陳賽

（山東太陽(yáng)紙業(yè)股份有限公司）

1　烘缸工作環(huán)境

造紙機(jī)用鑄鐵烘缸屬Ⅰ類壓力容器。鑄鐵烘缸的數(shù)量約占造紙行業(yè)壓力容器總數(shù)的2/3。制造烘缸的材料一般多為HT200、HT250。為了增加紙面光滑度，要求把烘缸外表面磨光并把內(nèi)表面鏜光，使整個(gè)烘缸壁保持厚薄一致，以保證烘缸的安全、平衡和各處傳熱均勻。烘缸的作用是用來烘干紙頁(yè)中的水分并整飾紙面。

烘缸內(nèi)部通入飽和蒸汽進(jìn)行加熱，飽和蒸汽的溫度120～150℃。烘缸被安放到密閉的氣罩內(nèi)，并通過供風(fēng)系統(tǒng)通入預(yù)熱的干熱空氣加速水分的蒸發(fā)。熱量通過烘缸壁傳導(dǎo)到紙張中，將紙張中的水分由壓榨后的60%降低到出烘干部約為7%。在正常生產(chǎn)過程中氣罩內(nèi)的環(huán)境溫度可以達(dá)到70～80℃。

2　烘缸軸承故障簡(jiǎn)述

某公司紙機(jī)從2004年開機(jī)，烘缸固定端軸承連續(xù)出現(xiàn)損傷失效癥狀。按設(shè)計(jì)要求，在烘干部的軸承使用壽命為8～10萬(wàn)h。按連續(xù)生產(chǎn)來算這些軸承的壽命應(yīng)該為8年左右。但是現(xiàn)在這些軸承只有1～2年的工作壽命，有的甚至只有2～3個(gè)月的壽命，明顯低于設(shè)計(jì)要求。

從2004年至2015年已經(jīng)更換了一百多套軸承。由于軸承頻繁的拆卸、安裝，又對(duì)烘缸的軸頭造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。烘缸軸承的不穩(wěn)定工作對(duì)車間的正常生產(chǎn)產(chǎn)生極大的影響。

3　烘缸軸承損壞和蒸汽壓力的關(guān)系

3.1蒸汽群組分類

在紙機(jī)生產(chǎn)過程中，要從烘缸固定端通入高溫的蒸汽來實(shí)現(xiàn)對(duì)紙幅中水分的蒸發(fā)。根據(jù)紙機(jī)生產(chǎn)工藝，不同位置的烘缸對(duì)紙面的烘干能力是不同的，通入的蒸汽壓力也是不同。若干個(gè)相鄰的烘缸組成一個(gè)烘缸群，通入特定壓力的飽和蒸汽來實(shí)現(xiàn)組群的共同加熱。該紙機(jī)共有40個(gè)烘缸，劃分為11個(gè)烘缸群。不同的群通入的蒸汽壓力各不相同，烘缸表面溫度也不同。

在生產(chǎn)過程中根據(jù)出干燥部紙幅水分的大小，紙機(jī)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)蒸汽群的供氣壓力。通過表2可以清晰看出蒸汽壓力較高的三個(gè)位置分別是2B、3、4號(hào)烘缸群，這三個(gè)群的供氣壓力峰值分別達(dá)到0.44MPa、0.54MPa、0.52MPa。蒸汽壓力較低的兩個(gè)位置分別是1C、5B烘缸群，其供汽壓力分別是0.14MPa、0.18MPa。

3.2烘缸固定端軸承更換數(shù)量

依據(jù)2004年至2015年間該車間維修記錄，該車間重復(fù)性更換了137套烘缸固定端軸承。結(jié)合烘干部烘缸群組蒸汽壓力和對(duì)應(yīng)烘缸位置軸承更換數(shù)量，可以體現(xiàn)出蒸汽壓力和軸承損壞的關(guān)系并得到圖1（蒸汽壓力和軸承更換數(shù)量對(duì)應(yīng)關(guān)系）。

通過圖1可以清晰地看出烘缸固定端軸承更換頻次Z高的三個(gè)位置分別是2B、3、4號(hào)烘缸群，在這三個(gè)位置烘缸傳動(dòng)側(cè)軸承更換平均頻次分別達(dá)到4.67次、3.125次、4次。更換頻次較低的兩個(gè)位置1C、5B烘缸，在這兩個(gè)位置內(nèi)的烘缸軸承更換頻次分別為1.5次、2次。

1#、2#、27#烘缸在正常生產(chǎn)過程中通入微量蒸汽，在蒸汽壓力為0的情況下這三個(gè)位置的烘缸軸承工作時(shí)間已經(jīng)達(dá)到11年。通過振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)分析，這三個(gè)位置的烘缸軸承狀態(tài)良好。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，烘缸傳動(dòng)側(cè)軸承更換頻次和烘缸的供汽壓力呈正相關(guān)關(guān)系。

4　烘缸軸承損壞模式

圖2顯示的是軸承內(nèi)圈滾道失效的圖片。

♦軸承有打滑痕跡

♦滾道表面有環(huán)形色圈

♦滾道表面次表層疲勞脫落

圖2顯示軸承滾道表面的環(huán)形色圈、次表層脫落、滾動(dòng)體表面脫落和碎裂、滾動(dòng)體表面磨損。對(duì)于以上軸承損傷原因可以引用ISO15243—2004Rolling bearings—Damage and failures滾動(dòng)軸承損傷和失效—特征和原因一文中的說明（圖3）。

♦潤(rùn)滑不良，軸承間隙過小。

♦相對(duì)于負(fù)載和速度存在嚴(yán)重的軸承負(fù)載。

♦過高的溫升降低了軸承材料的硬度。

♦固體顆粒進(jìn)入密封的軸承中導(dǎo)致磨損。

通過以上列舉的案例和數(shù)據(jù)可以反映出，造成烘缸傳動(dòng)側(cè)軸承損傷失效的根本原因是烘缸傳動(dòng)側(cè)汽頭內(nèi)部的高溫引發(fā)的一系列影響軸承正常運(yùn)行的惡劣條件。

5　烘缸的?熱結(jié)構(gòu)

為了減少烘缸中的熱量向軸承的傳導(dǎo)，便有了隔熱套的產(chǎn)生。隔熱結(jié)構(gòu)主要有隔熱套隔熱、端面隔熱、隔熱套與端面隔熱共同隔熱。

5.1隔熱結(jié)構(gòu)的原理

隔熱套隔熱即把蒸汽用鋼管輸送，與軸頸用?氣隔開形成隔熱帶?？諝獗葻岜容^小、導(dǎo)熱系數(shù)低，熱量是通過輻射和對(duì)流散逸的。通過設(shè)置隔熱帶，來保證高溫蒸汽不會(huì)散失到烘缸軸頭中。

在實(shí)際生產(chǎn)的過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生隔熱失效的情況。在設(shè)備安裝或維修過程中，因?yàn)檩S頸和隔熱套尺寸和結(jié)構(gòu)等原因，極易造成端面密封中隔熱密封環(huán)的安裝損壞、破裂，如圖4所示的隔熱密封環(huán)就因?yàn)榘惭b不當(dāng)造成隔熱密封環(huán)破裂。

安裝到汽頭上的隔熱密封環(huán)在工作過程中因?yàn)榘惭b不當(dāng)造成損壞后，極易發(fā)生高壓蒸汽的泄漏。高溫蒸汽泄漏后進(jìn)入到隔熱套和軸頸的空隙當(dāng)中會(huì)形成冷凝水。這時(shí)熱傳遞條件與軸頸不隔熱時(shí)幾乎相同，隔熱結(jié)構(gòu)失效，大量的熱量穿透隔熱套傳遞到軸頸中，造成軸承內(nèi)外圈的溫度急劇上升。

5.2隔熱結(jié)構(gòu)和無(wú)隔熱結(jié)構(gòu)對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：無(wú)隔熱套和端面隔熱結(jié)構(gòu)的軸承裝置、具備隔熱套和端面隔熱結(jié)構(gòu)的軸承裝置，試驗(yàn)蒸汽溫度為130℃。

通過對(duì)兩套軸承裝置通入相同溫度的蒸汽后分別測(cè)量軸頭位置、軸承內(nèi)環(huán)、軸承滾動(dòng)體、軸承外環(huán)等部位的溫度。無(wú)隔熱結(jié)構(gòu)的軸承裝置在運(yùn)行一定時(shí)間后，軸頭位置溫度達(dá)到121℃，軸承內(nèi)環(huán)溫度達(dá)到107℃，滾動(dòng)體溫度93℃，軸承外環(huán)溫度達(dá)到86℃。而具備隔熱結(jié)構(gòu)的軸承裝置在運(yùn)行相同時(shí)間后，軸頭位置溫度達(dá)到79℃，軸承內(nèi)環(huán)溫度達(dá)到77℃，滾動(dòng)體溫度73℃，軸承外環(huán)溫度達(dá)到72℃。通過圖5可以明顯地看出具備隔熱結(jié)構(gòu)的軸頭比沒有隔熱結(jié)構(gòu)的軸頭溫度低42℃，軸承溫升也大幅降低。

6　高溫對(duì)潤(rùn)滑油黏度的影響

黏度反映油品的內(nèi)摩擦力，是表示油品油性和流動(dòng)性的一項(xiàng)指標(biāo)。在未加任何功能添加劑的前提下，黏度越大，油膜強(qiáng)度越高，潤(rùn)滑效果越好。黏度是隨著溫度變化的，溫度越高潤(rùn)滑油的黏度就越低。

通過圖6潤(rùn)滑油黏溫曲線可以看出潤(rùn)滑油的黏度隨著溫度的升高快速降低。當(dāng)油品溫度上升到100℃時(shí)該型號(hào)潤(rùn)滑油黏度下降到18.1mm²/s。

潤(rùn)滑油的溫度越高其黏度下降的越大，潤(rùn)滑油的油膜厚度越?。▓D7），抵抗重載的能力就會(huì)越低，潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能越差，軸承系統(tǒng)就會(huì)因?yàn)闈?rùn)滑不良而過早損壞失效。

7　汽頭隔熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

采用二次密封的方式對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，使得道密封破損失效后第二道密封結(jié)構(gòu)繼續(xù)完成對(duì)蒸汽的密封作用。

7.1轉(zhuǎn)接法蘭設(shè)計(jì)

該方案是繼續(xù)采用威爾遜9700型的烘缸汽頭結(jié)構(gòu)，原來的隔熱密封環(huán)安裝在轉(zhuǎn)接法蘭中。轉(zhuǎn)接法蘭安裝在烘缸軸頭上。當(dāng)轉(zhuǎn)接法蘭安裝到位后在隔熱套和轉(zhuǎn)接法蘭中間會(huì)有7mm配合距離。第二道密封就是在這7mm的位置上發(fā)揮作用（圖8）。

首先在距離轉(zhuǎn)接法蘭內(nèi)側(cè)1mm的位置加工一個(gè)3mm寬、2.5mm深的環(huán)形O型圈槽。使用材質(zhì)為氟橡膠的O型圈，安裝到O型槽內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)接法蘭安裝到位后，O型圈起到第二道密封的作用。

7.2密封材料的選擇

氟橡膠(fluororubber)是指主鏈或側(cè)鏈的碳原子上含有氟原子的合成高分子彈性體。氟原子的引入，賦予橡膠優(yōu)異的耐熱性、抗氧化性、耐油性、耐腐蝕性和耐大氣老化性，在航天、航空、汽車、石油和家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

氟橡膠具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，是目前所有彈性體中耐介質(zhì)性能Z好的一種，氟橡膠的耐高溫性能和硅橡膠一樣，可以說是目前彈性體中Z好的。氟橡膠在250℃下可長(zhǎng)期使用。

8　烘缸軸承安裝方式優(yōu)化

8.1安裝過程中的溫度控制

安裝前軸承的提前預(yù)熱、軸頭溫度降溫處理。

現(xiàn)場(chǎng)維修過程中由于紙機(jī)設(shè)備停機(jī)檢修時(shí)間短，烘缸體積大，短時(shí)間內(nèi)軸頭溫度下降幅度有限，停機(jī)3h后的軸頭溫度依然高達(dá)75～85℃，此時(shí)軸頭和室溫條件下的軸承存在50～60℃的溫度差。由于烘缸軸承尺寸較大，大幅溫升后對(duì)其自身的熱膨脹形變?cè)斐捎绊懀瑥亩疠S承游隙的變化。

8.2安裝方式——游隙測(cè)量變更為液壓推進(jìn)法

軸承內(nèi)圈為錐度孔結(jié)構(gòu)和烘缸軸頭錐面過盈配合安裝。在安裝過程中一般使用塞尺對(duì)其軸承安裝游隙進(jìn)行測(cè)量。由于紙機(jī)傳動(dòng)側(cè)部分烘缸傳動(dòng)為齒輪齒箱結(jié)構(gòu)，齒箱結(jié)構(gòu)限制了烘缸軸承的拆卸、安裝。在起吊烘缸或者拆卸軸承的過程中會(huì)造成烘缸軸向的位移，使得軸承安裝位置變化。在安裝過程中隨著軸承內(nèi)環(huán)在軸頭的移動(dòng)會(huì)造成內(nèi)外環(huán)的軸向移位，使得內(nèi)外排滾動(dòng)體軸承間隙異常變大或者變小。很容易造成安裝人員使用塞尺測(cè)量游隙時(shí)的測(cè)量誤差，導(dǎo)致軸承實(shí)際剩余游隙過大或者過小，不能滿足軸承正常運(yùn)行的游隙要求。

當(dāng)軸承安裝剩余游隙小于軸承許用Z小游隙時(shí)，軸承運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)軸承溫度升高、內(nèi)外環(huán)滾道疲勞脫落、滾動(dòng)體卡死、保持器斷裂、軸承內(nèi)環(huán)脹裂等情況發(fā)生，導(dǎo)致軸承異常損壞或過早出現(xiàn)損傷。軸承內(nèi)環(huán)脹裂還會(huì)導(dǎo)致烘缸研軸或者軸承抱死的惡性設(shè)備事故的發(fā)生。

當(dāng)軸承安裝剩余游隙大于軸承許用Z大游隙時(shí)，軸承運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)軸承的異常振動(dòng)、烘缸運(yùn)行異響。由于軸承游隙過大在運(yùn)行過程中還會(huì)出現(xiàn)軸承滾動(dòng)體在內(nèi)外環(huán)滾道之間的異常打滑，造成軸承磨損加劇，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致軸承內(nèi)外環(huán)滾道疲勞脫落。

在各安裝部位正常無(wú)明顯磨損的情況下，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)建議采用液壓推進(jìn)法進(jìn)行軸承安裝，在安裝過程中使用液壓螺母對(duì)軸承內(nèi)環(huán)進(jìn)行推進(jìn)。通過查詢軸承型號(hào)后可以獲得該型號(hào)軸承的安裝數(shù)據(jù)：軸承的原始游隙、游隙減小量、Z小許用游隙、液壓螺母起始?jí)毫?、軸承內(nèi)環(huán)推進(jìn)距離等數(shù)據(jù)。當(dāng)軸承內(nèi)環(huán)到達(dá)位置后即可完成軸承的安裝?？梢员苊庖?yàn)槿斯y(cè)量導(dǎo)致的測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)軸承的精細(xì)安裝。

9　潤(rùn)滑油品優(yōu)化

造紙機(jī)烘干部因?yàn)檫\(yùn)行的溫度較高，常采用稀油潤(rùn)滑方式，采用油站供油由自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行管?控制。由于現(xiàn)代紙機(jī)高速、重載荷連續(xù)運(yùn)行，因此對(duì)潤(rùn)滑油黏溫性、氧化安定性、擠壓性、抗乳化性、抗水性、過濾性等性能提出了較高的要求?，F(xiàn)有紙機(jī)上配備的PMO無(wú)灰造紙機(jī)循環(huán)油雖然在性能指標(biāo)上可以滿足紙機(jī)運(yùn)行的基本要求，但是在高溫、高速、重載的工況下作業(yè)也暴露出油膜穩(wěn)定性不足、潤(rùn)滑性能降低等問題。

對(duì)于紙機(jī)烘干部潤(rùn)滑油的優(yōu)化可以采用CMO無(wú)灰極壓造紙機(jī)循環(huán)油，該油品具有高溫穩(wěn)定性。有效的抗氧化劑保護(hù)高溫環(huán)境及高溫運(yùn)行條件下的潤(rùn)滑油使用壽命，減少沉積物的生成。

擠壓添加劑與無(wú)灰抗磨劑提供良好的FZG和Timken表現(xiàn)性能。是在高溫高壓的邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下，能和金屬表面形成高熔點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)膜，以防止發(fā)生熔結(jié)、咬黏、刮傷的添加劑。作用是通過分解的產(chǎn)物在摩擦高溫下與金屬起反應(yīng)，生成剪切應(yīng)力和熔點(diǎn)都比純金屬低的化合物，從而防止接觸表面咬合與焊熔，有效地保護(hù)金屬表面。輔助提升潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能，延長(zhǎng)軸承重載條件下的使用壽命。

10　結(jié)束語(yǔ)

通過優(yōu)化烘缸汽頭密封結(jié)構(gòu)、采用極壓特性潤(rùn)滑油、優(yōu)化軸承裝配工藝，可以有效地改善烘缸軸承在高溫、重載工況的運(yùn)行條件，減少軸承內(nèi)部摩擦，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。

來源：《中華紙業(yè)》2020年第8期