孫培明，陳樹欽

(1.揭陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，廣東 揭陽(yáng) 522000；2.揭陽(yáng)市大立模具有限公司 廣東 揭陽(yáng) 522000)

在冶金、食品工業(yè)中，廣泛使用熱軋機(jī)、壓榨機(jī)等低速重載設(shè)備。這些設(shè)備中的滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速低，承受載荷大，并需承受沖擊和振動(dòng)，滑動(dòng)軸承中軸瓦和軸頸之間必須形成潤(rùn)滑油膜，使軸頸在與軸瓦不接觸的情況下穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)[1]。由于為低速重載工況，滑動(dòng)軸承在實(shí)際生產(chǎn)中易出現(xiàn)潤(rùn)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(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行?，F(xiàn)以Φ550 mm二輥式鋁熱軋機(jī)軸承(剖分軸承)為例，對(duì)制約低速重載滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑油膜的因素進(jìn)行了分析，并對(duì)軸承實(shí)際工作中出現(xiàn)的潤(rùn)滑問題進(jìn)行分析及解決。

1 潤(rùn)滑油膜的形成與監(jiān)測(cè)

對(duì)于動(dòng)壓滑動(dòng)軸承，當(dāng)軸達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑油膜的形成與軸頸轉(zhuǎn)速、所承受的載荷、軸承間隙、軸瓦材料及其表面粗糙度、潤(rùn)滑油槽的形狀和尺寸、潤(rùn)滑油類型和軸承溫度等因素有關(guān)。

1.1 油膜厚度與軸承間隙

潤(rùn)滑油膜的形成及其厚度對(duì)滑動(dòng)軸承的承載能力有決定性的影響，在軸承包角和軸頸的長(zhǎng)徑比一定時(shí), 最小油膜厚度越小,軸承的承載能力越大。在載荷、潤(rùn)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(shè)備運(yùn)行中，由于軸承磨損，軸承間隙是不斷變化的；軸承的設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)間t的變化曲線

從圖1可知，當(dāng)軸承間隙從ψ1增大到ψ2時(shí)，其承載能力從F1下降到F2，不能滿足設(shè)備載荷要求，從t1到t2是軸承的修機(jī)間隔期，當(dāng)軸承間隙增大到ψ2，無(wú)法形成承載能力所要求的最小油膜厚度，就必須進(jìn)行維修。ψ2是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要根據(jù)設(shè)備規(guī)程和運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)決定，設(shè)備監(jiān)測(cè)參數(shù)主要有軸承溫度、主電動(dòng)機(jī)電流、軸承振動(dòng)參數(shù)、潤(rùn)滑油油質(zhì)狀況等。Φ550 mm鋁熱軋機(jī)軸承，軸瓦為銅合金，軸頸的直徑為286 mm，軸承設(shè)計(jì)間隙為0.24～0.34 mm，經(jīng)檢測(cè)軸承正常運(yùn)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(duì)于剖分軸承，在修機(jī)記錄中要求測(cè)量并記錄頂間隙ψ與兩個(gè)側(cè)間隙a,b；剖分軸承由上、下兩個(gè)圓弧組成，采用加減墊片來(lái)調(diào)整軸承的側(cè)間隙和頂間隙，如圖2所示。剖分軸承上、下兩個(gè)軸瓦的曲率半徑應(yīng)大于軸頸的半徑，形成近似橢圓形軸承，使其預(yù)載荷值大于零，以提高軸承的穩(wěn)定性[3]。軸承間隙不當(dāng)會(huì)引起軸承發(fā)熱，可通過加減墊片調(diào)整軸承間隙，適當(dāng)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(rùn)滑狀況，以提高承載能力。如Φ550 mm鋁熱軋機(jī)軸承在一次修機(jī)后，其工作溫度高于正常值20 ℃以上，通過調(diào)整側(cè)間隙和頂間隙，溫度回到正常范圍，其調(diào)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(jī)軸承間隙調(diào)整記錄

1.2 油膜的監(jiān)測(cè)

在工程實(shí)際應(yīng)用上，對(duì)軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)可采用油液監(jiān)測(cè)技術(shù)。主要監(jiān)測(cè)油膜厚度分布、油膜油壓分布和油液成分，國(guó)內(nèi)主要采用油樣磨粒分析和油品變質(zhì)程度分析[3]；監(jiān)測(cè)方法有電阻法、電容法和激光法等，也可采用光纖傳感器對(duì)油膜厚度進(jìn)行高精度測(cè)量[4]。

實(shí)際生產(chǎn)中, 油膜的監(jiān)測(cè)設(shè)備要求操作簡(jiǎn)單，易于安裝和移動(dòng)，價(jià)格不高，讀數(shù)直觀。在運(yùn)用設(shè)備監(jiān)測(cè)油膜的同時(shí)，結(jié)合軸承的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)判斷軸承潤(rùn)滑的狀況。通常通過監(jiān)測(cè)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控軸承間隙，直觀檢查潤(rùn)滑油分布，測(cè)量振動(dòng)等來(lái)判斷低速重載軸承的潤(rùn)滑狀況。

(1)監(jiān)測(cè)軸承溫度變化。磨合期后，溫度應(yīng)達(dá)到正常穩(wěn)定值(Φ550 mm鋁熱軋機(jī)軸承溫度為65～85 ℃)。

(2)設(shè)備定期檢修時(shí)，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(jī)軸承軸瓦和軸頸接觸角達(dá)到70°～85°，軸瓦摩擦面油膜分布均勻，則可判斷該軸承滑潤(rùn)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(rùn)滑狀況不良，一般采用軸瓦刮研、調(diào)整上下軸瓦間隙、改變油槽結(jié)構(gòu)尺寸和潤(rùn)滑油黏度等方法加以解決。

(3)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承間隙。影響油膜厚度的關(guān)鍵因素是軸頸和軸瓦的間隙，對(duì)運(yùn)行異常的軸承，采用電渦流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承間隙，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷。

(4)監(jiān)測(cè)軸承振動(dòng)。采用測(cè)振儀監(jiān)測(cè)軸承的振動(dòng)，根據(jù)振幅、頻率結(jié)合設(shè)備正常運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)可快捷地判斷軸承油膜潤(rùn)滑的狀況[5]。如振動(dòng)異常，應(yīng)檢查軸承是否出現(xiàn)局部干摩擦、潤(rùn)滑油不清潔等故障。

2 常見潤(rùn)滑故障與處理

2.1 常見潤(rùn)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(gè)方面：①軸承裝配不當(dāng)，包括側(cè)間隙和頂間隙不恰當(dāng)、軸瓦錯(cuò)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(dāng)、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(rùn)滑油選擇不當(dāng)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(jié)合不良，造成軸承潤(rùn)滑故障，導(dǎo)致軸承失效[6]。其原因主要為合金澆注溫度過低、軸瓦預(yù)熱不足或鍍錫方法不當(dāng)。

2.2 故障實(shí)例分析

軸承發(fā)生潤(rùn)滑故障，運(yùn)行參數(shù)將會(huì)出現(xiàn)異常，必須通過檢測(cè)、參數(shù)對(duì)比判斷故障并及時(shí)處理，否則會(huì)導(dǎo)致軸承和相關(guān)設(shè)備的損壞、報(bào)廢。Φ550 mm鋁熱軋機(jī)軸承發(fā)生的幾個(gè)潤(rùn)滑故障的分析判斷與處理如下。

(1)濾油網(wǎng)損壞造成的潤(rùn)滑故障。鋁熱軋機(jī)軸承在運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)主電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)幅度增大異常，軸承溫度升高，振動(dòng)加大。用測(cè)振儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，同一側(cè)有2個(gè)軸承座的振幅達(dá)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(yán)重的帶狀磨損面，經(jīng)分析是潤(rùn)滑油夾帶金屬顆粒雜質(zhì)所致，檢查濾油器發(fā)現(xiàn)濾油網(wǎng)已壞，更換濾油網(wǎng)，噴涂修補(bǔ)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(rùn)滑故障。鋁熱軋機(jī)在使用中，檢查發(fā)現(xiàn)主電動(dòng)機(jī)電流、軸承溫度異常升高，減輕載荷后仍無(wú)法降低，且排出的潤(rùn)滑油殘油有變質(zhì)情況，采取多個(gè)措施仍無(wú)法改善，最后安裝電渦流傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄軸承運(yùn)行中的間隙，發(fā)現(xiàn)軋輥兩端軸承運(yùn)行的間隙相差較大，且最大間隙位置不同，通過調(diào)整兩端軸承間隙使之趨于一致，使軸承潤(rùn)滑正常，熱軋機(jī)最終運(yùn)行正常。

(3)油槽結(jié)構(gòu)不合理造成的潤(rùn)滑故障。鋁熱軋機(jī)原軸瓦內(nèi)面開了一個(gè)“×”形油槽，深度和寬度較小，交叉點(diǎn)在軸瓦中央，設(shè)備經(jīng)磨合期后，軸承溫度始終高出正常值16 ℃以上，主電動(dòng)機(jī)電流較大，經(jīng)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(yán)重。經(jīng)分析，軸承潤(rùn)滑油黏度達(dá)100 mm2/s, 這是由油槽結(jié)構(gòu)不合理、供油不足造成的。對(duì)該軸承油槽進(jìn)行改造，在距軸瓦軸向中心0.2L(L為軸瓦長(zhǎng)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(jī)軸瓦油槽簡(jiǎn)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(nèi)表面形成良好油膜，油膜面積覆蓋整個(gè)摩擦面,軸承溫度穩(wěn)定正常，主電動(dòng)機(jī)電流也降到正常值。

2.3 軸承冷卻系統(tǒng)的改造

除了滑潤(rùn)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(lái)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(zhǎng)度冷卻水通道負(fù)擔(dān)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(cè)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(zhǎng)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(dá)到了正常溫度范圍。

3 結(jié)束語(yǔ)

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