN；

n—軸承轉(zhuǎn)速，r/min，n=14 r/min；

ξ—系數(shù)，滾子軸承ξ=10/3。

雙列調(diào)心滾子軸承1使用壽命Lh1=208 942 h=23.85年

雙列調(diào)心滾子軸承2使用壽命Lh2=73 832 h=8.43年

如果完全由雙列調(diào)心滾子軸承2承受軸向力KaR時(shí)，其當(dāng)量動(dòng)載荷P2=1 346.4 kN

雙列調(diào)心滾子軸承2使用壽命Lh2=39 507 h=4.51年

脂潤(rùn)滑的情況下，有文獻(xiàn)提出允許的連續(xù)軸向負(fù)荷值計(jì)算公式

Ca=[900(kd)2/(n+1 500)-0.023(kd)2.5]×9.8/1 000

式中:Ca—允許軸向負(fù)荷，kN；

k—系數(shù)，取k=1；

d—軸承公稱(chēng)內(nèi)徑，d=320 mm；

n—軸承轉(zhuǎn)速，n=14 r/min。

Ca=[900(1×320)2/(12+1 500)-0.023(1×320)2.5]×9.8/1 000=183.7 kN

通過(guò)上述受力分析和計(jì)算，說(shuō)明在雙列調(diào)心滾子軸承不承受和少承受軸向負(fù)荷的工況下使用壽命是很長(zhǎng)的，但是如果承受較大的軸向力其壽命縮短很多。

4 雙列調(diào)心滾子軸承實(shí)際工況受力分析

如果托輪在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，能夠使雙列調(diào)心滾子軸承只承受徑向負(fù)荷或很少的軸向負(fù)荷，在保證軸承質(zhì)量和潤(rùn)滑的情況下，軸承長(zhǎng)壽命運(yùn)行是沒(méi)問(wèn)題的。但實(shí)際工況并非如此，在托輪檢修拆檢時(shí)一般都是軸承2磨損嚴(yán)重，與其同一端的推力調(diào)心滾子軸承基本沒(méi)有磨損，說(shuō)明軸向力主要由雙列調(diào)心滾子軸承承受，所以造成其很快損壞。分析原因如下：將檢修后的的托輪安裝到位后，沒(méi)有調(diào)整推力調(diào)心滾子軸承的軸向預(yù)緊力，從而不知其是否承受軸向載荷及其大小。托輪運(yùn)轉(zhuǎn)后由于其熱膨脹和調(diào)斜軸線(xiàn)產(chǎn)生的軸向力作用到托輪軸上后，在圖1中推力調(diào)心滾子軸承14沒(méi)有承受軸向載荷工況下，雙列調(diào)心滾子軸承承受較大的徑向力和軸向力，當(dāng)托輪軸將軸向力傳遞給內(nèi)圈、滾子、外圈時(shí)，較大徑向力產(chǎn)生的軸向摩擦力不易使軸承軸向蠕動(dòng)，因此在軸向和徑向的聯(lián)合載荷作用下其使用壽命較短。

5 提高軸承使用壽命的措施

5.1 細(xì)化安裝方案

為了提高圖1中雙列調(diào)心滾子軸承14的使用壽命，主要是減少其承受軸向載荷。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不變情況下，采用下述方法：托輪檢修時(shí)，在裝配雙列調(diào)心滾子軸承14時(shí)，要保證壓蓋17壓緊推力調(diào)心滾子軸承19的靜環(huán)且與上下軸承座13、24端面有2～3 mm間隙，其間隙內(nèi)安裝調(diào)整墊16。檢修后的托輪安裝到煅燒爐時(shí)，進(jìn)一步調(diào)整推力調(diào)心滾子軸承19的軸向預(yù)緊力，其大小與托輪軸所受軸向力相當(dāng)。采用相應(yīng)厚度調(diào)整墊16和扭矩扳手施力等辦法。此時(shí)，壓蓋17、止推墊23、推力調(diào)心滾子軸承19軸向被壓緊無(wú)間隙，用頂絲21壓緊彈簧20。在調(diào)整好推力調(diào)心滾子軸承19后調(diào)整另一側(cè)推力調(diào)心滾子軸承5，考慮到托輪軸受熱軸向膨脹，通過(guò)選擇相應(yīng)厚度的調(diào)整墊8使壓蓋6與止推墊4有一定間隙，用頂絲2壓緊彈簧3，使推力調(diào)心滾子軸承5的靜環(huán)與滾子接觸良好。投入運(yùn)行后，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各軸承對(duì)應(yīng)位置的溫升情況。如果溫升異常，分析原因并加以解決。

5.2 增加液壓推力調(diào)整裝置

1.軸承座 2.螺栓 3.推力調(diào)心滾子軸承 4.托輪軸 5.柱塞 6.缸體圖3 液壓推力調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

通過(guò)在推力調(diào)心滾子軸承兩端加裝液壓推力調(diào)整裝置，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)推力調(diào)心滾子軸承承受的軸向力并能及時(shí)調(diào)整，見(jiàn)圖3。將缸體(端蓋與增加的液壓缸缸體制成一體)6通過(guò)螺栓2與軸承座1緊固，柱塞5頂住推力調(diào)心滾子軸承3的靜環(huán)。結(jié)合液壓系統(tǒng)圖4說(shuō)明其原理：關(guān)閉單向節(jié)流閥3，將手動(dòng)二位三通換向閥3置于液壓缸4的進(jìn)油位置，驅(qū)動(dòng)手動(dòng)液壓泵7，使液壓缸4的柱塞移動(dòng)即可對(duì)推力調(diào)心滾子軸承施加推力，讀取壓力表8示值可知推力大小。溢流閥6防止超壓，蓄能器5是彌補(bǔ)液壓系統(tǒng)因微小泄漏所致的壓力損失。壓力傳感器2將參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸至控制室，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)壓力。此液壓系統(tǒng)還可以在調(diào)整托輪時(shí)，通過(guò)顯示托輪軸承受的軸向力大小判斷調(diào)整效果。

1.手動(dòng)二位三通換向閥 2.壓力傳感器 3.單向節(jié)流閥 4.柱塞缸 5.蓄能器 6.溢流閥 7.手動(dòng)泵 8.壓力表圖4 液壓系統(tǒng)圖

6 結(jié) 語(yǔ)

托輪作為蒸汽加熱煅燒爐的重要組成部件，滾圈與托輪的受力工況是很復(fù)雜的，中外同行都做了大量研究。筆者只是作為檢修親歷者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做了比較膚淺地研究，所敘述的工況比較理性和單一，因此，其計(jì)算結(jié)果和結(jié)論難免偏頗。只是希望引起同行關(guān)注這方面的研究，通過(guò)創(chuàng)新引領(lǐng)該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步。