在役烘缸轴承故障的危害及其产生原因和防范技术

刘超锋 付汉卿 刘应凡 刘亚莉 许培援 戚俊清

(1. 郑州轻工业学院河南省表界面科学重点实验室，河南郑州，450002;2. 河南神马氯碱发展有限责任公司，河南平顶山，467000)

烘缸轴承按安装方位分为操作侧轴承(前侧轴承、进蒸汽侧轴承)和传动侧轴承(排出冷凝水侧轴承)，这些轴承可以是滚动轴承或滑动轴承。烘缸的传动侧轴承通常固定在轴承壳中，而操作侧的轴承壳中留有移动间隙。传动侧轴颈通有蒸汽，且在密封的环境下工作，其工作温度比较高。烘缸轴承是纸机中损耗最多的轴承之一，在高温、重负荷 (高车速)、多水潮湿(高湿度)、酸碱腐蚀且有冲击载荷的环境下，一旦烘缸轴承选择错误、轴承质量差、轴承-轴间间隙选择不合适、安装工艺不正确(即不良安装)、使用及维护保养不当(润滑情况劣化、工况条件恶化和载荷过载)都可能造成烘缸轴承发生故障。烘缸轴承故障可能会造成事故，故其故障的防范非常重要。

1 在役烘缸轴承故障的危害

烘缸轴承严重损坏后，就需要对质量(含介质)几十吨的烘缸进行轴承更换。烘缸轴承的更换过程中，会造成产量损失和发生计划外停机费用。再加上检修场地狭小，环境温度高，因此烘缸轴承的拆检费时费力。

对于烘缸滚动轴承，其运行时如果轴承内圈与轴头相对运转，则可能引起轴颈严重磨损，磨损后的磨屑进入循环润滑系统的润滑油，可能引起烘缸齿轮损伤而造成更大的设备事故，导致纸机不断检修。烘缸轴头的一侧磨损［1］严重，还会造成烘缸轴向倾斜，使得干毯跑偏、电机负荷过载停机。烘缸滚动轴承外圈与轴承座之间间隙太大时也可能造成相对运转，此时轴承座会磨损，引发过大的噪声和大幅度的有害振动［2］，甚至使纸张断头。有的烘缸滚动轴承的滚珠架子松动及架子断裂时，负荷全部压在滚动轴承的内圈上，可能造成电动机不能启动。

对于烘缸滑动轴承，若运行时烘缸轴颈和轴瓦的配合间隙超过规定值，会造成烘缸轴心线的位置偏移，使干毯的局部与邻近部位松紧不一而形成褶子［3］，有时甚至会在处理中产生新的褶子，造成干毯报废。烘缸滑动轴承的磨损也会影响成纸质量和产量。烘缸滑动轴承的巴氏合金磨光后不得不进行刮研，若不能刮研，还得重新浇铸，因为轴瓦材料丧失了承载所需要的承载能力，此时有损坏轴头的危险。由于烘缸轴颈的磨损，轴承座与轴密封处增大的间隙中会带出润滑油从而造成纸张油边;轴承缺油干磨，使轴承座温度上升到纸的燃点时，引起机架上纸毛和渗漏到机架上的油着火而发生火灾，不得不另外设置对应的专用水雾喷头［4］在火灾时对轴承进行降温。而轴承缺油产生的干磨现象，会使系统振动，继而导致烘缸机械传动故障。

2 影响烘缸轴承可靠性的因素

影响烘缸轴承可靠性的因素除轴承的选择和装配不正确外，润滑不够、润滑油污染及润滑油选择不合适也是加剧轴承磨损损坏的主要原因。

2.1 纸机干燥部运行的影响

烘缸滚动轴承的轴承座管子内如果是通入水来为轴承外圈降温，那么烘缸受热时，轴颈及轴承内圈发生热膨胀，向操作侧线性伸长;受烘缸轴颈热传导的影响操作侧轴承内圈和轴承外圈之间的温差可能很大，会使轴承内圈的热膨胀及轴向伸长大大超过轴承外圈。操作侧轴承除与传动侧轴承一样都承载负荷以及热膨胀应力之外，还受到烘缸整体(包括烘缸轴承及轴承内圈)的线性伸长力的作用，随着服役时间的延长，金属会发生疲劳断裂。因此与传动侧轴承相比，操作侧轴承更容易损坏。

在重载高温(且有冲击载荷)的条件下，纸机烘缸滚动轴承工作过程中，在其滚道及滚动体表面的接触疲劳造成滚动面的表面呈小麻点(坑)状剥落金属碎片，以致滚动表面粗糙化，致使轴承外环裂纹扩展而破裂。高速纸机烘缸滚动轴承的内圈滚道严重剥落，使烘缸轴承振动值增大。与抄造低定量纸张相比，抄造高定量纸张的纸机轴承静负载更高一些。纸机车速越高，轴承动负荷则越高。提高纸机的产量、车速和干燥部的干燥能力，就需要提高蒸汽烘缸的蒸汽压力和温度，增大烘缸直径。对于高车速、宽纸幅的烘缸，烘缸的规格、质量、蒸汽压力等增加，烘缸轴承的载荷也会增加。采用稀油循环润滑和冷却的烘缸轴承，高温会加速润滑油性能的老化、缩短烘缸轴承的工作寿命。烘缸工作时，内部通饱和蒸汽，通过导热，能量在通过烘缸壁传导到纸幅上的同时，也通过轴颈传递到轴承上。尤其是在进汽传动侧启动时，通入的甚至为过热蒸汽，轴承温度偏高，使轴承工作寿命缩短。因此在确定蒸汽烘缸的最高干燥能力时，需要考虑烘缸轴承的极限载荷。纸机以高车速抄造高定量纸张时，烘缸蒸汽系统需提高干燥效率，带来的问题是烘缸轴颈受热膨胀量过大，可能使烘缸滚动轴承内外圈错位间隙加大、轴承径向游隙变小，使得润滑油膜变薄，相应地缩短了轴承的使用寿命。

纸机工作的环境温度、烘缸工作压力、饱和蒸汽的温度、气罩的形式不同(密闭气罩、半密闭气罩和开放式气罩)，都对烘缸轴承内部温度有影响。由于在工作时轴颈的温度高于内圈，安装在锥形轴颈上内圈的周向应力增加，使轴承的径向游隙变小，再加上纸机制造单位未必对轴颈采用隔热装置，这些都增加了轴承在诸多因素下出现故障的可能性。对于烘缸滑动轴承，为了提高补风效果(单位产能)而进行的干燥部全封闭改造，与改造前相比，烘缸轴瓦的温度更高，甚至使得油脂粉化导致烘缸研轴事故。对于烘缸滚动轴承，若烘缸的温度过高或轴承滚柱表面无法挂上油膜形成金属间的干摩擦，则易使轴承架轨道拉伤。一旦点接触的瞬时达到熔融焊接的温度，则会产生轴承珠粒磨损和轨道报废的可能。

2.2 烘缸轴承相配部件的影响

烘缸轴承的负荷与烘缸质量的大小有关。烘缸质量减轻可以延长烘缸轴承的使用寿命。在烘缸端盖质量过大的情况下，被迫选择大功率电机来牵引，此时对烘缸轴承的压应力较大，使得烘缸轴承的使用寿命降低。干燥部转动件若质量分布不均匀，在转动时就会产生不平衡现象，加上纸机为提高产量而缩短起动时间等原因，使烘缸轴承受到附加动载荷的作用，加快了轴承的磨损。与纸张直接接触的烘缸表面磨损后必须上磨床研磨，使光洁度达到规定等级。否则，烘缸表面磨损导致烘缸直径误差变大、烘缸的质量分布不均匀，则在转动时产生不平衡现象，使烘缸轴承受到附加动载荷的作用而加快磨损。

烘缸缸面对烘缸两端轴承档的径向跳动应该加以限制，需要考虑烘缸温差变形的影响;轴颈与轴承座的不圆度，以及轴、退卸套和轴承座的形状误差，会影响烘缸轴承的寿命;轴颈处严重磨损则加剧烘缸轴承的磨损;在纸机启动时，由于轴、退卸套和轴承座的形状误差，造成烘缸轴承游隙不够缩短轴承寿命。对于球面、双列向心短圆柱滚动轴承，当轴承外圈不对中时，载荷作用在一侧上，此种偏载产生很大的摩擦力，从而导致较大的振动和噪音;轴承的预紧力不合适时，过小的烘缸轴承间隙会给烘缸轴承带来过大的摩擦力。烘缸滚动轴承的预紧力过大，轴承运转中的热膨胀空间过小，则内圈可能爆裂、滚珠跌落，波及其他设备，造成重大损失;烘缸滚动轴承的轴承座与轴承外圈的预紧力太大时，由于灰铸铁或铸钢制造的材料(例如轴承座)和轴承内、外圈材料(例如高碳铬钢)在热膨胀系数上各异，原先的过渡配合可能变成过盈配合。一旦过盈量超过一定范围，引起轴承外圈爆裂。

2.3 润滑的影响

在整个机械故障中，润滑不当造成的轴承故障占30% ～40%。烘缸轴承循环润滑油如果使用的不是特种油而是普通机械油，在车速低的情况下，油品清洁度保持的时间可以满足使用，更换周期也能够满足需要。但是，车速一旦提高以后，普通机械油的品质发生氧化变黑、乳化变白和浑浊等劣化的时间缩短，无法满足此时的纸机车速要求，烘缸轴承因此出现故障。

干燥部烘缸表面温度高，环境温度也高。对于烘缸滚动轴承润滑系统，在轴承工作温度高的情况下，有机润滑油受热分解、老化后析出黑色的碳粒悬浮在油液中、积聚沉淀在滚道面上在滚动体的滚压下擦伤光滑的滚动表面。对于烘缸轴承的稀油润滑系统，若密封不当，会有气泡、灰尘颗粒等杂质进入，使润滑油受到污染、腐蚀及变质等，进入轴承内则损害轴承。在纸机运行一段时间以后，润滑油中水分含量超标，会导致添加剂析出和催化油的氧化，使润滑油膜变薄，造成烘缸轴承腐蚀和锈蚀。

对于中低速纸机的烘缸轴瓦，选用的油品牌号是设备生产厂家根据车速确定的。如果纸厂在改造中提高车速，加大纸机运转负荷，在轴瓦选用的油品牌号不变的情况下，润滑就不能得到保证，特别是单(双)缸无压榨纸机、圆网卫生纸机的烘缸轴头磨损和轴瓦会损坏得特别严重。

烘缸轴承循环润滑时，循环润滑油的流量偏低，则通过轴承的油只能带走少量的热能。高温使润滑油黏度降低，若没有较高的转速作补偿，油膜厚度也不会令人满意。油泵失效、供油油管或排流管堵塞，加快烘缸轴承的磨损。润滑油系统流量设定出错，会造成烘缸轴承在无润滑的情况下运行而损坏。烘缸轴承座缺油、刮油板磨损导致其上油不足、甚至刮不上油，也会造成烘缸轴承发热。轴承发热严重时出现轴承与轴的黏结现象，直至损坏轴承。以较低的纸机车速生产文化用纸时，有的长网造纸机烘缸滑动轴承的润滑靠定时人工注油时，由于存在着纸机烘缸部温度较高、轴承座上的油标显示孔被纸屑灰尘覆盖，因而很难确定油位的高度，导致难以杜绝纸机烘缸轴瓦烧损现象发生。

3 提高烘缸轴承可靠性的技术

降低轴承运行的温度、消除过度热膨胀、保证轴承润滑油膜不变薄，可以确保烘缸轴承的正常使用。

3.1 烘缸轴承的合理选择

采用填充聚四氟乙烯配方烧结而成的烘缸滑动轴承，具有多孔性，孔内贮存润滑油，轴承泡在油里，自润性更强。此种聚四氟乙烯轴瓦耐温可达250℃，里面含有铁、石墨、青铜粉、二硫化钼、玻璃纤维和聚四氟乙烯等。一套填充聚四氟乙烯的烘缸滑动轴承可用28 个月，可节省30 余万元(1998 年的价格)。

如某纸机车速670 m/min，改造为700 m/min后，原来的烘缸滑动轴承因为不适应高速运转的要求，就要改为滚动轴承［5］。对于生产单面胶版印刷纸和铝箔衬纸的长网单缸造纸机烘缸，由于工艺设计要求接触辊在烘缸上有一定的线压力，而接触辊对烘缸的向上作用力及齿轮间的作用力使烘缸抬起，使得烘缸轴颈与滑动轴承的巴氏合金的上轴瓦接触，造成轴瓦的磨损大。烘缸滑动轴承改为双列向心短圆柱滚动轴承后［6］，减少了烘缸轴承的更换次数，可在原位置进行烘缸的磨削和修复，节省吊装费、运费并降低劳动强度。烘缸滑动轴承相配合的轴颈磨损过量使轴颈强度趋于极限时，镶套修补磨损轴颈并且将烘缸滑动轴承改造成双列向心球面滚动轴承的方法［3］是:拆除烘缸盖;对轴颈的轴头至轴瓦处机加工;根据滚动轴承安装退卸套及原滑动轴承中心位置不变的原则设计套的外径;套的内径与轴颈的配合由温差法装配来实现;根据滚动轴承结构再设计轴承座;轴承循环润滑油选用机油。轴承改造后，可以根据生产需要提高车速、抄造率和成品率，传动载荷、机械故障和传动噪音明显降低，使纸机运转率提高，节约轴瓦、润滑油等开支，并可预防火灾事故的发生。

滚动轴承耗用动力小、启动力矩小，因此纸幅所需的张力小。而且，滚动轴承的维修简单，润滑材料的耗量低。高速纸机烘缸的轴承一般选用滚动轴承。烘缸的轴承之间距离较大，可以选用自动调心的双列圆锥流子轴承。烘缸前侧轴承要求能承受偏心、高的径向负荷和轴位移，一种选择是SKF 公司制造的CARB 轴承。传动侧的负荷比操作侧的负荷要大，在纸机高车速的情况下，烘缸的轴承用双列滚柱轴承来替代通用的滚珠轴承，以增大高负荷的承受力。烘缸滚动轴承游隙的选择需要考虑纸机周围的环境温度、烘缸工作压力、饱和蒸汽的温度和气罩形式的影响。烘缸轴承的径向间隙一般按照C3 选取。轴承游隙足够，以免造成滚道及滚动体表面过早地点蚀剥落。高温下的大型轴承尺寸变化大，应进行尺寸稳定化回火处理。对于烘缸轴承座，根据轴承原始游隙确定轴承装配后的游隙，以保证轴承的正常使用。

3.2 烘缸轴承的循环润滑系统设计

有的干燥部配备稀油集中循环润滑站，同时向大辊轴承、导辊轴承、烘缸轴承和烘缸齿轮供应润滑油。哪一个润滑元件发生故障，都会对烘缸轴承的可靠性产生影响。纸机稀油站循环润滑系统，最好是单独为烘缸轴承设计。润滑油从油泵抽出后，经过滤器、冷却器、输油管道、分油管路和分油器元件输送分配到烘缸轴承进行润滑和散热，然后汇集到回流管路，再经过回流过滤器返回稀油站，使烘缸轴承受到连续的循环润滑作用，从而保障纸机正常运转。润滑油的选择，关系到烘缸轴承的寿命，应以烘缸轴承的工作运行条件为准。描述润滑油品质的指标有:水分含量、寿命指数和污染物指数、清洁度。高速纸机的轴承很容易受水的污染，且烘缸温度相对较高，要求润滑油抗氧化、抗腐化、过滤性能高、添加剂性能稳定等。

对中低速的普通纸机，使用机械油作为循环润滑油，由于油品清洁度保持时间长，设备故障很少发生。但是，纸机车速提高后，所用机械油品质恶化的周期缩短，烘缸轴承因此常出现故障。如某白纸板机位于烘缸蒸汽入口的传动侧轴承温度较高(150℃)，用38 号汽缸油循环润滑。其外档轴承温度稍低，原来用高温脂润滑，在停工改造期间，手工加进BS 型复合锂基脂［7］后装上轴承盖。半年后停机拆检，BS脂状态良好、轴承滚珠上保持油膜，轴承无明显的磨损及损坏现象。

烘缸轴瓦的润滑油封闭回路设计时，要能够节省人力、工时、节约润滑油，杜绝跑、冒、滴、漏，实现设备表面清洁、减轻轴瓦的磨损，确保烘缸转速足够高。在烘缸油浴式润滑方式下，烘缸轴承温度偏高，纸机可改用压力式集中循环润滑的方式以保证烘缸瓦座的可靠性。

3.3 干燥部设计和改进

烘缸质量减轻可延长烘缸轴承的使用寿命。以可靠性理论设计的烘缸，在可靠度要求很高的前提下，并考虑铸造工艺、工作时蒸汽的腐蚀等因素，所需烘缸缸体壁厚小于传统设计的厚度，节省材料、降低成本，还可延长烘缸轴承的维修期。大烘缸定期在线水压试验检验时，对于20 m3容积的烘缸需要充水20 t，如果用填充空心塑料球［8］(按圆柱体简化计算，随机填充率为0.7185)的方法，则可减为7 t，以降低烘缸轴承的支撑力。例如，对于布置在一楼、车速41.5 m/min、幅宽2400 mm 的长网多缸浆板机［9］，底部补风孔至缸面底部距离较大处，使机架横梁与基础板之间的空隙用鱼鳞铁封闭，造价不高，既控制补风在机架两侧的流失，又达到补风带走纸幅上湿蒸汽的效果，日产量还可以提高1 ～2 t，还可避免全封闭后烘缸轴瓦温度过高导致研轴的事故隐患。

烘缸轴承的正常运行与烘缸的安装质量有关。烘缸安装时，应严格控制:①烘缸轴承座销在机架上定位的准确性及操作侧轴承座内通汽膨胀间隙的合理性;②轴承紧固前插入一定厚度的塞尺检验;③烘缸水平度;④烘缸轴向中心线与纸机纵向中心线的垂直误差。烘缸转动时受热、受压后要产生轴向膨胀游动。烘缸滚动轴承的轴承座与轴承外圈配合若设计为过渡配合(基轴制)，内圈紧定采用推卸套，对于圆锥孔双列圆柱滚动轴承——普通游隙组的轴承，由于无法同时满足最小允许径向游隙和最小径向游隙减少值，因此，即使控制操作侧及传动侧均保证最小游隙，轴承温度仍会过高，甚至出现烧毁现象。为了减少烘缸滚动轴承的损坏［10］，由普通游隙组的轴承改用精密游隙组轴承，烘缸轴承座与轴承外圈由原过渡配合改为间隙配合，严格控制操作侧与传动侧均保证最小工作游隙;安装时，为避免冲击力大小变化不一对轴承安装质量的影响，烘缸轴承以液压泵安装。在更换烘缸轴承时，必须确保启动纸机时轴承的形状误差总和小于径向游隙，用液压泵提供的压力将机油注入轴承内孔与轴颈座之间，再用液压螺母将轴承顶到锥形座套上去，以避免人工安装时预紧力无法控制。在受载荷及温度等影响的高速宽幅纸机上，对于烘缸轴承直接安装在退卸套的结构，轴颈、退套、轴承座加工形状存在叠加同轴度的误差，可能降低轴承寿命。宽幅纸机中用锥形轴颈可以在保证缸面与轴颈同轴度的要求下，降低烘缸轴颈对轴承的影响。

烘缸轴头的胀缩对烘缸滚动轴承很不利，因此不得不使滚动轴承的轴承壳中分为上、下盖，分别采用水循环冷却;也有的烘缸滚动轴承涂上耐高温的钾基脂或钠基脂。在纸机转速、油流量一定的情况下，启动阶段、连续工作阶段分别使用过热蒸汽和饱和蒸汽，如果轴颈没有隔热措施，则在启动阶段，较热的轴颈因受热膨胀而撑胀内圈，使安装后的切向应力增加，加上初安装时因预紧所承受的切向应力，极易引起因疲劳损坏而导致轴承内外圈断裂的风险。轴颈的内外表面温度差过大时，轴承内圈会产生较大的热应力，使轴承游隙减少，轴承的磨损加快。在轴承座钻孔，同时轴颈部位配用隔热套(装在带有蒸汽冷凝水接头管的烘缸轴颈内，阻隔进汽管内蒸汽热量向烘缸轴承的传递)，使隔热空腔钻孔与外界相通，以降低轴颈内表面温度，从而延长轴承的使用寿命。隔热装置损坏或隔热设计不当，会使隔热套和轴颈孔之间有冷凝水时的热传递条件与轴颈不隔热时的几乎相同，隔热套形同虚设。轴颈隔热可以改善轴承工作环境，主要有隔热套隔热端面，或隔热套与端面同时隔热——完全隔热。隔热套一端固定于烘缸盖内侧，而另一端结构为膨胀石墨材料+弹簧的密封沿轴向移动。当材料易损后可借用弹簧之力作适当的调整。隔热区设置通气孔，以便蒸汽泄漏时引起注意。

烘缸滚动轴承润滑系统的稀油站一般单独设计，应设计高精度过滤器。纸机烘缸轴承主要采用的稀油循环润滑系统用油量由车速、轴承工作温度、轴承尺寸和类型来决定。如果润滑油流量不够，则在启动时，轴承内环的不均匀热膨胀会使轴承的运转间隙减小，在某些情况下会减小到零间隙，直到内环发生塑性变形。轴承座缺油、刮油板磨损引起的刮油板间隙过大而刮不上油造成轴承发热时，甚至可能出现轴承与轴的黏结现象。稀油循环润滑系统中的润滑油使用中易污染、腐蚀等。例如，对于使用过热蒸汽的纸机，烘缸滚动轴承的循环润滑系统在油液流量不大和油温较高的情况下，会产生碳沉积(结焦)现象。而油气润滑［11］比稀油润滑对润滑油的品质以及黏度要求低一些，油气润滑是利用润滑油和压缩空气在管道内混合，使润滑油被压缩空气带动后形成的气油混合体输送到烘缸轴承处实现润滑，在纸机干燥部上可以达到与稀油润滑相同的冷却效果。润滑系统的管路油质劣化后，及时清洗，在清洗过程中，开动设备至爬行速度，运行几分钟扰动清洗油，使清洗效果更好。

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