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潤滑油膜分布不均勻、軸頸與軸瓦干摩擦、發熱等問題，造成設備無法正常運行。現以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的潤滑問題進行分析及解決。

1 潤滑油膜的形成與監測

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，使軸頸抬起，從而形成油膜潤滑。

在低速重載條件下，要使潤滑油形成滿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是一個經驗數據，主要根據設備規程和運行參數監測決定，設備監測參數主要有軸承溫度、主電動機電流、軸承振動參數、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，以提高軸承的穩定性[3]。軸承間隙不當會引起軸承發熱，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 油膜的監測

在工程實際應用上，對軸承潤滑系統的監測可采用油液監測技術。主要監測油膜厚度分布、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, 油膜的監測設備要求操作簡單，易于安裝和移動，價格不高，讀數直觀。在運用設備監測油膜的同時，結合軸承的經驗數據來判斷軸承潤滑的狀況。通常通過監測運行參數，實時監控軸承間隙，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)監測軸承溫度變化。磨合期后，溫度應達到正常穩定值(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測軸承間隙，結合經驗數據進行故障診斷。

(4)監測軸承振動。采用測振儀監測軸承的振動，根據振幅、頻率結合設備正常運行的經驗參數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

軸承發生潤滑故障，運行參數將會出現異常，必須通過檢測、參數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檢測中，發現主電動機電流波動幅度增大異常，軸承溫度升高，振動加大。用測振儀檢測發現，同一側有2個軸承座的振幅達到320～400 μm(正常在90 μm以下)。拆卸軸承檢查發現，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，檢查濾油器發現濾油網已壞，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，檢查發現主電動機電流、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，實時監測并記錄軸承運行中的間隙，發現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，經檢查發現，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的環形油槽，如圖3所示。

圖3 改造后鋁熱軋機軸瓦油槽簡圖

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

2.3 軸承冷卻系統的改造

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

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監測、軸承間隙實時監控、潤滑油分布直觀檢查、軸承振動測量等方法監測油膜潤滑狀況。軸承裝配缺陷、尺寸誤差及冷卻系統問題等均會導致軸承潤滑故障，必須通過檢測、參數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。