立式水力碎浆机用减速机轴承失效分析

邢磊 曹俊 潘金成 刘新资 孙承跃

摘要：立式水力碎浆机是一种常用的碎浆设备，针对立式水力碎浆机减速机中轴上端轴承的失效问题，在对其应用工况与检测数据分析的基础上，通过分析可知，出现失效的主要原因有疲劳剥落与杂质进入到润滑油导致的磨损失效和腐蚀失效。在明确了失效原因的基础上，针对具体原因制定出了解决的方案，主要方法有：安装时注意轴承与端盖间的轴向间隙和径向间隙、安装与运输过程中防止轴承受到冲击、注意随时检测润滑油的水含量。通过这些方法有助于解决轴承的失效问题，增强减速机运行的平稳性和高效性。

Abstract： Vertical hydraulic pulper is a commonly used pulping equipment. Aiming at the failure of the upper end bearing of the shaft of the reducer of the vertical hydraulic pulper， based on the analysis of its application conditions and test data， through analysis It can be seen that the main reasons for the failure are wear failure and corrosion failure caused by fatigue peeling and impurities entering the lubricating oil. On the basis of clarifying the cause of the failure， a solution was developed for the specific reason. The main methods are： pay attention to the axial and radial gaps between the bearing and the end cover during installation， prevent the bearing from being impacted during installation and transportation， Pay attention to checking the water content of lubricating oil at any time. These methods help to solve the problem of bearing failure and enhance the smoothness and efficiency of the reducer.

关键词：碎浆机;减速机;轴承;失效原因;解决方案

Key words： pulper;reducer;bearing;failure reason;solution

中图分类号：TS732                                       文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）14-0143-02

0  引言

立式水力碎浆机是传统的常用的碎浆设备，其碎浆作用主要是由于转子的机械作用和转子回转时所引起的水力剪切作用，用于碎解浆板、损纸、废纸等。立式水力碎浆机用减速机运行12个月后，减速机中轴上端盖附近振动检测异常，拆开后发现中轴上端轴承内圈滚道有剥落。根据应用工况和结构分析，找到失效原因，避免以后出现类似的问题。

1  立式碎浆机用减速机应用工况和检测数据

立式水力碎浆机用减速机应用环境潮湿，立式水力碎浆机经常会产生漏浆和漏水现象[1]。现场减速机24小时运转，配有压力润滑系统和检测系统。减速机采用立式直交两级传动，齿轮箱结构如图1所示。减速机中轴上的轴承配置包括四点角接触球轴承一件和调心轴承两件。四点角接触球轴承安装在中轴上端，轴承外圈通过端盖和挡圈固定，轴承内圈通過压板和隔套固定。隔套分隔四点角接触球轴承下侧内圈和调心轴承内圈。两件调心轴承在此结构中主要承受径向载荷，调心轴承外圈轴向放开。四点角接触球轴承主要承受轴向力，轴承外圈径向放开。减速机驱动电机功率为1000kW，输入转速为1500r/min，中轴的轴承转速为596r/min。减速机的承载能力完全满足使用要求，轴承理论使用寿命符合设计要求。中轴的轴承润滑方式为喷油润滑，计算所需油量，满足设计要求。测量中轴上端盖附近的运行温度为50-60℃，没有超过规定值，未发现温度异常变化。采用测声器对运转轴承的滚动声的大小及音质进行检测，初步分辨故障类型。转速不变，噪声频率不变;转速降低，周期变长。这种连续不断的噪声可能是滚道有伤。

使用动态信号分析仪对临界工作状态的机械进行监测，因为动态信号分析仪的高分辨率和动态范围能显示出得成分为较高振平幅度的千分之一。将振动传感器吸附安装在减速机中轴上端盖附近，获取振动信号，然后通过计算机程序进行信号分析，计算所需要的频率，并给出轴承相应的参数和转速，以判断轴承是否存在故障。滚动轴承磨损后产生的振动同正常轴承产生的振动具有相同的性质，但磨损轴承的振幅明显比正常轴承的高。因此，只要将传感器获得的振动信号加以比较，就可判断出滚动轴承是否存在磨损类故障。现场测量齿轮箱的振动值1.3mm/s，中轴上端轴承运行寿命明显低于同类应用。

2  故障原因分析

轴承失效的表现形式主要有以下几种，即接触疲劳失效、磨损失效、塑性变形和游隙变化失效、断裂失效、腐蚀失效等[2]。采用先进的诊断方法对其进行诊断，快速查找失效特征并发现失效原因。

拆卸后发现四点角接触球轴承内圈有损伤，内圈下侧滚道有一处剥落。损坏轴承装在中轴上端，承载中轴的轴向力。轴承上侧端盖处的垫片和定位销有损伤，如图2所示，表明此轴可能受到强烈的冲击，致使轴承受到大的冲击，造成轴承出现局部应力集中的现象，随着轴承的旋转，载荷的反复作用，会出现表面下疲劳，随后即出现小块剥落，剥落的小块会逐步扩展成较大的剥落区，剥落的碎片又会加剧轴承的進一步剥落，并使滚道上出现麻点和明显凹坑。轴承内圈下侧滚道出现剥落，表明轴承受到大的轴向力，额外的轴向力来自于轴的轴向膨胀。当应力的循环次数达到了一定的数量之后，就会在滚动体或者是内外圈滚道的工作面上造成疲劳剥落。如果轴承所承受的负荷过大，还会让这种疲劳加剧。轴承滚道的疲劳剥落会降低轴的运转精度，产生振动。

图3内圈上侧滚道（近端盖）的轻微麻点痕迹表明有杂质进入润滑油。从拆开的箱体来看，齿轮箱内部较脏，容易有杂质异物进入到轴承内部，导致油膜难以形成，致使轴承寿命降低。当颗粒异物或者是磨屑进入到了轴承内部，就会让轴承磨损失效;如果轴承接触部位有不正常的突起或者是软异物，就会让轴承接触面出现受力不均的情况，进而导致局部过热，如果过热情况严重就会导致焊合现象，导致黏着磨损失效[3]。

检测发现润滑油的水分含量较高，造成轴承内圈滚道有轻微锈迹。在轴承油中水的质量分数为1%时就能使轴承寿命减少达90%[4]。

3  解决方案

①安装时注意轴承与端盖间的轴向间隙和径向间隙。考虑到轴的热胀，轴承与端盖轴向留出一定的间隙，避免轴承压死。而轴向间隙的具体数值由应用工况（载荷、速度、设计参数）和期望得到的工作状态（最大的寿命、最好的刚度、低的热量产生、维护的便利等等）决定。四点角接触球轴承可以承受径向负荷和双向轴向负荷，当轴承承受不同方向的轴向负荷时，作用在滚动体上的受力点也不同。也就是说当承受一个方向的轴向负荷时，有上下两个受力点，当承受另一个方向的轴向负荷时，有不同于先前两个受力点的两个受力点。四点角接触球轴承在此应用中主要用于承受轴向负荷，更作为推力轴承使用，因此外圈与端盖之间需要有一定的间隙，避免轴承承受不必要的径向负荷。而且四点角接触球轴承的外圈定位槽用销子与端盖固定，防止轴承外圈转动。

②安装或者运行过程中小心操作，防止轴承受到冲击。安装轴承时应受力均匀，不能直接锤击。轴承安装不正，也会产生轴承失效。如配合过盈较大，应将轴承置于自动控温的空气加热炉支架上，空气在轴承周围可自由流动，一般情况下，轴承温度高于轴80-90℃已足够进行安装。立式碎浆机运行过程中，浆包掉入碎浆机直接砸在碎浆机的转子上造成强烈冲击，对减速机的轴承运行产生致命影响。部分浆包进入碎浆机前，虽然已经去除了铁丝捆绑，但是木浆板在浆包皮的包裹下，仍以整包的形式被链板输送机输送到碎浆机内。从链板输送机上掉落到碎浆机内，浆包直接砸到碎浆机的转子上，对转子连接的减速机等附属设备造成强烈冲击。不平衡的冲击力直接传递到轴承上，造成轴承过早失效。

③使用过程中及时清理齿轮箱外侧的杂质，防止杂质进入箱体。最常见的杂质影响是润滑油内杂质和环境杂质进入到轴承内，如果杂质颗粒的直径超过了油膜的厚度，就会破坏油膜，进而形成拉伤，导致轴承出现损伤或者是早期失效。如果杂质的直径比较大，杂质就会直接对轴承回转体带来破坏。如果杂质的直径比轴承最小工作间隙要小，那么杂质就能够通过间隙伴随着润滑油进行搅动，导致滚动体工作面出现摩擦，如果杂质的直径比轴承工作间隙要大，杂质被压碎或被碾成薄尘埃粘附在轴承表面或嵌入其中。而被压碎的杂质碎屑若不嵌入工作表面，而进入到润滑油中，会更加剧轴承磨损。从而使轴承发生疲劳剥落。因此在日常使用中要严格控制外部杂质进入减速机。

④注意检测润滑油的水含量，保证润滑油中水含量低于0.01%，以防止影响油品质量，进而影响轴承寿命。水对轴承的危害主要体现在两方面：直接损害金属表面，同时还会破坏润滑油和润滑脂，其中后者会间接的导致轴承损坏。水分还会对金属表面造成锈蚀，对于润滑油与润滑脂来讲，水分会让油中的基础油出现氧化，最终变质，而氧化产物再和水进行接触，进一步产生酸性物质，而酸性物质会腐蚀金属。另外，水引起油氧化变质，生成油泥，影响油的黏度和正常流动性。润滑油含水后，在轴承部位形成的油膜变薄，油膜承压能力下降，摩擦力增大[5]。因此整个问题的开始只是少量的水，引起连锁效应，最后累积成大危害。

4  结束语

综上所述，立式水力碎浆机用减速机的中轴轴承主要出现了接触疲劳失效和磨损失效，表现为轴承下侧内圈滚道剥落和凹坑。通过控制安装时的轴承间隙，防止运行时的冲击载荷，防止杂质和水分的侵入，从而避免出现类似的失效情况。

参考文献：

[1]朱志军.水力碎浆机密封的改进[J].纸和造纸，2010.

[2]任庆春.机械轴承和齿轮的失效原因及应对措施[J].当代化工研究，2020.

[3]那亚莉.机械轴承和齿轮的失效原因及解决方案[J].内燃机与配件，2019.

[4]王宝贵.冷却塔减速机轴承的防水设计[J].化工生产与技术，2013.

[5]王博，李帅，马利华.润滑油进水对滚动轴承寿命的影响[J].工程技术，2016.