低速重載滑動軸承的潤滑故障分析及處理

孫培明，陳樹欽

(1.揭陽職業(yè)技術學院 機電系，廣東 揭陽 522000；2.揭陽市大立模具有限公司 廣東 揭陽 522000)

在冶金、食品工業(yè)中，廣泛使用熱軋機、壓榨機等低速重載設備。這些設備中的滑動軸承轉速低，承受載荷大，并需承受沖擊和振動，滑動軸承中軸瓦和軸頸之間必須形成潤滑油膜，使軸頸在與軸瓦不接觸的情況下穩(wěn)定旋轉[1]。由于為低速重載工況，滑動軸承在實際生產中易出現(xiàn)潤滑油膜分布不均勻、軸頸與軸瓦干摩擦、發(fā)熱等問題，造成設備無法正常運行?，F(xiàn)以Φ550 mm二輥式鋁熱軋機軸承(剖分軸承)為例，對制約低速重載滑動軸承潤滑油膜的因素進行了分析，并對軸承實際工作中出現(xiàn)的潤滑問題進行分析及解決。

1 潤滑油膜的形成與監(jiān)測

對于動壓滑動軸承，當軸達到一定轉速后，潤滑油在軸頸與軸瓦間形成油楔，油楔斷面不斷收縮使油壓逐漸升高，形成高壓力油區(qū)，使軸頸抬起，從而形成油膜潤滑。

在低速重載條件下，要使?jié)櫥托纬蓾M足工況要求的油膜較為困難。軸承中潤滑油膜的形成與軸頸轉速、所承受的載荷、軸承間隙、軸瓦材料及其表面粗糙度、潤滑油槽的形狀和尺寸、潤滑油類型和軸承溫度等因素有關。

1.1 油膜厚度與軸承間隙

潤滑油膜的形成及其厚度對滑動軸承的承載能力有決定性的影響，在軸承包角和軸頸的長徑比一定時, 最小油膜厚度越小,軸承的承載能力越大。在載荷、潤滑油黏度和軸承幾何尺寸確定的情況下，影響油膜厚度的重要因素為軸承間隙，間隙越小，最小油膜厚度越小[2]。

在設備運行中，由于軸承磨損，軸承間隙是不斷變化的；軸承的設計間隙是初始間隙，工作中隨著軸承的磨損，間隙逐漸增大，軸承承載能力逐漸下降，軸承承載量F與間隙ψ隨時間t的變化曲線如圖1所示。

圖1 軸承承載量F與間隙ψ隨時間t的變化曲線

從圖1可知，當軸承間隙從ψ1增大到ψ2時，其承載能力從F1下降到F2，不能滿足設備載荷要求，從t1到t2是軸承的修機間隔期，當軸承間隙增大到ψ2，無法形成承載能力所要求的最小油膜厚度，就必須進行維修。ψ2是一個經驗數(shù)據(jù)，主要根據(jù)設備規(guī)程和運行參數(shù)監(jiān)測決定，設備監(jiān)測參數(shù)主要有軸承溫度、主電動機電流、軸承振動參數(shù)、潤滑油油質狀況等。Φ550 mm鋁熱軋機軸承，軸瓦為銅合金，軸頸的直徑為286 mm，軸承設計間隙為0.24～0.34 mm，經檢測軸承正常運行間隙為0.31～0.62 mm，其最大間隙ψ2為0.95 mm。

軸承間隙一般指頂間隙，對于剖分軸承，在修機記錄中要求測量并記錄頂間隙ψ與兩個側間隙a,b；剖分軸承由上、下兩個圓弧組成，采用加減墊片來調整軸承的側間隙和頂間隙，如圖2所示。剖分軸承上、下兩個軸瓦的曲率半徑應大于軸頸的半徑，形成近似橢圓形軸承，使其預載荷值大于零，以提高軸承的穩(wěn)定性[3]。軸承間隙不當會引起軸承發(fā)熱，可通過加減墊片調整軸承間隙，適當提高軸承的偏心率，增大油楔的持油能力和楔形收斂，改善軸承的潤滑狀況，以提高承載能力。如Φ550 mm鋁熱軋機軸承在一次修機后，其工作溫度高于正常值20 ℃以上，通過調整側間隙和頂間隙，溫度回到正常范圍，其調整記錄見表1。

圖2 軸承間隙及墊片示意圖

表1 Φ550 mm鋁熱軋機軸承間隙調整記錄

1.2 油膜的監(jiān)測

在工程實際應用上，對軸承潤滑系統(tǒng)的監(jiān)測可采用油液監(jiān)測技術。主要監(jiān)測油膜厚度分布、油膜油壓分布和油液成分，國內主要采用油樣磨粒分析和油品變質程度分析[3]；監(jiān)測方法有電阻法、電容法和激光法等，也可采用光纖傳感器對油膜厚度進行高精度測量[4]。

實際生產中, 油膜的監(jiān)測設備要求操作簡單，易于安裝和移動，價格不高，讀數(shù)直觀。在運用設備監(jiān)測油膜的同時，結合軸承的經驗數(shù)據(jù)來判斷軸承潤滑的狀況。通常通過監(jiān)測運行參數(shù)，實時監(jiān)控軸承間隙，直觀檢查潤滑油分布，測量振動等來判斷低速重載軸承的潤滑狀況。

(1)監(jiān)測軸承溫度變化。磨合期后，溫度應達到正常穩(wěn)定值(Φ550 mm鋁熱軋機軸承溫度為65～85 ℃)。

(2)設備定期檢修時，檢查軸瓦磨損情況、軸頸與軸瓦的接觸面積、油膜的分布、缺油面積的大小和分布等。若鋁熱軋機軸承軸瓦和軸頸接觸角達到70°～85°，軸瓦摩擦面油膜分布均勻，則可判斷該軸承滑潤油成膜狀況良好；如果出現(xiàn)成片的干摩擦、油膜分布不均勻、油膜面積太小等情況，則油膜潤滑狀況不良，一般采用軸瓦刮研、調整上下軸瓦間隙、改變油槽結構尺寸和潤滑油黏度等方法加以解決。

(3)實時監(jiān)測軸承間隙。影響油膜厚度的關鍵因素是軸頸和軸瓦的間隙，對運行異常的軸承，采用電渦流傳感器實時監(jiān)測軸承間隙，結合經驗數(shù)據(jù)進行故障診斷。

(4)監(jiān)測軸承振動。采用測振儀監(jiān)測軸承的振動，根據(jù)振幅、頻率結合設備正常運行的經驗參數(shù)可快捷地判斷軸承油膜潤滑的狀況[5]。如振動異常，應檢查軸承是否出現(xiàn)局部干摩擦、潤滑油不清潔等故障。

2 常見潤滑故障與處理

2.1 常見潤滑故障及原因

(1)軸承異常磨損、刮傷。其原因主要有以下幾個方面：①軸承裝配不當，包括側間隙和頂間隙不恰當、軸瓦錯位、同一軸兩端的軸承同心度不符合要求、軸瓦和軸承座太松或太緊；②軸及軸瓦的尺寸精度不符合要求，包括軸的撓度、圓度超差，軸瓦變形及厚薄不均；③供油系統(tǒng)存在問題,包括油槽位置不當、尺寸太小，油冷卻不佳等。

(2)軸承異常溫升。其主要原因包括軸承尺寸精度差、間隙太小、裝配存在缺陷，油冷卻不佳，冷卻水冷卻效果差。

(3)軸承腐蝕。其主要原因是潤滑油選擇不當和供油不潔。

(4)巴氏合金軸承的襯層(巴氏合金)與襯背(軸瓦)結合不良，造成軸承潤滑故障，導致軸承失效[6]。其原因主要為合金澆注溫度過低、軸瓦預熱不足或鍍錫方法不當。

2.2 故障實例分析

軸承發(fā)生潤滑故障，運行參數(shù)將會出現(xiàn)異常，必須通過檢測、參數(shù)對比判斷故障并及時處理，否則會導致軸承和相關設備的損壞、報廢。Φ550 mm鋁熱軋機軸承發(fā)生的幾個潤滑故障的分析判斷與處理如下。

(1)濾油網損壞造成的潤滑故障。鋁熱軋機軸承在運行參數(shù)檢測中，發(fā)現(xiàn)主電動機電流波動幅度增大異常，軸承溫度升高，振動加大。用測振儀檢測發(fā)現(xiàn)，同一側有2個軸承座的振幅達到320～400 μm(正常在90 μm以下)。拆卸軸承檢查發(fā)現(xiàn)，軸瓦存在較為嚴重的帶狀磨損面，經分析是潤滑油夾帶金屬顆粒雜質所致，檢查濾油器發(fā)現(xiàn)濾油網已壞，更換濾油網，噴涂修補軸瓦，重新刮研，軸承安裝后使用正常。

(2)軸兩端軸承磨損不同造成的潤滑故障。鋁熱軋機在使用中，檢查發(fā)現(xiàn)主電動機電流、軸承溫度異常升高，減輕載荷后仍無法降低，且排出的潤滑油殘油有變質情況，采取多個措施仍無法改善，最后安裝電渦流傳感器，實時監(jiān)測并記錄軸承運行中的間隙，發(fā)現(xiàn)軋輥兩端軸承運行的間隙相差較大，且最大間隙位置不同，通過調整兩端軸承間隙使之趨于一致，使軸承潤滑正常，熱軋機最終運行正常。

(3)油槽結構不合理造成的潤滑故障。鋁熱軋機原軸瓦內面開了一個“×”形油槽，深度和寬度較小，交叉點在軸瓦中央，設備經磨合期后，軸承溫度始終高出正常值16 ℃以上，主電動機電流較大，經檢查發(fā)現(xiàn)，軸瓦面有較大面積的干磨，軸向中間缺油更為嚴重。經分析，軸承潤滑油黏度達100 mm2/s, 這是由油槽結構不合理、供油不足造成的。對該軸承油槽進行改造，在距軸瓦軸向中心0.2L(L為軸瓦長度)處增開一條深3 mm、寬40 mm的環(huán)形油槽，如圖3所示。

圖3 改造后鋁熱軋機軸瓦油槽簡圖

環(huán)形油槽不開在中部，以避免降低軸承承載能力，改造后檢查發(fā)現(xiàn)，軸瓦內表面形成良好油膜，油膜面積覆蓋整個摩擦面,軸承溫度穩(wěn)定正常，主電動機電流也降到正常值。

2.3 軸承冷卻系統(tǒng)的改造

除了滑潤油帶走軸承部分熱量外，低速重載軸承通常還需水冷卻。冷卻水通道一般布置在軸承座上，盡量靠近軸瓦背面。同樣尺寸軸承，增大冷卻水通道的面積，能有效提高冷卻速度。將軸承座冷卻水通道從原來單蛇形布置改為雙蛇形布置，如圖4所示(冷卻水通道截面積不變)。改造后冷卻水通道的面積增加了50%以上，單位長度冷卻水通道負擔的傳熱面積大幅減小，加快了冷卻速度。改造前、后軸承水冷卻參數(shù)見表2(10次測量平均值)。

圖4 改造后軸承座的雙蛇形冷卻水通道

表2 改造前、后軸承水冷卻參數(shù)

由表2可知，改造后，由于冷卻水通道的長度增加，水流變向次數(shù)增加，湍流加劇，水壓的壓降增加了0.09 MPa，熱變換速度明顯提高，出口水溫提高了9 ℃，吸收熱量能力大幅度提高，軸承溫度降低了15 ℃，達到了正常溫度范圍。

3 結束語

在低速重載條件下，潤滑油形成油膜較為困難，潤滑油膜的形成與軸承間隙、溫度、裝配及潤滑油黏度等有關，軸承的間隙變化對形成油膜潤滑和承載能力影響很大；在工廠生產中采用運行參數(shù)監(jiān)測、軸承間隙實時監(jiān)控、潤滑油分布直觀檢查、軸承振動測量等方法監(jiān)測油膜潤滑狀況。軸承裝配缺陷、尺寸誤差及冷卻系統(tǒng)問題等均會導致軸承潤滑故障，必須通過檢測、參數(shù)對比等方法分析判斷，正確處理故障。采用合理結構的潤滑油槽及冷卻水通道，可以提高軸承的潤滑性能，延長軸承壽命。