低速重载滑动轴承的润滑故障分析及处理

孙培明，陈树钦

(1.揭阳职业技术学院 机电系，广东 揭阳 522000；2.揭阳市大立模具有限公司 广东 揭阳 522000)

在冶金、食品工业中，广泛使用热轧机、压榨机等低速重载设备。这些设备中的滑动轴承转速低，承受载荷大，并需承受冲击和振动，滑动轴承中轴瓦和轴颈之间必须形成润滑油膜，使轴颈在与轴瓦不接触的情况下稳定旋转[1]。由于为低速重载工况，滑动轴承在实际生产中易出现润滑油膜分布不均匀、轴颈与轴瓦干摩擦、发热等问题，造成设备无法正常运行。现以Φ550 mm二辊式铝热轧机轴承(剖分轴承)为例，对制约低速重载滑动轴承润滑油膜的因素进行了分析，并对轴承实际工作中出现的润滑问题进行分析及解决。

1 润滑油膜的形成与监测

对于动压滑动轴承，当轴达到一定转速后，润滑油在轴颈与轴瓦间形成油楔，油楔断面不断收缩使油压逐渐升高，形成高压力油区，使轴颈抬起，从而形成油膜润滑。

在低速重载条件下，要使润滑油形成满足工况要求的油膜较为困难。轴承中润滑油膜的形成与轴颈转速、所承受的载荷、轴承间隙、轴瓦材料及其表面粗糙度、润滑油槽的形状和尺寸、润滑油类型和轴承温度等因素有关。

1.1 油膜厚度与轴承间隙

润滑油膜的形成及其厚度对滑动轴承的承载能力有决定性的影响，在轴承包角和轴颈的长径比一定时, 最小油膜厚度越小,轴承的承载能力越大。在载荷、润滑油黏度和轴承几何尺寸确定的情况下，影响油膜厚度的重要因素为轴承间隙，间隙越小，最小油膜厚度越小[2]。

在设备运行中，由于轴承磨损，轴承间隙是不断变化的；轴承的设计间隙是初始间隙，工作中随着轴承的磨损，间隙逐渐增大，轴承承载能力逐渐下降，轴承承载量F与间隙ψ随时间t的变化曲线如图1所示。

图1 轴承承载量F与间隙ψ随时间t的变化曲线

从图1可知，当轴承间隙从ψ1增大到ψ2时，其承载能力从F1下降到F2，不能满足设备载荷要求，从t1到t2是轴承的修机间隔期，当轴承间隙增大到ψ2，无法形成承载能力所要求的最小油膜厚度，就必须进行维修。ψ2是一个经验数据，主要根据设备规程和运行参数监测决定，设备监测参数主要有轴承温度、主电动机电流、轴承振动参数、润滑油油质状况等。Φ550 mm铝热轧机轴承，轴瓦为铜合金，轴颈的直径为286 mm，轴承设计间隙为0.24～0.34 mm，经检测轴承正常运行间隙为0.31～0.62 mm，其最大间隙ψ2为0.95 mm。

轴承间隙一般指顶间隙，对于剖分轴承，在修机记录中要求测量并记录顶间隙ψ与两个侧间隙a,b；剖分轴承由上、下两个圆弧组成，采用加减垫片来调整轴承的侧间隙和顶间隙，如图2所示。剖分轴承上、下两个轴瓦的曲率半径应大于轴颈的半径，形成近似椭圆形轴承，使其预载荷值大于零，以提高轴承的稳定性[3]。轴承间隙不当会引起轴承发热，可通过加减垫片调整轴承间隙，适当提高轴承的偏心率，增大油楔的持油能力和楔形收敛，改善轴承的润滑状况，以提高承载能力。如Φ550 mm铝热轧机轴承在一次修机后，其工作温度高于正常值20 ℃以上，通过调整侧间隙和顶间隙，温度回到正常范围，其调整记录见表1。

图2 轴承间隙及垫片示意图

表1 Φ550 mm铝热轧机轴承间隙调整记录

1.2 油膜的监测

在工程实际应用上，对轴承润滑系统的监测可采用油液监测技术。主要监测油膜厚度分布、油膜油压分布和油液成分，国内主要采用油样磨粒分析和油品变质程度分析[3]；监测方法有电阻法、电容法和激光法等，也可采用光纤传感器对油膜厚度进行高精度测量[4]。

实际生产中, 油膜的监测设备要求操作简单，易于安装和移动，价格不高，读数直观。在运用设备监测油膜的同时，结合轴承的经验数据来判断轴承润滑的状况。通常通过监测运行参数，实时监控轴承间隙，直观检查润滑油分布，测量振动等来判断低速重载轴承的润滑状况。

(1)监测轴承温度变化。磨合期后，温度应达到正常稳定值(Φ550 mm铝热轧机轴承温度为65～85 ℃)。

(2)设备定期检修时，检查轴瓦磨损情况、轴颈与轴瓦的接触面积、油膜的分布、缺油面积的大小和分布等。若铝热轧机轴承轴瓦和轴颈接触角达到70°～85°，轴瓦摩擦面油膜分布均匀，则可判断该轴承滑润油成膜状况良好；如果出现成片的干摩擦、油膜分布不均匀、油膜面积太小等情况，则油膜润滑状况不良，一般采用轴瓦刮研、调整上下轴瓦间隙、改变油槽结构尺寸和润滑油黏度等方法加以解决。

(3)实时监测轴承间隙。影响油膜厚度的关键因素是轴颈和轴瓦的间隙，对运行异常的轴承，采用电涡流传感器实时监测轴承间隙，结合经验数据进行故障诊断。

(4)监测轴承振动。采用测振仪监测轴承的振动，根据振幅、频率结合设备正常运行的经验参数可快捷地判断轴承油膜润滑的状况[5]。如振动异常，应检查轴承是否出现局部干摩擦、润滑油不清洁等故障。

2 常见润滑故障与处理

2.1 常见润滑故障及原因

(1)轴承异常磨损、刮伤。其原因主要有以下几个方面：①轴承装配不当，包括侧间隙和顶间隙不恰当、轴瓦错位、同一轴两端的轴承同心度不符合要求、轴瓦和轴承座太松或太紧；②轴及轴瓦的尺寸精度不符合要求，包括轴的挠度、圆度超差，轴瓦变形及厚薄不均；③供油系统存在问题,包括油槽位置不当、尺寸太小，油冷却不佳等。

(2)轴承异常温升。其主要原因包括轴承尺寸精度差、间隙太小、装配存在缺陷，油冷却不佳，冷却水冷却效果差。

(3)轴承腐蚀。其主要原因是润滑油选择不当和供油不洁。

(4)巴氏合金轴承的衬层(巴氏合金)与衬背(轴瓦)结合不良，造成轴承润滑故障，导致轴承失效[6]。其原因主要为合金浇注温度过低、轴瓦预热不足或镀锡方法不当。

2.2 故障实例分析

轴承发生润滑故障，运行参数将会出现异常，必须通过检测、参数对比判断故障并及时处理，否则会导致轴承和相关设备的损坏、报废。Φ550 mm铝热轧机轴承发生的几个润滑故障的分析判断与处理如下。

(1)滤油网损坏造成的润滑故障。铝热轧机轴承在运行参数检测中，发现主电动机电流波动幅度增大异常，轴承温度升高，振动加大。用测振仪检测发现，同一侧有2个轴承座的振幅达到320～400 μm(正常在90 μm以下)。拆卸轴承检查发现，轴瓦存在较为严重的带状磨损面，经分析是润滑油夹带金属颗粒杂质所致，检查滤油器发现滤油网已坏，更换滤油网，喷涂修补轴瓦，重新刮研，轴承安装后使用正常。

(2)轴两端轴承磨损不同造成的润滑故障。铝热轧机在使用中，检查发现主电动机电流、轴承温度异常升高，减轻载荷后仍无法降低，且排出的润滑油残油有变质情况，采取多个措施仍无法改善，最后安装电涡流传感器，实时监测并记录轴承运行中的间隙，发现轧辊两端轴承运行的间隙相差较大，且最大间隙位置不同，通过调整两端轴承间隙使之趋于一致，使轴承润滑正常，热轧机最终运行正常。

(3)油槽结构不合理造成的润滑故障。铝热轧机原轴瓦内面开了一个“×”形油槽，深度和宽度较小，交叉点在轴瓦中央，设备经磨合期后，轴承温度始终高出正常值16 ℃以上，主电动机电流较大，经检查发现，轴瓦面有较大面积的干磨，轴向中间缺油更为严重。经分析，轴承润滑油黏度达100 mm2/s, 这是由油槽结构不合理、供油不足造成的。对该轴承油槽进行改造，在距轴瓦轴向中心0.2L(L为轴瓦长度)处增开一条深3 mm、宽40 mm的环形油槽，如图3所示。

图3 改造后铝热轧机轴瓦油槽简图

环形油槽不开在中部，以避免降低轴承承载能力，改造后检查发现，轴瓦内表面形成良好油膜，油膜面积覆盖整个摩擦面,轴承温度稳定正常，主电动机电流也降到正常值。

2.3 轴承冷却系统的改造

除了滑润油带走轴承部分热量外，低速重载轴承通常还需水冷却。冷却水通道一般布置在轴承座上，尽量靠近轴瓦背面。同样尺寸轴承，增大冷却水通道的面积，能有效提高冷却速度。将轴承座冷却水通道从原来单蛇形布置改为双蛇形布置，如图4所示(冷却水通道截面积不变)。改造后冷却水通道的面积增加了50%以上，单位长度冷却水通道负担的传热面积大幅减小，加快了冷却速度。改造前、后轴承水冷却参数见表2(10次测量平均值)。

图4 改造后轴承座的双蛇形冷却水通道

表2 改造前、后轴承水冷却参数

由表2可知，改造后，由于冷却水通道的长度增加，水流变向次数增加，湍流加剧，水压的压降增加了0.09 MPa，热变换速度明显提高，出口水温提高了9 ℃，吸收热量能力大幅度提高，轴承温度降低了15 ℃，达到了正常温度范围。

3 结束语

在低速重载条件下，润滑油形成油膜较为困难，润滑油膜的形成与轴承间隙、温度、装配及润滑油黏度等有关，轴承的间隙变化对形成油膜润滑和承载能力影响很大；在工厂生产中采用运行参数监测、轴承间隙实时监控、润滑油分布直观检查、轴承振动测量等方法监测油膜润滑状况。轴承装配缺陷、尺寸误差及冷却系统问题等均会导致轴承润滑故障，必须通过检测、参数对比等方法分析判断，正确处理故障。采用合理结构的润滑油槽及冷却水通道，可以提高轴承的润滑性能，延长轴承寿命。