大型重載鋼包回轉軸承故障診斷方法

傅小波，劉仁德，李興林

(1.上海寶鋼股份有限公司 設備部，上海 201900；2.上海寶鋼工業檢測公司，上海 201900；3.杭州軸承試驗研究中心，杭州 310022)

鋼包回轉軸承是煉鋼生產線上鋼包澆鑄設備的核心部件，屬于大型轉盤軸承，在使用過程中除了承受軸、徑向力外，還承受很大的傾覆力矩，具有尺寸大、轉速低(1～10 r/min)、載荷大、造價高、維修難度大等特點，設計壽命一般在8～10年，其使用狀況及壽命因素直接影響著煉鋼與連鑄工藝的銜接。

在使用過程中，由于制造水平以及使用工況的不同，該類型軸承的實際使用壽命差異很大。以某大型鋼鐵集團為例，設計壽命為8年的連鑄機大包回轉軸承的實際使用壽命最低的僅4年，最長的則達到了17年，顯示出較大的離散性。由于該類型軸承一般無備件，若發生故障將造成巨大的停機損失，因此對該類型軸承運行狀態的預判就非常重要。通過多年的生產實踐，利用自行開發的軸承游隙測試方法和分析油脂中磨損顆粒的方法[1-2]，同時結合在滾動軸承故障診斷方面的成功經驗[3-4]，準確把握了大型重載鋼包回轉軸承的磨損狀態，取得了良好的應用效果。

1 試驗參數

1.1 技術參數

鋼包回轉軸承外形尺寸為Φ4 620 mm×Φ5 240 mm×325 mm，軸承內、外圈材料為42CrMo，滾子采用高鉻合金鋼材質。

1.2 測試儀器

測試量儀有：內徑千分尺、外徑千分尺、內徑量表、油料光譜儀、雙聯分析式鐵譜儀和鐵譜顯微鏡。

2 試驗方法

2.1 游隙測量方法

對于大型轉盤軸承而言，由于其在承載時各對稱點的游隙變化量不同，因而通過比較滿載與空載時的測量數據，即可計算出各點的游隙值，從而掌握軸承的實際磨損狀況。該測試方法的原理類似于“蹺蹺板”的工作原理。在測量過程中，首先將大包軸承的圓周方向4等分，通常取大包軸承的受鋼包側與對稱點的澆鑄側，以及垂直對稱的90°方向空載運行區點和滿載運行區點作為測點。在軸承旋轉360°過程中,通過測量上述4點對應的塔體基準點高度值進行游隙的計算。

雖然該方法計算出的游隙沒有軸承出廠前測量的數據精確，但軸承在長期使用過程中，如果能通過較為簡便的方法測量出游隙的實際變化量并進行趨勢分析，對于把握軸承的磨損狀態而言仍然是相當有效的。考慮到實際測量點與軸承主承載滾子的滾子組節圓直徑有相對位移，因此在計算軸承實際游隙時應取一系數K，K等于主承載滾子組節圓直徑/測量點直徑，通常K<1。

2.2 潤滑脂中磨粒分析方法

通過潤滑脂中磨粒的定量和定性分析，也可以實現對軸承磨損狀態的趨勢分析。在對潤滑脂的分析過程中，首先根據“相似者相溶”原理，開發出專用溶劑對在用潤滑脂進行預處理，使之成為油狀溶液，然后借助光譜和鐵譜分析儀對其進行分析。通過光譜分析可以測定潤滑脂中所含金屬元素的濃度，根據不同時期金屬元素含量的變化趨勢，可以有效地把握軸承的磨損狀態。再通過鐵譜分析對潤滑脂中所含磨粒的形貌、尺寸、顏色等特征加以分析，進而判斷摩擦副的磨損程度、磨損類型以及磨損的部位。

3 分析與討論

3.1 游隙測量

3.1.1 初始軸承游隙測量

為了解在線回轉軸承(1990年投用)的初始游隙，首先對另外一臺2003年更換上機的同型號軸承進行軸向游隙測量。檢測示意圖見圖1。圖中虛線所示為測量圓周，直徑為5 360 mm，A，B，C，D為4個測點;實線所示為主承載滾子組節圓直徑，直徑為4 900 mm，系數K=4 900/5 360=0.914 179。在空載和滿載兩種狀態下，當鋼包分別處于0°，90°，180°，270°時，依次測出A，B，C，D點的相應數據，然后將空載與滿載狀態下數據相減得到兩者的差值，具體數據見表1。再將對稱位置的差值相減，計算出各測點的最大差值，最后通過系數K的修正即可得到各測點的最大軸向游隙(表2)，游隙計算值=最大測量差值×K。

圖1 游隙測量示意圖

mm

表2 空載和滿載條件下軸向游隙值 mm

從表2可以發現，新品軸承安裝上機后，最小的游隙值為0.99 mm，最大值為1.32 mm，平均值為1.16 mm，這3個數值是最原始的測量數據，是軸承使用維護、磨損情況判斷的原始參數。根據推薦的軸承使用磨損量σ=1.29 mm的極限標準(回轉半徑4 900 mm，主承載滾子Φ60 mm)來判斷，軸承更換的極限游隙最小為0.99+1.29=2.28 mm，最大為1.32+1.29=2.61 mm。

3.1.2 軸承游隙的跟蹤監測

自2002年至2007年，共計對該臺軸承進行了6次跟蹤測試，4個測點中最大值和平均值的變化趨勢見圖2。

由圖2可知，該軸承的軸向游隙自2002年開始有加速增長趨勢，至2007年10月時，軸向游隙的最大值和平均值與同類新品軸承相比分別增大了26%和28%。

圖2 軸承軸向游隙變化趨勢

3.2 磨粒分析

3.2.1 光譜分析結果

由于所有的摩擦副均為鋼質材料，因此用潤滑脂中鐵元素濃度來衡量該軸承的磨損狀態，測試數據變化趨勢見圖3。

圖3 潤滑脂中鐵元素濃度變化趨勢

由圖3可知，從2003年3月至2005年2月，潤滑脂中鐵元素濃度均比較低，且比較穩定，但此后數據急劇上升，至2006年12月時達到最高值，說明軸承出現了嚴重的異常磨損現象，磨損率有加速上升趨勢。異常加劇后，維護人員及時更新了油脂，因此2007年的數值略有下降。

3.2.2 鐵譜分析結果

與前幾次分析相比，2006年12月的潤滑脂中鋼磨粒的數量很多，有大幅增長趨勢，且其中有較多超大尺寸的片狀、塊狀磨粒(圖4、圖5)出現，說明該軸承內部存在嚴重的疲勞剝落現象。此外，從圖4和圖5還可以看出，部分片狀磨粒和塊狀磨粒的表面有因硬質磨粒的碾壓而產生的空洞，據此可推斷出大量鋼質磨粒的存在加劇了軸承異常磨損的發生。

圖4 片狀磨粒 圖5 塊狀磨粒

3.3 診斷結論與建議

綜合以上軸承游隙測量和潤滑脂中磨粒的定性分析可知，該軸承出現了嚴重的異常磨損現象。當油脂中鐵元素濃度超過0.8%以后，即自2006年初開始有加速發展趨勢。因此，建議現場及時準備備件，盡快安排軸承的檢修和更換工作。

3.4 結果驗證

2007年11月對該軸承實施更換，拆檢結果表明，該軸承的外圈滾道上出現了嚴重的疲勞剝落帶。

更換軸承后，又對運行了1個月后的新軸承再次進行了測試。測試結果表明：軸承軸向游隙均在正常范圍內(最大值為1.06 mm，平均值為1.03 mm)，潤滑脂中的鐵元素濃度降到了0.01%以下；鐵譜分析也顯示其中顆粒以小尺寸的正常滑動磨損顆粒為主，表明該鋼包回轉軸承的狀態正常。

4 結束語

通過軸承游隙測量、潤滑脂的光譜和鐵譜分析等多種手段的綜合應用，對鋼包回轉軸承的磨損狀態進行了跟蹤監測，準確預報了軸承存在的故障以及故障的嚴重程度，為精確把握設備狀態，確保設備安全穩定運行，延長設備使用壽命提供了可靠依據。結果表明，在鋼包回轉軸承未達到磨損極限時，軸承的失效形式主要表現為材料的局部疲勞剝落。這種綜合應用的檢測手段為同類設備的狀態監測提供了新的思路和手段。