選粉機(jī)軸承密封優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡澤武

選粉機(jī)軸承密封優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡澤武

傳統(tǒng)的軸承密封結(jié)構(gòu)對在高濃度粉塵環(huán)境下工作的選粉機(jī)軸承來說非常不可靠,易而導(dǎo)致軸承內(nèi)部進(jìn)入大量的粉塵引起軸承潤滑不良,軸承壽命急劇縮短。簡單改進(jìn)收效較低，只有杜絕粉塵進(jìn)入軸承內(nèi)部，才能徹底解決問題。文章提出一種新的軸承密封結(jié)構(gòu)，即采用空氣密封替代原來的機(jī)械迷宮式密封。通過實(shí)踐，證明新設(shè)計(jì)徹底杜絕了粉塵進(jìn)入軸承內(nèi)部的可能性,確保了軸承的正常使用壽命。

選粉機(jī) 軸承密封 空氣密封 優(yōu)化設(shè)計(jì)

選粉機(jī)是工業(yè)粉磨系統(tǒng)中的重要設(shè)備,其作用是將粉碎后的粒徑大小不一的顆粒狀和粉狀物料,按一定的粒徑要求,將細(xì)的分選出來,其廣泛用于建材行業(yè)粉磨水泥生料和熟料、電力行業(yè)粉磨燃煤和鋼鐵行業(yè)粉磨高爐礦渣。隨著粉磨設(shè)備的大型化，其配置的選粉機(jī)也隨之增大,大型選粉機(jī)都帶有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的設(shè)備,包含旋轉(zhuǎn)軸承結(jié)構(gòu)。

選粉機(jī)的部分軸承裝置在磨機(jī)內(nèi)的高濃度粉塵環(huán)境中,需要軸承有良好的密封效果。傳統(tǒng)的軸承密封結(jié)構(gòu)式為機(jī)械迷宮式密封加上旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈,這種雙密封結(jié)構(gòu)在高粉塵環(huán)境中還是不可靠。從萊歇公司多個(gè)項(xiàng)目使用情況看,由于軸承內(nèi)部進(jìn)入粉塵而導(dǎo)致軸承潤滑不良,軸承壽命只有6到8個(gè)月時(shí)間, 客戶極不滿意,較7萬小時(shí)設(shè)計(jì)壽命相去甚遠(yuǎn)。針對這種情況,公司對現(xiàn)有的軸承密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)變更與優(yōu)化,去掉原機(jī)械迷宮式密封,改為空氣密封,從選粉機(jī)外引入空氣，讓軸承內(nèi)部始終有空氣吹出，而不讓粉塵進(jìn)入軸承內(nèi)部。經(jīng)過對多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用,效果良好,軸承壽命大幅度提高。

1.傳統(tǒng)軸承密封設(shè)計(jì)及軸承失效分析

1.1 選粉機(jī)結(jié)構(gòu)組成和軸承工作環(huán)境

選粉機(jī)由傳動(dòng)裝置、軸承裝置、殼體、轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向葉片組等主要部件構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 選粉機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

選粉機(jī)內(nèi)由單獨(dú)的外部系統(tǒng)提供一定的風(fēng)量和壓力，將空氣和高濃度粉塵的混合物從磨機(jī)輸送到選粉機(jī)內(nèi)，進(jìn)行大小不同粒徑的分離(A向)，粒徑不符合要求的重新回到磨機(jī)繼續(xù)被粉磨(B向)，成品顆粒被輸送出選粉機(jī)外被收集(C向)。

大型選粉機(jī)由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要,軸承裝置分上軸承裝置和下軸承裝置，上軸承裝置安裝在選粉機(jī)殼體的外部，其不和選粉機(jī)內(nèi)的粉塵接觸,故軸承工作工況尚佳 ,密封設(shè)計(jì)也較簡單。下軸承裝置工作工況不同,其工作在選粉機(jī)殼體內(nèi)的高濃度粉塵中，軸承密封功能尤其重要,否則粉塵易進(jìn)入軸承內(nèi)部導(dǎo)致軸承損壞。萊歇選粉機(jī)內(nèi)在下軸承裝置周圍的粉塵顆粒分布在10μm-1000μm之間,其粉塵濃度最大可達(dá)900g/m3。

1.2 下軸承裝置及密封設(shè)計(jì)

下軸承裝置由軸承座軸承、旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈和機(jī)械迷宮式密封結(jié)構(gòu)等主要零件組成（見圖2）。因下軸承工作在高濃度粉塵環(huán)境中，原設(shè)計(jì)采用機(jī)械迷宮式密封和旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈相組合的密封方式，前者作為隔絕粉塵和軸承的第一道防線,后者為后續(xù)徹底密封軸承。

圖2 下軸承裝置結(jié)構(gòu)圖

大型選粉機(jī)軸承的潤滑因考慮結(jié)構(gòu)簡單、可靠和使用維護(hù)成本，一般均采用油脂潤滑，軸承在工作中其內(nèi)部空腔填滿油脂并根據(jù)油脂的消耗通過自動(dòng)潤滑系統(tǒng)定期補(bǔ)充?？紤]運(yùn)作工況，選粉機(jī)軸承使用的都是KPF2G-20耐高溫油脂，油脂最大工作溫度可最達(dá)120℃。

1.3 軸承失效分析

在設(shè)計(jì)選粉機(jī)軸承裝置和軸承選型時(shí)，軸承的理論計(jì)算壽命在7萬小時(shí)以上。但部分項(xiàng)目在設(shè)備投入運(yùn)行后，客戶反映選粉機(jī)下軸承溫度過高甚至達(dá)到135℃，已經(jīng)遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)運(yùn)行的極限，而軸承初始運(yùn)行時(shí)間均不超過8個(gè)月（6千小時(shí)）。經(jīng)調(diào)查，選粉機(jī)其他零件運(yùn)行正常，軸承潤滑設(shè)備也沒有問題，但從這些表面現(xiàn)象來看，軸承已經(jīng)損壞了。

在將所有損壞的下軸承裝置零件拆散檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)械迷宮式密封腔內(nèi)有大量粉塵堆積，旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈密封面有異常磨損，軸承腔內(nèi)的油脂有大量粉塵顆?；祀s，軸承零件（如滾動(dòng)體）內(nèi)外圈滾道有硬顆粒磨損損傷。這些情況表明，軸承損壞是由于軸承密封不可靠，導(dǎo)致粉塵進(jìn)入軸承內(nèi)部油脂而引起軸承異常損壞，通過軸承溫度監(jiān)測裝置，也反映了軸承溫度異常升高，潤滑油不清潔而使軸承滾動(dòng)體和內(nèi)外圈滾道過渡磨損，從而使軸承失效。

2.新軸承密封設(shè)計(jì)及實(shí)施

2.1 密封需要解決的問題

從上述描述的軸承損壞情況來看,原軸承密封設(shè)計(jì)不可靠。理想狀態(tài)即選粉機(jī)殼體內(nèi)呈負(fù)壓操作，粉塵不易進(jìn)入軸承內(nèi)部，突出密封裝置的可靠性。但由于選粉機(jī)操作時(shí),受磨機(jī)研磨過程等諸多因素影響，其內(nèi)部氣流、氣壓以及輸送的粉塵物料都會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的復(fù)雜多變性,這種情況下粉塵就會(huì)極易進(jìn)入軸承內(nèi)部。

新的密封設(shè)計(jì)就需要讓這種被動(dòng)的可靠性變成主動(dòng),做到在任何工況條件下粉塵都不會(huì)進(jìn)入軸承內(nèi)部,做到軸承密封完全可靠。

2.2 新密封設(shè)計(jì)方案

2.2.1 軸承潤滑設(shè)計(jì)的改進(jìn)

如上文1.2條描述，選粉機(jī)軸承是采用間隔補(bǔ)充油脂潤滑。根據(jù)所選用的SKF軸承制造商的要求，油脂補(bǔ)充間隔時(shí)間為8小時(shí)，理論上每次補(bǔ)充的油脂量按公式[3]:

Gp=0.002·D·B

式中Gp=每次需要補(bǔ)充的油脂量，g

D=軸承外圈直徑，mm

B=軸承寬度，mm

上述理論公式計(jì)算的油脂量即可滿足軸承的潤滑要求。但如果簡單的考慮到不讓粉塵進(jìn)入軸承內(nèi)，可縮短補(bǔ)充油脂的間隔時(shí)間或增加每次補(bǔ)充油脂的質(zhì)量，會(huì)造成過多的油脂會(huì)頻繁地從旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈和機(jī)械式迷宮密封處溢出，這樣亦可將粉塵在其進(jìn)入軸承內(nèi)部前已經(jīng)和多余的油脂一起被排出軸承外了。

上述方案是潤滑設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，需要增加自動(dòng)供油系統(tǒng)油脂泵的流量，增加泵的運(yùn)行時(shí)間等等。但會(huì)帶來一個(gè)嚴(yán)重的問題，那就是實(shí)際消耗的油脂量遠(yuǎn)大于理論計(jì)算需要的油脂量，并且絕大部分油脂是用在排除粉塵而不是用在潤滑效果上，經(jīng)過幾個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐，軸承壽命能滿足設(shè)計(jì)要求，軸承溫度也能一直穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)，但過多的油脂使用會(huì)大大增加客戶的生產(chǎn)成本，作為改近方案尚不完善。

2.2.2 空氣密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

完善改進(jìn)方案需要從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來徹底解決軸承密封的問題，做到下軸承系統(tǒng)的主動(dòng)密封，讓粉塵在任何情況下都無法進(jìn)入軸承內(nèi)。新的軸承密封優(yōu)化設(shè)計(jì)拋棄了原機(jī)械迷宮式密封采用空氣密封,再結(jié)合旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈，在整個(gè)下軸承裝置內(nèi)構(gòu)造了一個(gè)供密封空氣流通的通道，引導(dǎo)空氣從軸承裝置內(nèi)部吹出，外部粉塵就無法進(jìn)入軸承內(nèi)部（見圖3）。

圖3 新下軸承裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3 新密封設(shè)計(jì)實(shí)施過程

因密封空氣要達(dá)到的功能，就需要相對清潔的空氣從選粉機(jī)外部引入。綜合考慮整個(gè)選粉機(jī)的結(jié)構(gòu)，讓外部空氣初始從選粉機(jī)傳動(dòng)裝置引入，再進(jìn)入選粉機(jī)機(jī)上軸承裝置及轉(zhuǎn)子的軸內(nèi)，最終從新下軸承裝置內(nèi)吹出，從而完成整個(gè)的密封流程（見圖4）。

為了給密封空氣提供流通通道，上軸承裝置的軸設(shè)計(jì)成空心軸結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的軸原設(shè)計(jì)即為空心軸結(jié)構(gòu)，這樣整個(gè)空氣的流通通道很容易實(shí)現(xiàn)，并確保有足夠的空氣流量。

圖 4 密封空氣工作過程示意

建材行業(yè)粉磨水泥生料和熟料、鋼鐵行業(yè)粉磨高爐礦渣中大型選粉機(jī)應(yīng)用的場合,磨機(jī)及選粉機(jī)內(nèi)均為負(fù)壓操作，其相對壓力在-3500Pa～-9000Pa之間，這樣由于和設(shè)備外部空氣存在顯著的壓力差，這樣大氣中的空氣會(huì)直接從轉(zhuǎn)動(dòng)裝置進(jìn)入(D向)，利用負(fù)壓吸入原理，密封空氣進(jìn)入下軸承裝置內(nèi)并最終從其吹出(E向)，下軸承密封口處也始終保持負(fù)壓狀態(tài)，這樣粉塵就無法進(jìn)入軸承內(nèi)，取到可靠的密封效果。

3.新軸承密封設(shè)計(jì)的使用情況及效果

按照上述描述的新設(shè)計(jì)方案，在武漢鋼鐵(集團(tuán))公司高爐礦渣粉磨、山東日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司高爐礦渣粉磨、青洲水泥(云浮)有限公司生料粉磨等項(xiàng)目上得到了實(shí)施，同時(shí)在已經(jīng)運(yùn)行的軸承異常損壞的老項(xiàng)目上也更換了新設(shè)計(jì)的下軸承裝置，更換上軸承裝置的空心軸。

從2013年5月份開始,對所有安裝新軸承密封設(shè)計(jì)的選粉機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤調(diào)查，至今所有軸承都在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，軸承的工作溫度均在最佳的理論設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。在設(shè)備正常停機(jī)維護(hù)時(shí)，拆開下軸承裝置檢查，發(fā)現(xiàn)軸承腔內(nèi)油脂清潔，滾動(dòng)體、保持架、內(nèi)外圈滾道無任何顆粒狀磨損，軸承游隙均保持在初始安裝狀態(tài)值。以上檢查表明,新的軸承密封設(shè)計(jì)可靠性可以滿足選粉機(jī)下軸承在高粉塵污染環(huán)境下的工作要求。

新設(shè)計(jì)確保了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，提高了整個(gè)磨機(jī)和選粉機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率，同時(shí)大大減少了客戶對設(shè)備維護(hù)的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

4.結(jié)論

新軸承密封設(shè)計(jì)是通過原產(chǎn)品在使用過程中頻繁出現(xiàn)異常損壞后，經(jīng)檢查分析原因后提出的改進(jìn)，是對原設(shè)計(jì)缺陷的變更與優(yōu)化,通過最終實(shí)踐，取得了明顯的效果。新設(shè)計(jì)對整個(gè)下軸承裝置結(jié)構(gòu)做了變更，對選粉機(jī)其他零部件只做了少許簡單的改變，即很好地達(dá)到了空氣密封軸承的效果。同時(shí),起密封作用的空氣介質(zhì)要求簡單，直接取自設(shè)備外的空氣，不需要其他額外的輔助設(shè)備和工藝處理，不會(huì)增加設(shè)備使用和維護(hù)的成本。

其他相關(guān)行業(yè)的，在類似高粉塵環(huán)境工況下的軸承，可使用和本文描述相同的空氣密封結(jié)構(gòu)密封軸承，只需對原設(shè)計(jì)做簡單的優(yōu)化就可達(dá)到理想的軸承密封效果，充分延長軸承使用壽命。

新設(shè)計(jì)起初是針對設(shè)備殼體內(nèi)為負(fù)壓操作下狀態(tài)下提出的，對于正壓操作的設(shè)備軸承密封來說，如果要借助空氣密封的效果，就需要來自設(shè)備外密封空氣的壓力大于設(shè)備內(nèi)含塵空氣的壓力，即存在密封空氣壓力差。實(shí)踐證明，這個(gè)壓力差大于1000Pa即可，就可取得空氣密封的效果，所需一定壓力的密封空氣可來自生產(chǎn)線上的壓縮空氣或額外的離心風(fēng)機(jī)，無需過多的設(shè)備投入。

略

(作者單位：萊歇研磨機(jī)械制造(上海)有限公司)