陳賽

（山東太陽紙業(yè)股份有限公司）

1　烘缸工作環(huán)境

造紙機用鑄鐵烘缸屬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中的水分并整飾紙面。

烘缸內(nèi)部通入飽和蒸汽進行加熱，飽和蒸汽的溫度120～150℃。烘缸被安放到密閉的氣罩內(nèi)，并通過供風系統(tǒng)通入預熱的干熱空氣加速水分的蒸發(fā)。熱量通過烘缸壁傳導到紙張中，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)境溫度可以達到70～80℃。

2　烘缸軸承故障簡述

某公司紙機從2004年開機，烘缸固定端軸承連續(xù)出現(xiàn)損傷失效癥狀。按設計要求，在烘干部的軸承使用壽命為8～10萬h。按連續(xù)生產(chǎn)來算這些軸承的壽命應該為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個月的壽命，明顯低于設計要求。

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系

3.1蒸汽群組分類

在紙機生產(chǎn)過程中，要從烘缸固定端通入高溫的蒸汽來實現(xiàn)對紙幅中水分的蒸發(fā)。根據(jù)紙機生產(chǎn)工藝，不同位置的烘缸對紙面的烘干能力是不同的，通入的蒸汽壓力也是不同。若干個相鄰的烘缸組成一個烘缸群，通入特定壓力的飽和蒸汽來實現(xiàn)組群的共同加熱。該紙機共有40個烘缸，劃分為11個烘缸群。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，紙機會自動調(diào)節(jié)各個蒸汽群的供氣壓力。通過表2可以清晰看出蒸汽壓力較高的三個位置分別是2B、3、4號烘缸群，這三個群的供氣壓力峰值分別達到0.44MPa、0.54MPa、0.52MPa。蒸汽壓力較低的兩個位置分別是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應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系并得到圖1（蒸汽壓力和軸承更換數(shù)量對應關系）。

通過圖1可以清晰地看出烘缸固定端軸承更換頻次Z高的三個位置分別是2B、3、4號烘缸群，在這三個位置烘缸傳動側(cè)軸承更換平均頻次分別達到4.67次、3.125次、4次。更換頻次較低的兩個位置1C、5B烘缸，在這兩個位置內(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的情況下這三個位置的烘缸軸承工作時間已經(jīng)達到11年。通過振動監(jiān)測技術分析，這三個位置的烘缸軸承狀態(tài)良好。

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

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、滾動體表面脫落和碎裂、滾動體表面磨損。對于以上軸承損傷原因可以引用ISO15243—2004Rolling bearings—Damage and failures滾動軸承損傷和失效—特征和原因一文中的說明（圖3）。

♦潤滑不良，軸承間隙過小。

♦相對于負載和速度存在嚴重的軸承負載。

♦過高的溫升降低了軸承材料的硬度。

♦固體顆粒進入密封的軸承中導致磨損。

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

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，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。空氣比熱比較小、導熱系數(shù)低，熱量是通過輻射和對流散逸的。通過設置隔熱帶，來保證高溫蒸汽不會散失到烘缸軸頭中。

在實際生產(chǎn)的過程中經(jīng)常會發(fā)生隔熱失效的情況。在設備安裝或維修過程中，因為軸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)就因為安裝不當造成隔熱密封環(huán)破裂。

安裝到汽頭上的隔熱密封環(huán)在工作過程中因為安裝不當造成損壞后，極易發(fā)生高壓蒸汽的泄漏。高溫蒸汽泄漏后進入到隔熱套和軸頸的空隙當中會形成冷凝水。這時熱傳遞條件與軸頸不隔熱時幾乎相同，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)和無隔熱結(jié)構(gòu)對比試驗

試驗條件：無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，試驗蒸汽溫度為130℃。

通過對兩套軸承裝置通入相同溫度的蒸汽后分別測量軸頭位置、軸承內(nèi)環(huán)、軸承滾動體、軸承外環(huán)等部位的溫度。無隔熱結(jié)構(gòu)的軸承裝置在運行一定時間后，軸頭位置溫度達到121℃，軸承內(nèi)環(huán)溫度達到107℃，滾動體溫度93℃，軸承外環(huán)溫度達到86℃。而具備隔熱結(jié)構(gòu)的軸承裝置在運行相同時間后，軸頭位置溫度達到79℃，軸承內(nèi)環(huán)溫度達到77℃，滾動體溫度73℃，軸承外環(huán)溫度達到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　高溫對潤滑油黏度的影響

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

通過圖6潤滑油黏溫曲線可以看出潤滑油的黏度隨著溫度的升高快速降低。當油品溫度上升到100℃時該型號潤滑油黏度下降到18.1mm²/s。

潤滑油的溫度越高其黏度下降的越大，潤滑油的油膜厚度越小（圖7），抵抗重載的能力就會越低，潤滑油的潤滑性能越差，軸承系統(tǒng)就會因為潤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其進行改進，使得道密封破損失效后第二道密封結(jié)構(gòu)繼續(xù)完成對蒸汽的密封作用。

7.1轉(zhuǎn)接法蘭設計

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。當轉(zhuǎn)接法蘭安裝到位后在隔熱套和轉(zhuǎn)接法蘭中間會有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域得到了廣泛應用。

氟橡膠具有高度的化學穩(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熱、軸頭溫度降溫處理。

現(xiàn)場維修過程中由于紙機設備停機檢修時間短，烘缸體積大，短時間內(nèi)軸頭溫度下降幅度有限，停機3h后的軸頭溫度依然高達75～85℃，此時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，大幅溫升后對其自身的熱膨脹形變造成影響，從而引起軸承游隙的變化。

8.2安裝方式——游隙測量變更為液壓推進法

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其軸承安裝游隙進行測量。由于紙機傳動側(cè)部分烘缸傳動為齒輪齒箱結(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)在軸頭的移動會造成內(nèi)外環(huán)的軸向移位，使得內(nèi)外排滾動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量游隙時的測量誤差，導致軸承實際剩余游隙過大或者過小，不能滿足軸承正常運行的游隙要求。

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

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

在各安裝部位正常無明顯磨損的情況下，現(xiàn)場安裝時建議采用液壓推進法進行軸承安裝，在安裝過程中使用液壓螺母對軸承內(nèi)環(huán)進行推進。通過查詢軸承型號后可以獲得該型號軸承的安裝數(shù)據(jù)：軸承的原始游隙、游隙減小量、Z小許用游隙、液壓螺母起始壓力、軸承內(nèi)環(huán)推進距離等數(shù)據(jù)。當軸承內(nèi)環(huán)到達位置后即可完成軸承的安裝。可以避免因為人工測量導致的測量誤差，實現(xiàn)軸承的精細安裝。

9　潤滑油品優(yōu)化

造紙機烘干部因為運行的溫度較高，常采用稀油潤滑方式，采用油站供油由自動化控制系統(tǒng)進行管?控制。由于現(xiàn)代紙機高速、重載荷連續(xù)運行，因此對潤滑油黏溫性、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。現(xiàn)有紙機上配備的PMO無灰造紙機循環(huán)油雖然在性能指標上可以滿足紙機運行的基本要求，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、潤滑性能降低等問題。

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

擠壓添加劑與無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滑狀態(tài)下，能和金屬表面形成高熔點化學反應膜，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，生成剪切應力和熔點都比純金屬低的化合物，從而防止接觸表面咬合與焊熔，有效地保護金屬表面。輔助提升潤滑油的潤滑性能，延長軸承重載條件下的使用壽命。

10　結(jié)束語

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

來源：《中華紙業(yè)》2020年第8期