选粉机轴承密封优化设计

胡泽武

选粉机轴承密封优化设计

胡泽武

传统的轴承密封结构对在高浓度粉尘环境下工作的选粉机轴承来说非常不可靠,易而导致轴承内部进入大量的粉尘引起轴承润滑不良,轴承寿命急剧缩短。简单改进收效较低，只有杜绝粉尘进入轴承内部，才能彻底解决问题。文章提出一种新的轴承密封结构，即采用空气密封替代原来的机械迷宫式密封。通过实践，证明新设计彻底杜绝了粉尘进入轴承内部的可能性,确保了轴承的正常使用寿命。

选粉机 轴承密封 空气密封 优化设计

选粉机是工业粉磨系统中的重要设备,其作用是将粉碎后的粒径大小不一的颗粒状和粉状物料,按一定的粒径要求,将细的分选出来,其广泛用于建材行业粉磨水泥生料和熟料、电力行业粉磨燃煤和钢铁行业粉磨高炉矿渣。随着粉磨设备的大型化，其配置的选粉机也随之增大,大型选粉机都带有动力驱动的设备,包含旋转轴承结构。

选粉机的部分轴承装置在磨机内的高浓度粉尘环境中,需要轴承有良好的密封效果。传统的轴承密封结构式为机械迷宫式密封加上旋转轴唇形密封圈,这种双密封结构在高粉尘环境中还是不可靠。从莱歇公司多个项目使用情况看,由于轴承内部进入粉尘而导致轴承润滑不良,轴承寿命只有6到8个月时间, 客户极不满意,较7万小时设计寿命相去甚远。针对这种情况,公司对现有的轴承密封结构进行了设计变更与优化,去掉原机械迷宫式密封,改为空气密封,从选粉机外引入空气，让轴承内部始终有空气吹出，而不让粉尘进入轴承内部。经过对多个项目的实际应用,效果良好,轴承寿命大幅度提高。

1.传统轴承密封设计及轴承失效分析

1.1 选粉机结构组成和轴承工作环境

选粉机由传动装置、轴承装置、壳体、转子、导向叶片组等主要部件构成,其结构见图1。

图1 选粉机结构示意图

选粉机内由单独的外部系统提供一定的风量和压力，将空气和高浓度粉尘的混合物从磨机输送到选粉机内，进行大小不同粒径的分离(A向)，粒径不符合要求的重新回到磨机继续被粉磨(B向)，成品颗粒被输送出选粉机外被收集(C向)。

大型选粉机由于结构设计需要,轴承装置分上轴承装置和下轴承装置，上轴承装置安装在选粉机壳体的外部，其不和选粉机内的粉尘接触,故轴承工作工况尚佳 ,密封设计也较简单。下轴承装置工作工况不同,其工作在选粉机壳体内的高浓度粉尘中，轴承密封功能尤其重要,否则粉尘易进入轴承内部导致轴承损坏。莱歇选粉机内在下轴承装置周围的粉尘颗粒分布在10μm-1000μm之间,其粉尘浓度最大可达900g/m3。

1.2 下轴承装置及密封设计

下轴承装置由轴承座轴承、旋转轴、旋转轴唇形密封圈和机械迷宫式密封结构等主要零件组成（见图2）。因下轴承工作在高浓度粉尘环境中，原设计采用机械迷宫式密封和旋转轴唇形密封圈相组合的密封方式，前者作为隔绝粉尘和轴承的第一道防线,后者为后续彻底密封轴承。

图2 下轴承装置结构图

大型选粉机轴承的润滑因考虑结构简单、可靠和使用维护成本，一般均采用油脂润滑，轴承在工作中其内部空腔填满油脂并根据油脂的消耗通过自动润滑系统定期补充。考虑运作工况，选粉机轴承使用的都是KPF2G-20耐高温油脂，油脂最大工作温度可最达120℃。

1.3 轴承失效分析

在设计选粉机轴承装置和轴承选型时，轴承的理论计算寿命在7万小时以上。但部分项目在设备投入运行后，客户反映选粉机下轴承温度过高甚至达到135℃，已经远超设计运行的极限，而轴承初始运行时间均不超过8个月（6千小时）。经调查，选粉机其他零件运行正常，轴承润滑设备也没有问题，但从这些表面现象来看，轴承已经损坏了。

在将所有损坏的下轴承装置零件拆散检查，发现机械迷宫式密封腔内有大量粉尘堆积，旋转轴唇形密封圈密封面有异常磨损，轴承腔内的油脂有大量粉尘颗粒混杂，轴承零件（如滚动体）内外圈滚道有硬颗粒磨损损伤。这些情况表明，轴承损坏是由于轴承密封不可靠，导致粉尘进入轴承内部油脂而引起轴承异常损坏，通过轴承温度监测装置，也反映了轴承温度异常升高，润滑油不清洁而使轴承滚动体和内外圈滚道过渡磨损，从而使轴承失效。

2.新轴承密封设计及实施

2.1 密封需要解决的问题

从上述描述的轴承损坏情况来看,原轴承密封设计不可靠。理想状态即选粉机壳体内呈负压操作，粉尘不易进入轴承内部，突出密封装置的可靠性。但由于选粉机操作时,受磨机研磨过程等诸多因素影响，其内部气流、气压以及输送的粉尘物料都会产生瞬时的复杂多变性,这种情况下粉尘就会极易进入轴承内部。

新的密封设计就需要让这种被动的可靠性变成主动,做到在任何工况条件下粉尘都不会进入轴承内部,做到轴承密封完全可靠。

2.2 新密封设计方案

2.2.1 轴承润滑设计的改进

如上文1.2条描述，选粉机轴承是采用间隔补充油脂润滑。根据所选用的SKF轴承制造商的要求，油脂补充间隔时间为8小时，理论上每次补充的油脂量按公式[3]:

Gp=0.002·D·B

式中Gp=每次需要补充的油脂量，g

D=轴承外圈直径，mm

B=轴承宽度，mm

上述理论公式计算的油脂量即可满足轴承的润滑要求。但如果简单的考虑到不让粉尘进入轴承内，可缩短补充油脂的间隔时间或增加每次补充油脂的质量，会造成过多的油脂会频繁地从旋转轴唇形密封圈和机械式迷宫密封处溢出，这样亦可将粉尘在其进入轴承内部前已经和多余的油脂一起被排出轴承外了。

上述方案是润滑设计上的改进，需要增加自动供油系统油脂泵的流量，增加泵的运行时间等等。但会带来一个严重的问题，那就是实际消耗的油脂量远大于理论计算需要的油脂量，并且绝大部分油脂是用在排除粉尘而不是用在润滑效果上，经过几个项目的实践，轴承寿命能满足设计要求，轴承温度也能一直稳定在正常范围内，但过多的油脂使用会大大增加客户的生产成本，作为改近方案尚不完善。

2.2.2 空气密封系统设计

完善改进方案需要从机械结构上来彻底解决轴承密封的问题，做到下轴承系统的主动密封，让粉尘在任何情况下都无法进入轴承内。新的轴承密封优化设计抛弃了原机械迷宫式密封采用空气密封,再结合旋转轴唇形密封圈，在整个下轴承装置内构造了一个供密封空气流通的通道，引导空气从轴承装置内部吹出，外部粉尘就无法进入轴承内部（见图3）。

图3 新下轴承装置结构图

2.3 新密封设计实施过程

因密封空气要达到的功能，就需要相对清洁的空气从选粉机外部引入。综合考虑整个选粉机的结构，让外部空气初始从选粉机传动装置引入，再进入选粉机机上轴承装置及转子的轴内，最终从新下轴承装置内吹出，从而完成整个的密封流程（见图4）。

为了给密封空气提供流通通道，上轴承装置的轴设计成空心轴结构，转子的轴原设计即为空心轴结构，这样整个空气的流通通道很容易实现，并确保有足够的空气流量。

图 4 密封空气工作过程示意

建材行业粉磨水泥生料和熟料、钢铁行业粉磨高炉矿渣中大型选粉机应用的场合,磨机及选粉机内均为负压操作，其相对压力在-3500Pa～-9000Pa之间，这样由于和设备外部空气存在显著的压力差，这样大气中的空气会直接从转动装置进入(D向)，利用负压吸入原理，密封空气进入下轴承装置内并最终从其吹出(E向)，下轴承密封口处也始终保持负压状态，这样粉尘就无法进入轴承内，取到可靠的密封效果。

3.新轴承密封设计的使用情况及效果

按照上述描述的新设计方案，在武汉钢铁(集团)公司高炉矿渣粉磨、山东日照钢铁控股集团有限公司高炉矿渣粉磨、青洲水泥(云浮)有限公司生料粉磨等项目上得到了实施，同时在已经运行的轴承异常损坏的老项目上也更换了新设计的下轴承装置，更换上轴承装置的空心轴。

从2013年5月份开始,对所有安装新轴承密封设计的选粉机运行情况进行跟踪调查，至今所有轴承都在稳定状态下运行，轴承的工作温度均在最佳的理论设计范围内。在设备正常停机维护时，拆开下轴承装置检查，发现轴承腔内油脂清洁，滚动体、保持架、内外圈滚道无任何颗粒状磨损，轴承游隙均保持在初始安装状态值。以上检查表明,新的轴承密封设计可靠性可以满足选粉机下轴承在高粉尘污染环境下的工作要求。

新设计确保了轴承运转的可靠性，提高了整个磨机和选粉机运转效率，同时大大减少了客户对设备维护的时间和经济负担。

4.结论

新轴承密封设计是通过原产品在使用过程中频繁出现异常损坏后，经检查分析原因后提出的改进，是对原设计缺陷的变更与优化,通过最终实践，取得了明显的效果。新设计对整个下轴承装置结构做了变更，对选粉机其他零部件只做了少许简单的改变，即很好地达到了空气密封轴承的效果。同时,起密封作用的空气介质要求简单，直接取自设备外的空气，不需要其他额外的辅助设备和工艺处理，不会增加设备使用和维护的成本。

其他相关行业的，在类似高粉尘环境工况下的轴承，可使用和本文描述相同的空气密封结构密封轴承，只需对原设计做简单的优化就可达到理想的轴承密封效果，充分延长轴承使用寿命。

新设计起初是针对设备壳体内为负压操作下状态下提出的，对于正压操作的设备轴承密封来说，如果要借助空气密封的效果，就需要来自设备外密封空气的压力大于设备内含尘空气的压力，即存在密封空气压力差。实践证明，这个压力差大于1000Pa即可，就可取得空气密封的效果，所需一定压力的密封空气可来自生产线上的压缩空气或额外的离心风机，无需过多的设备投入。

略

(作者单位：莱歇研磨机械制造(上海)有限公司)