基于油液监测的立磨磨辊故障诊断分析

於迪，贺石中，何伟楚，李秋秋，覃楚东，张驰

(广州机械科学研究院有限公司设备润滑与检测研究所，广东 广州 510000)

0 引言

立磨通过磨盘和磨辊对物料碾压粉碎，并且集碎、粉磨、烘干、选粉等工序于一身，是当今原料粉磨的主要系统[1-4]。随着我国新型干法水泥厂生产线的发展，立磨在原料的粉磨中得到了广泛运用。磨辊作为立磨中的关键部件，其使用的轴承均为大型轴承，价格昂贵，维修及更换周期长，一旦出现故障，更换一次磨辊轴承发生的费用在60万元以上，使企业的维修成本大幅升高，更换轴承需要7至10天[5-6]，直接影响到企业的生产效益和维保成本。因此，对于立磨磨辊的维护重在预防事故的发生，现场通常会采用多种监测技术来及时了解磨辊的运行状态，避免发生重大故障，影响安全与生产。

油液监测技术作为最常见的设备状态监测技术，广泛应用于各行各业。它是通过分析被监测设备在用润滑剂(或工作介质)的性能变化和携带的磨损微粒的情况，获得机器的润滑和磨损状态的信息，评价机器的工况和预测故障，并确定故障原因、类型和零件的技术。据统计，约有80%的机器零部件都是因为磨损而失效，而且50%以上的机械装备的恶性事故都是起因于润滑失效和过度磨损[7]。由于磨辊位于磨机内部，工作环境恶劣，温度高、粉尘多、振动大、潮湿，其所使用的润滑油极容易因氧化、污染而导致失效，通过监测机器润滑油的理化污染指标(包括运动黏度、酸值、水分等)和磨损状态指标(包括光谱元素分析、PQ指数、铁谱分析等)，就能对其进行有效监控，及时了解磨辊的润滑与磨损状态，指导现场进行预防性维护。

本文针对某水泥企业一条生产线上的原料立磨磨辊轴承的润滑油进行了跟踪取样，对油液的常规理化性能和磨损指标进行了监测，分析数据异常的原因，所得结论对水泥立磨磨辊轴承润滑与磨损故障的诊断具有一定的指导意义。

1 磨辊轴承的润滑与结构

该水泥企业的一线原料粉磨采用MLS立磨。MLS立磨有3个相同的磨辊，磨辊为鼓形，采用球面滚子轴承和双列圆柱滚子轴承的组合方式。而磨辊轴承密封采用密封圈密封和正气压进行密封。磨辊轴承的密封结构是磨辊轴与耐磨衬套之间采用O型密封圈进行密封，而耐磨衬套与轴承盖1(如图1所示)之间用两个带弹簧圈的旋转油封来密封，两个油封之间则用隔环隔开。旋转油封需要通过轴承盖1上的油杯定期注入3#锂基脂进行润滑密封[8-9]。该磨辊轴承润滑系统采用油池进行润滑，使用L-SCKD 1000#合成工业闭式齿轮油。

密封风由带有空气滤清器的专门风机提供。密封风导入磨辊轴承密封区域，由于立磨内部为负压运行，通过密封风正压来阻止粉尘进入磨损密封件，防止润滑油从轴承向外泄漏；同时还起到降温作用，防止密封件的老化。轴承结构及密封如图1所示。

图1 磨辊轴承结构及密封

2 磨辊轴承的油液监测数据分析

自2017年4月起，现场对该立磨的3个磨辊轴承润滑油开展了定期油液监测，每两个月取一次样，截止2017年11月30日，共取样5次，监测数据如表1～表3所示。

表1 原料磨1#磨辊油液分析监测数据

表2 原料磨2#磨辊油液分析监测数据

表2(续)

表3 原料磨3#磨辊油液分析监测数据

从表1～表3的监测数据可以看出，自2017年4月至10月，该立磨磨辊轴承油品理化指标及光谱元素含量缓慢上升，处于正常变化范围内。但在2017年11月份取样分析时，数据出现异常，主要表现在以下几个方面：

(1)3个磨辊轴承油样黏度急剧升高，远远超出在用润滑油黏度的允许变化范围。

(2)磨损元素铁(Fe)、铜(Cu)含量及PQ指数明显增高，且远超出正常范围，如图2所示；污染元素硅(Si)、钙(Ca)、锂(Li)含量以及酸值明显增高，如图3所示。

图2 磨辊油样黏度及金属元素Fe、Cu含量的变化趋势

图3 磨辊油样污染元素Si、Ca、Li含量的变化趋势

(3)铁谱分析在3个磨辊油样中均发现大量伴有高温回火色的钢质磨粒，该种磨粒的出现表明轴承滚子与滚道已出现润滑不良，另外还发现黄色的铜合金及透明的粉尘，这反映出轴承保持架以及密封已出现损伤，如图4所示。根据油液监测分析的结果，初步判断3个磨辊轴承油样受到外界污染，从而导致黏度急剧上升，出现异常磨损。

图4 铁谱分析照片

3 故障原因分析

为了找出磨辊轴承油样的污染来源，对磨辊轴承所使用的新齿轮油、故障油及轴承密封脂进行了黏度及元素光谱分析对比，见表4。

表4 新齿轮油、新密封脂及故障油的元素对比

表4(续)

从表4中的元素分析结果来看，在用磨辊润滑油中Fe、Cu、Cr元素为轴承的材质所含元素，来源于轴承磨损；而Si、Ca、Li等3种元素在新齿轮油中的含量几乎没有或者很少，因此，外界污染应该是其主要的来源。

根据该磨辊轴承的润滑和结构，以及所处的工作环境分析，其所受到的外界污染主要有两种可能：

(1)原料粉尘。原料立磨对原料进行粉磨作业，该水泥企业所生产水泥产品是硅酸盐水泥，所用到的两种主要原料是石灰质原料(主要成分CaCO3)占80%～90%，其次是黏土质原料(主要成分SiO2)占10%～20%。从元素分析的结果来看，在用磨辊润滑油中的Si、Ca含量主要来源于原料粉尘。

(2)轴承密封脂。该磨辊轴承所使用的密封脂为3#锂基脂，该脂的皂基为合成脂肪酸锂，Li含量较高是其主要特征。从元素分析的结果来看，在用磨辊润滑油中的Li含量主要来源于轴承密封脂。

进一步分析发现，当Si、Ca、Li含量较高时，故障油品的黏度、磨损元素Fe、Cu、Cr含量也随之增高，说明原料粉尘、轴承密封脂的污染是导致轴承磨损的主要原因，而且随着污染程度加深，轴承的磨损也在加剧。

4 处理措施与后续监测结果分析

现场对事故进行了全面调查，最终找到了故障原因。原来在2017年10月时，现场对该立磨的磨辊轴承进行了补脂操作，但加脂时未按规程操作，导致过多的密封脂连同旧脂、污染物一起被挤压到了轴承腔，污染了轴承腔内的润滑油。过多的润滑脂和粉尘颗粒使得润滑油黏度急剧上升，油品流动性变差，影响了轴承的散热，导致润滑不良，产生异常磨损。

现场随即对磨辊轴承进行了拆解检修，彻底清洗了轴承腔，并更换了新油。换油后再次取样监测，其检测数据见表5。

表5 原料磨磨辊油液分析监测数据

从表5中的监测数据可以看出，现场对3个磨辊轴承进行维护处理后，3个磨辊轴承油品的理化、污染、磨损等指标均已恢复正常。

5 结语

应用油液监测技术，通过油品理化性能分析、光谱元素分析、铁谱分析等方法，对立磨磨辊油液进行了定期监测，一方面发现油液在使用过程中因受到污染，造成润滑性能下降，导致轴承出现异常磨损；另一方面分析查明了污染物来源以及造成污染的原因。应用油液监测技术能够及时监测磨辊轴承的润滑、磨损状态，并指导现场进行预防性维护，保证磨辊轴承的安全运行。