提高煅燒爐托輪軸承使用壽命的探討

朱建新，王愛民，鄭春海，董志強，郭明亮

(唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305)

1 托輪結構簡介

蒸汽加熱煅燒爐是純堿生產的關鍵設備，煅燒爐爐體及物料的重量全部由4套托輪承受，在連續運轉中，支承托輪運行的軸承承受徑向和軸向較重載荷。圖1為φ3600×30000蒸汽加熱煅燒爐托輪裝配圖，托輪采用轉軸式，軸承采用雙列調心滾子軸承和推力調心滾子軸承的組合形式，通過設計保證雙列調心滾子軸承和推力調心滾子軸承的外圈球面滾道球心同心，以保證可靠的調心性能。壓緊彈簧是保證當托輪軸軸向竄動時，推力調心滾子軸承靜環始終被壓緊在滾子上確保正確的位置，防止滾道偏磨。

2 托輪的檢修及問題發現

根據托輪裝配圖，托輪檢修主要過程簡述如下：托輪外圓經車削修復，熱裝雙列調心滾子軸承于托輪軸上。安裝上下軸承座和，要求雙列調心滾子軸承兩側端面與上下軸承座端面等距。安裝隔環。安裝推力調心滾子軸承。安裝壓蓋，加裝調整墊，緊固螺栓，調緊頂絲壓緊彈簧。檢修后的托輪替換運行的舊托輪即可投入使用。托輪運行周期主要決定于軸承的使用壽命。正常情況下，有的軸承能夠使用6年。但大多數情況下，使用同一公司的產品一般使用1～2年就得更換。在檢修時，常常發現，雙列調心滾子軸承的滾道和滾子磨損嚴重，而推力調心滾子軸承磨損輕微。因此，雙列調心滾子軸承的使用壽命主要決定了托輪的更換周期。

1.下軸承座 2.頂絲 3.彈簧 4.止推墊 5.推力調心滾子軸承 6.壓蓋 7.螺栓 8.調整墊 9.隔環 10.上軸承座 11.雙列調心滾子軸承 12.托輪圖1 蒸汽加熱煅燒爐托輪裝配圖

3 軸承受力分析與壽命計算

3.1 雙列調心滾子軸承理論受力分析與計算

投入運行的托輪安裝如圖1所示，右端靠近爐尾。在滾圈的帶動下，托輪被動運轉，因為煅燒爐爐體傾斜安裝(爐頭高于爐尾)，爐體因重力而產生下滑力，為平衡此力需要調整托輪與爐體軸線歪斜以產生上竄力。因此，托輪要承受徑向和軸向聯合載荷。圖1中設計時，雙列調心滾子軸承承受徑向載荷，推力調心滾子軸承承受軸向載荷。上下軸承座內孔公差為H7，是為了使雙列調心滾子軸承在承受軸向載荷時能夠軸向蠕動從而避免或減少承受軸向力。圖2為按圖1繪制的受力分析圖。在日常頂爐更換托輪時，根據頂爐裝置的液系統上壓力表可以計算出托輪負載，考慮運行時爐內純堿重量和托輪自身重量估算2只托輪承受的總負載為G=2 100 kN。

單只托輪承受徑向負載KR。

式中，φ—托輪支承工位支承角，φ=60°。

單只托輪承受軸向載荷KaR

KaR=μKR

式中，μ—摩擦系數，μ取0.2。

KaR=1 212×0.2=242.4 kN

托輪承受徑向載荷KR，雙列調心滾子軸承1、2由此分別承受徑向力FrT，考慮附加因數fZ，若取fZ=1.2。

FrT=fZKR/2=727.2 kN

托輪承受軸向載荷KaR不但使雙列調心滾子軸承承受軸向力Fa(如果推力調心滾子軸承未能承受軸向力時)，還會產生一傾覆力矩，該力矩作用于雙列調心滾子軸承1、2上的徑向力偶Fra可以由托輪直徑DR=1 400 mm和軸承間距L=1 070 mm計算求出，所以

Fra=158.6 kN

該力偶Fra作為附加力施加于左邊的雙列調心滾子軸承1減輕了徑向載荷，施加于右邊雙列調心滾子軸承2增加了徑向載荷。

圖2 托輪受力分析圖

3.2 雙列調心滾子軸承壽命計算

假設推力調心滾子軸承由于裝配原因沒有承受軸向力，軸向力Fa分別由雙列調心滾子軸承1、2各承擔一半。但托輪軸承受軸向力時，其上過盈配合的雙列調心滾子軸承1、2內圈將力傳遞給滾子、外圈，盡管外圈與上下軸承座為間隙配合，要想軸向蠕動將軸向力傳遞出去，需要先克服外圈與上下軸承座的摩擦力，只有軸向力大于摩擦力時，托輪軸才能帶著雙列調心滾子軸承1、2軸向蠕動。

雙列調心滾子軸承1受徑向力Fr1=FrT-Fra=568.6 kN

雙列調心滾子軸承1受軸向力Fa1=KaR/2=121.2 kN

雙列調心滾子軸承2受徑向力Fr2=FrT+Fra=885.8 kN

雙列調心滾子軸承2受軸向力Fa2=KaR/2=121.2 kN

查某公司的軸承樣本，雙列調心滾子軸承1、2型號為23264CA/W33，其當量動載荷P。

若Fa/Fr≤0.35，P=Fr+1.9Fa

(1)

若Fa/Fr>0.35，P=0.67Fr+2.9Fa

(2)

根據公式(1)、(2)，計算雙列調心滾子軸承1、2的當量動載荷。

P1=816.9 kN

P2=1 116.1 kN

雙列調心滾子軸承所受軸向摩擦力fa=μFr，取μ=0.1。

則fa1=56.9 kN

軸承外圈能軸向蠕動，但實際可能并非如此，因為從拆檢的軸承座內孔看不出外圈移動痕跡。通過測量內孔尺寸，發現軸承座內孔變形，圓柱度超差明顯，局部尺寸減小很多，與軸承外圈形成過盈配合。由此，假設軸承外圈不能蠕動。計算軸承使用壽命。

式中，Lh—軸承使用壽命，h；

C—軸承的額定動載荷，kN，23264CA/W33軸承C=3 850 kN；

n—軸承轉速，r/min，n=14 r/min；

ξ—系數，滾子軸承ξ=10/3。

雙列調心滾子軸承1使用壽命Lh1=208 942 h=23.85年

雙列調心滾子軸承2使用壽命Lh2=73 832 h=8.43年

如果完全由雙列調心滾子軸承2承受軸向力KaR時，其當量動載荷P2=1 346.4 kN

雙列調心滾子軸承2使用壽命Lh2=39 507 h=4.51年

脂潤滑的情況下，有文獻提出允許的連續軸向負荷值計算公式

Ca=[900(kd)2/(n+1 500)-0.023(kd)2.5]×9.8/1 000

式中:Ca—允許軸向負荷，kN；

k—系數，取k=1；

d—軸承公稱內徑，d=320 mm；

n—軸承轉速，n=14 r/min。

Ca=[900(1×320)2/(12+1 500)-0.023(1×320)2.5]×9.8/1 000=183.7 kN

通過上述受力分析和計算，說明在雙列調心滾子軸承不承受和少承受軸向負荷的工況下使用壽命是很長的，但是如果承受較大的軸向力其壽命縮短很多。

4 雙列調心滾子軸承實際工況受力分析

如果托輪在實際運行時，能夠使雙列調心滾子軸承只承受徑向負荷或很少的軸向負荷，在保證軸承質量和潤滑的情況下，軸承長壽命運行是沒問題的。但實際工況并非如此，在托輪檢修拆檢時一般都是軸承2磨損嚴重，與其同一端的推力調心滾子軸承基本沒有磨損，說明軸向力主要由雙列調心滾子軸承承受，所以造成其很快損壞。分析原因如下：將檢修后的的托輪安裝到位后，沒有調整推力調心滾子軸承的軸向預緊力，從而不知其是否承受軸向載荷及其大小。托輪運轉后由于其熱膨脹和調斜軸線產生的軸向力作用到托輪軸上后，在圖1中推力調心滾子軸承14沒有承受軸向載荷工況下，雙列調心滾子軸承承受較大的徑向力和軸向力，當托輪軸將軸向力傳遞給內圈、滾子、外圈時，較大徑向力產生的軸向摩擦力不易使軸承軸向蠕動，因此在軸向和徑向的聯合載荷作用下其使用壽命較短。

5 提高軸承使用壽命的措施

5.1 細化安裝方案

為了提高圖1中雙列調心滾子軸承14的使用壽命，主要是減少其承受軸向載荷。在現有結構不變情況下，采用下述方法：托輪檢修時，在裝配雙列調心滾子軸承14時，要保證壓蓋17壓緊推力調心滾子軸承19的靜環且與上下軸承座13、24端面有2～3 mm間隙，其間隙內安裝調整墊16。檢修后的托輪安裝到煅燒爐時，進一步調整推力調心滾子軸承19的軸向預緊力，其大小與托輪軸所受軸向力相當。采用相應厚度調整墊16和扭矩扳手施力等辦法。此時，壓蓋17、止推墊23、推力調心滾子軸承19軸向被壓緊無間隙，用頂絲21壓緊彈簧20。在調整好推力調心滾子軸承19后調整另一側推力調心滾子軸承5，考慮到托輪軸受熱軸向膨脹，通過選擇相應厚度的調整墊8使壓蓋6與止推墊4有一定間隙，用頂絲2壓緊彈簧3，使推力調心滾子軸承5的靜環與滾子接觸良好。投入運行后，要實時監測各軸承對應位置的溫升情況。如果溫升異常，分析原因并加以解決。

5.2 增加液壓推力調整裝置

1.軸承座 2.螺栓 3.推力調心滾子軸承 4.托輪軸 5.柱塞 6.缸體圖3 液壓推力調整裝置結構簡圖

通過在推力調心滾子軸承兩端加裝液壓推力調整裝置，可實時監測推力調心滾子軸承承受的軸向力并能及時調整，見圖3。將缸體(端蓋與增加的液壓缸缸體制成一體)6通過螺栓2與軸承座1緊固，柱塞5頂住推力調心滾子軸承3的靜環。結合液壓系統圖4說明其原理：關閉單向節流閥3，將手動二位三通換向閥3置于液壓缸4的進油位置，驅動手動液壓泵7，使液壓缸4的柱塞移動即可對推力調心滾子軸承施加推力，讀取壓力表8示值可知推力大小。溢流閥6防止超壓，蓄能器5是彌補液壓系統因微小泄漏所致的壓力損失。壓力傳感器2將參數遠程傳輸至控制室，實時顯示系統壓力。此液壓系統還可以在調整托輪時，通過顯示托輪軸承受的軸向力大小判斷調整效果。

1.手動二位三通換向閥 2.壓力傳感器 3.單向節流閥 4.柱塞缸 5.蓄能器 6.溢流閥 7.手動泵 8.壓力表圖4 液壓系統圖

6 結 語

托輪作為蒸汽加熱煅燒爐的重要組成部件，滾圈與托輪的受力工況是很復雜的，中外同行都做了大量研究。筆者只是作為檢修親歷者根據經驗做了比較膚淺地研究，所敘述的工況比較理性和單一，因此，其計算結果和結論難免偏頗。只是希望引起同行關注這方面的研究，通過創新引領該項技術的進步。