球磨机主轴承烧瓦问题研究
发布时间：2013-09-11和春梅
（昆明冶金高等专科学校建材学院，云南昆明 650102）
（昆明冶金高等专科学校建材学院，云南昆明 650102）
球磨机是一种大型粉磨设备，广泛地应用于化工、冶金、煤炭、建材等行业。其轴承不仅要支承着整个回转部分的重量，还承受研磨体及物料抛落产生的冲击负荷。球磨机由于其形大体重，主轴承大都采用滑动轴承（巴氏合金衬），轴瓦烧毁是水泥厂常见的重大设备事故。烧瓦事故的发生，不但降低了轴承合金衬的使用寿命，而且直接影响粉磨系统的运转率，影响企业的经济效益。因此，对主轴承烧瓦原因，寻求预防改进的措施是十分必要的。
由流体润滑理论可知：当两摩擦表面被流体层完全隔开，界面之间的摩擦被流体膜内分子之间的内摩擦所取代，摩擦系数显著降低，一般仅为0.001~0.008。对球磨机烧瓦事故分析的结果表明：烧瓦的主要原因在于轴瓦与中空轴间未能实现完全流体润滑，导致轴瓦与中空轴直接接触，摩擦增大，轴瓦温度升高，瓦面合金损伤，甚至熔化。轴瓦与中空轴间要形成完全流体润滑状态主要取决于瓦面与中空轴在运转时的接触状态和润滑情况。
1 中空轴与轴瓦接触状态不良导致烧瓦
磨机运转时中空轴与轴瓦的接触状态是指两表面间载荷分布的均匀程度。接触状态好，载荷均匀分布于瓦面，接触面上作用的应力小；接触状态差，载荷集中于某一局部，使该局部应力增大，影响接触表面油膜的形成，导致过热和烧瓦事故。
1.1 轴瓦瓦背球面与轴承座配合质量差
球磨机主轴承轴瓦外表面做成球形是为了适应中空轴轴颈在筒体弯曲时所产生的偏斜，使轴瓦跟随中空轴的转动作相应的摆动，避免轴颈和轴瓦的“边缘磨损”现象。如果球面瓦与瓦座接触面太大，将妨碍球面瓦灵活转动，中空轴轴颈与瓦面局部接触，使瓦面受力不均，长期这样运行就会出现局部烧瓦。在剖析众多的安装或维修后运行时烧瓦的事故，瓦背与瓦座球面接触面太大，配合面周边间隙小是造成烧瓦的主要原因之一。
为了保证球面瓦与中空轴轴颈良好的接触，使轴瓦在运行过程中能灵活地转动，避免球面瓦卡在瓦座里，要求轴瓦与瓦背间球面接触面尽量减少。但磨机主轴承的轴瓦和底座要承受整个磨机回转体的重量，为提高承载能力，轴瓦球面瓦背与轴承座的接触面不可太小，一般要求轴瓦瓦背受力部位与轴承座接触面积不得＜50%～60%。因此二者接触面大小的选取应兼顾承压面积和球瓦在瓦座中灵活转动两方面的因素。国家建材行业标准规定，轴瓦瓦背与瓦座的接触包角不小于450°，且四周应留有楔形间隙，间隙值取0.1mm～0.2mm。
1.2 中空轴轴肩与轴瓦的轴向间隙量预留不足
磨机运转时要产生很大的热量，筒体受热后要伸长；磨机停转时，筒体的温度要下降，使筒体缩短。因此在设计磨机时必须考虑筒体的热胀冷缩问题。这个问题是通过在中空轴轴颈的轴肩与轴瓦两侧面间预留间隙来解决的。在磨机安装时，中空轴内端热膨胀间隙预留不足，会使磨机承载后随着运转时间的增加，筒体热膨胀量不断增大，导致中空轴轴肩端面与轴瓦端面间圆角弧线接触，轴肩推动轴瓦向外移动，造成瓦面受力不均，局部应力增大，油膜难以形成，若发现不及时引发烧瓦事故的发生。
在安装新磨机时，应严格按照图纸要求预留热膨胀间隙值，并充分考虑磨机负载、入磨物料温度变化的影响。对在使用中的磨机，若发现预留间隙值过小引发轴瓦过热，可将轴瓦端面靠筒体侧倒角加大，以防中空轴轴肩端面与轴瓦端面间倒角的弧线在筒体受热膨胀后相碰，同时考虑其他降温措施，达到减少磨体热膨胀量，降低主轴瓦过热烧毁的目的。
1.3 主轴承底盘安装不当
主轴承底盘安装不当一方面是由于安装时两个主轴承底盘中心距偏差较大或标高不一致，使中空轴与轴瓦不能均匀接触；另一方面在磨机筒体及研磨体自重作用下，底盘和基础有可能下沉，引起球面调心不灵而烧瓦。
安装主轴承时，首先要对两个主轴承底盘中心距和标高进行测量找正，中心距偏差应＜±2mm，两轴承座中心相对标高偏差要＜0.5mm。同时在调整底盘时，要考虑底盘基础受磨机重力作用下沉的因素，应使底盘中部向上凸起0.1mm～0.2mm，在磨机重力作用下自然恢复平整。
2 中空轴与轴瓦润滑不良导致烧瓦
2.1 润滑系统故障
要保证中空轴与轴瓦间形成压力油膜，必须供给充足的润滑油。供油不足或中断，都会影响油膜的形成，导致中空轴颈与轴瓦金属间的直接接触，摩擦加剧，引起轴瓦过热甚至发生烧瓦故障。
球磨机主轴承润滑系统的故障原因主要有以下两项：
（1）油滤清器或进油管道被杂物堵塞或齿轮油泵的零部件损坏后，其备用系统不能及时启动运行，导致润滑油在进油管中的循环量减少或中断，影响油膜的形成。
（2）轴瓦高温报警装置失灵或继电保护功能设计不合理，润滑系统发生故障时不能及时显示温度的异常变化并采取有效措施，以至轴瓦烧毁。另外轴瓦温度监控报警装置的测温点距轴承合金衬位置不恰当，安装在轴瓦合金层下方的铸铁件内，其测试的温度不能准确反映中空轴颈与轴瓦之间的真实温度，如：当温度已上升至轴瓦上限温度60℃，温度计测试的温度可能只是45℃，这样就起不到对烧瓦温度的监控作用。
为保证润滑系统正常运转，达到预防主轴承烧瓦故障的发生，应采用先进的在线动态监测手段。主轴承烧瓦故障的发生都是以温度升高为先兆的，因此要特别注意对主轴承温度的监测，可通过灵敏的温度传感器监测主轴承温度变化。为使测试的温度准确反映中空轴与轴瓦的真实温度，测温点应放在承载区的轴承合金内，而不是合金下面的铸铁件内。有资料表明，测温点改变后，当主轴承的温度升高到报警温度时，停磨检查，未发现烧瓦现象的发生。另外，对润滑系统的油量、油压等也要进行监测。
2.2 中空轴颈与轴瓦的侧隙值不符合要求
流体动压润滑理论表明，压力油膜的形成必须要有楔形间隙。为了使轴承得到良好的润滑，减少摩擦，延长寿命，轴瓦与中空轴轴颈间的配合侧隙必须具有合适的数值。侧隙过大会出现漏油与振动，油楔压力降低，油膜难以形成，轴承与轴颈相互摩擦而发热，烧坏轴瓦和轴。而过小的侧隙，会使油楔尺寸减少，润滑油不能顺利进入接触区，导致散热困难，输油量减少，轴瓦发热。
球磨机中空轴与轴瓦间合适的配合侧隙是实现流体动压润滑的关键。实践证明，轴瓦的侧间隙稍大一些较好，配合侧隙可参考表1选取。
由流体润滑理论可知：当两摩擦表面被流体层完全隔开，界面之间的摩擦被流体膜内分子之间的内摩擦所取代，摩擦系数显著降低，一般仅为0.001~0.008。对球磨机烧瓦事故分析的结果表明：烧瓦的主要原因在于轴瓦与中空轴间未能实现完全流体润滑，导致轴瓦与中空轴直接接触，摩擦增大，轴瓦温度升高，瓦面合金损伤，甚至熔化。轴瓦与中空轴间要形成完全流体润滑状态主要取决于瓦面与中空轴在运转时的接触状态和润滑情况。
1 中空轴与轴瓦接触状态不良导致烧瓦
磨机运转时中空轴与轴瓦的接触状态是指两表面间载荷分布的均匀程度。接触状态好，载荷均匀分布于瓦面，接触面上作用的应力小；接触状态差，载荷集中于某一局部，使该局部应力增大，影响接触表面油膜的形成，导致过热和烧瓦事故。
1.1 轴瓦瓦背球面与轴承座配合质量差
球磨机主轴承轴瓦外表面做成球形是为了适应中空轴轴颈在筒体弯曲时所产生的偏斜，使轴瓦跟随中空轴的转动作相应的摆动，避免轴颈和轴瓦的“边缘磨损”现象。如果球面瓦与瓦座接触面太大，将妨碍球面瓦灵活转动，中空轴轴颈与瓦面局部接触，使瓦面受力不均，长期这样运行就会出现局部烧瓦。在剖析众多的安装或维修后运行时烧瓦的事故，瓦背与瓦座球面接触面太大，配合面周边间隙小是造成烧瓦的主要原因之一。
为了保证球面瓦与中空轴轴颈良好的接触，使轴瓦在运行过程中能灵活地转动，避免球面瓦卡在瓦座里，要求轴瓦与瓦背间球面接触面尽量减少。但磨机主轴承的轴瓦和底座要承受整个磨机回转体的重量，为提高承载能力，轴瓦球面瓦背与轴承座的接触面不可太小，一般要求轴瓦瓦背受力部位与轴承座接触面积不得＜50%～60%。因此二者接触面大小的选取应兼顾承压面积和球瓦在瓦座中灵活转动两方面的因素。国家建材行业标准规定，轴瓦瓦背与瓦座的接触包角不小于450°，且四周应留有楔形间隙，间隙值取0.1mm～0.2mm。
1.2 中空轴轴肩与轴瓦的轴向间隙量预留不足
磨机运转时要产生很大的热量，筒体受热后要伸长；磨机停转时，筒体的温度要下降，使筒体缩短。因此在设计磨机时必须考虑筒体的热胀冷缩问题。这个问题是通过在中空轴轴颈的轴肩与轴瓦两侧面间预留间隙来解决的。在磨机安装时，中空轴内端热膨胀间隙预留不足，会使磨机承载后随着运转时间的增加，筒体热膨胀量不断增大，导致中空轴轴肩端面与轴瓦端面间圆角弧线接触，轴肩推动轴瓦向外移动，造成瓦面受力不均，局部应力增大，油膜难以形成，若发现不及时引发烧瓦事故的发生。
在安装新磨机时，应严格按照图纸要求预留热膨胀间隙值，并充分考虑磨机负载、入磨物料温度变化的影响。对在使用中的磨机，若发现预留间隙值过小引发轴瓦过热，可将轴瓦端面靠筒体侧倒角加大，以防中空轴轴肩端面与轴瓦端面间倒角的弧线在筒体受热膨胀后相碰，同时考虑其他降温措施，达到减少磨体热膨胀量，降低主轴瓦过热烧毁的目的。
1.3 主轴承底盘安装不当
主轴承底盘安装不当一方面是由于安装时两个主轴承底盘中心距偏差较大或标高不一致，使中空轴与轴瓦不能均匀接触；另一方面在磨机筒体及研磨体自重作用下，底盘和基础有可能下沉，引起球面调心不灵而烧瓦。
安装主轴承时，首先要对两个主轴承底盘中心距和标高进行测量找正，中心距偏差应＜±2mm，两轴承座中心相对标高偏差要＜0.5mm。同时在调整底盘时，要考虑底盘基础受磨机重力作用下沉的因素，应使底盘中部向上凸起0.1mm～0.2mm，在磨机重力作用下自然恢复平整。
2 中空轴与轴瓦润滑不良导致烧瓦
2.1 润滑系统故障
要保证中空轴与轴瓦间形成压力油膜，必须供给充足的润滑油。供油不足或中断，都会影响油膜的形成，导致中空轴颈与轴瓦金属间的直接接触，摩擦加剧，引起轴瓦过热甚至发生烧瓦故障。
球磨机主轴承润滑系统的故障原因主要有以下两项：
（1）油滤清器或进油管道被杂物堵塞或齿轮油泵的零部件损坏后，其备用系统不能及时启动运行，导致润滑油在进油管中的循环量减少或中断，影响油膜的形成。
（2）轴瓦高温报警装置失灵或继电保护功能设计不合理，润滑系统发生故障时不能及时显示温度的异常变化并采取有效措施，以至轴瓦烧毁。另外轴瓦温度监控报警装置的测温点距轴承合金衬位置不恰当，安装在轴瓦合金层下方的铸铁件内，其测试的温度不能准确反映中空轴颈与轴瓦之间的真实温度，如：当温度已上升至轴瓦上限温度60℃，温度计测试的温度可能只是45℃，这样就起不到对烧瓦温度的监控作用。
为保证润滑系统正常运转，达到预防主轴承烧瓦故障的发生，应采用先进的在线动态监测手段。主轴承烧瓦故障的发生都是以温度升高为先兆的，因此要特别注意对主轴承温度的监测，可通过灵敏的温度传感器监测主轴承温度变化。为使测试的温度准确反映中空轴与轴瓦的真实温度，测温点应放在承载区的轴承合金内，而不是合金下面的铸铁件内。有资料表明，测温点改变后，当主轴承的温度升高到报警温度时，停磨检查，未发现烧瓦现象的发生。另外，对润滑系统的油量、油压等也要进行监测。
2.2 中空轴颈与轴瓦的侧隙值不符合要求
流体动压润滑理论表明，压力油膜的形成必须要有楔形间隙。为了使轴承得到良好的润滑，减少摩擦，延长寿命，轴瓦与中空轴轴颈间的配合侧隙必须具有合适的数值。侧隙过大会出现漏油与振动，油楔压力降低，油膜难以形成，轴承与轴颈相互摩擦而发热，烧坏轴瓦和轴。而过小的侧隙，会使油楔尺寸减少，润滑油不能顺利进入接触区，导致散热困难，输油量减少，轴瓦发热。
球磨机中空轴与轴瓦间合适的配合侧隙是实现流体动压润滑的关键。实践证明，轴瓦的侧间隙稍大一些较好，配合侧隙可参考表1选取。
配合侧隙必须形成比较规范的楔形侧隙，它有助于油的导入，而近似于等厚或阶梯状的侧隙都不利于油的导入。几乎等厚的大侧隙有使油往两侧瓦边倾泻的趋向，不利于油膜的形成。另外侧间隙轴瓦的接触区与非接触区之间不允许有棱角，应使其平滑过渡，测间隙沿全长应相等。
3 结语
为预防球磨机主轴承烧瓦事故的发生，生产巡检及设备维修管理人员应全面掌握磨机轴瓦发热的原因，在实践中不断积累经验，提高对轴瓦发热原因的综合分析判断能力，一旦出现轴瓦发热现象应能及时采取正确、有效的措施，将轴瓦温度降到正常温度范围，使轴颈与球面瓦间形成较好的油膜。
参考文献：
[1]朱目成,张强.对球磨机主轴承烧轴瓦的原因及改进方法的探讨[J].西南工学院学报,2001.(6).
[2]石常军.水泥设备维修常见疑难问题与对策[M].北京:中国建材工业出版社.2000.
3 结语
为预防球磨机主轴承烧瓦事故的发生，生产巡检及设备维修管理人员应全面掌握磨机轴瓦发热的原因，在实践中不断积累经验，提高对轴瓦发热原因的综合分析判断能力，一旦出现轴瓦发热现象应能及时采取正确、有效的措施，将轴瓦温度降到正常温度范围，使轴颈与球面瓦间形成较好的油膜。
参考文献：
[1]朱目成,张强.对球磨机主轴承烧轴瓦的原因及改进方法的探讨[J].西南工学院学报,2001.(6).
[2]石常军.水泥设备维修常见疑难问题与对策[M].北京:中国建材工业出版社.2000.
来源：《中国水泥》2011.2