水泥行业的高可靠性轴承技术方案分析

水泥 2009-11-10

目前，水泥企业对机械设备的要求不断提高，要求水泥设备，包括其中的轴承产品，具备耐磨损、保持更长时间连续稳定运转的可靠性能。本文以铁姆肯公司在水泥行业轴承产品的技术特点和优势为例，详细阐述了几种高可靠性轴承技术方案，及其如何为水泥行业带来使用寿命更长、能源消耗低的高品质轴承。

　　在水泥行业发展的历程中，新技术不断为生产过程中提高效率、降低能耗做出越来越大的贡献。早在1980年左右，水泥行业就出现了预分解窑 (PC) ，也称为新型干法窑，使得已经取代湿法窑的干法悬浮预热器窑 (SP) 产能成倍增长，现今每条生产线最大产能可以达到13000吨/天。然而，机立窑和新型干法水泥窑相比，按6000万吨年水泥熟料需求量折算，每年节约标准煤100万吨以上，节省石灰石700万吨以上，可以节约土地约2万亩^[1]。另外一个新技术对水泥行业节能贡献的例子是，产能为5000吨/天的水泥熟料干法生产线配套低温余热发电系统，年运行7000h，计算熟料发电量33.7KWh，年发电量5411x104KWh，年供电量4924x104KWh，按大型火电厂发电效率为0.383Kg标准煤/KWh计算，年节约标准煤18859吨，每年减少二氧化碳排放量47148吨^[2]。与水泥发展同步，高品质合金钢制造的轴承应用到了水泥行业的各个设备上，这些高品质、高可靠性的产品在轴承行业引领着科技进步。作为水泥行业中的关键零部件，轴承正在以崭新的面貌为行业设备的提高可靠性，技术升级和更新换代提供动力。以上的两个技术进步都离不开轴承的持续运转，也正是高性能轴承的可靠性才使水泥行业产量提高和节能减排更上一层楼。

　　鉴于不同的设备工况，下表总结了水泥行业关键设备中可以选用的主要不同类型轴承。

轴承类型	立磨	辊压机	球磨	回转窑	齿轮箱	振动筛	初级破碎	运输	泵
调心滚子轴承	X	X	X	X	X	X	X	X	X
圆柱滚子轴承	X	X			X	X	X
圆锥滚子轴承	X				X		X	X
推力轴承		X			X
大尺寸球轴承	X
轴承座			X	X	X
角接触球轴承									X
径向球轴承								X	X
宽内圈轴承								X
球面关节轴承	X

　　在水泥行业苛刻的应用环境中，高性能轴承解决方案在材料、表面加工、接触面几何构型以及镀层等方面均采用不同方面的工程技术成果，能帮助客户降低设备设计和运作的总成本，以此提升竞争力。下面让我们对水泥行业的高性能轴承产品具有的以下主要3个技术特点逐一进行了解。

　　1高可靠性轴承解决方案的产品技术特点
　　应用于水泥行业的高性能产品主要具有以下主要3个技术特点：（1）纯净的轴承钢材料；（2）优化的接触型面设计；（3）高标准的表面粗糙度。

　　1.1 纯净的轴承钢材料
　　随着计算机技术的兴起和迅猛发展，炼钢工艺控制的以精确数字化，这使钢材质量有了质的飞跃。从上世纪80年代开始，轴承钢的纯净度不断跃上新的台阶（见图1）。从图中的趋势线结合横坐标我们可以看到，由于轴承钢纯净度的提高，使得轴承由于内部杂质失效的几率大大减少。随着年代临近，钢材的单位体积内的夹杂物（氧化物和硬质物质）总长度 (mm/cm³) 不断减小，从1mm/cm³ 到0.001mm/cm³，整整提高了100个数量级。而在纵坐标方向，实验条件下轴承的L15.91轴承寿命从10百万转提高到120百万转。以现行较通用的的底部浇注法钢材在实验条件下可达到60百万转为基础，通过轴承试验证实，轴承的有效寿命较相同运转条件下的其他同类轴承可以提高到2倍^[3]。显然，轴承以及设备的寿命因此可以提高，更长时间的可靠运转无疑为水泥厂商提供了直接的效益。

图1 轴承材料的不断进步

　　1.2优化的接触型面设计
　　众所周知，在水泥设备的运转过程中，偏心的高负载在所难免。不但如此，随着对设备能耗标准的要求不断提高，设备和轴承的尺寸限定在更小的范围。为此铁姆肯公司采用了优化的接触型面几何设计。如图2所示，a图表示在平直滚道设计中，轴承载荷在滚子滚道接触面引起的应力分布，在接触区域的中间和边界应力较高。b图表示在单半径滚道设计中，轴承载荷在滚子滚道接触面引起的应力分布，在接触区域的边界应力较高。c图表示在多半径滚道设计中，由于多半径的接触型面轮廓设计，轴承接触区的应力有效均化，避免局部的应力集中而导致提前失效。如图3，相应的实验可以证明，铁姆肯公司的优化接触型面几何设计可以在恶劣工况下提高轴承寿命高达4倍^[4]。而且，在要求同样轴承寿命情况下，通过优化接触型面几何设计，减少轴承内部接触应力，即可以小轴承替代大尺寸的轴承以减少零部件的设计尺寸、减少设备重量、减少运转能耗；不仅如此，也为原始设备制造商节省了制造成本，增加了利润空间。

图2 不同载荷状况和接触型面设计

图3 几何轮廓对轴承寿命的影响

　　1.3高标准的表面粗糙度
　　毋庸置疑，轴承滚道的表面粗糙度影响着润滑的效果，而润滑的有效性直接决定了轴承的寿命。在图4中，不同表面粗糙度在相同的计算油膜厚度情况下，金属之间的接触摩擦程度是不同的，由此引起的轴承损伤也就不同。在同种工况下，用不同表面粗糙度的轴承作对比试验，如图5所见，随着工况越来越苛刻，（计算油膜厚度与复合滚子滚道表面粗糙度比值）越来越小时，增强的高标准表面粗糙度设计轴承与普通轴承寿命差甚至可以高达4倍^[5]。

图4 表面粗糙度对油膜和金属摩擦的影响

图5 表面粗糙度对轴承寿命的影响

　　2 铁姆肯公司高性能轴承解决方案
　　为了更好地提高设备性能和可靠性，铁姆肯公司整合以上3项关键技术，通过对不同应用工况的分析，针对实际组合应用不同关键技术而推出了一系列高性能轴承解决方案，包括了P900™ 轴承、DuraSpexx™轴承、抗杂质轴承、工程表面处理轴承以及耐腐蚀轴承（见图 6）。每种轴承都是针对某组特定的损伤模式而设计的。这些高性能轴承的使用寿命在不同的应用环境中要比普通轴承高出1~6倍不等。

　　Timken P900™轴承和DuraSpexx™ 轴承在承载能力、效率和持久性方面表现卓越。采用了超级纯净钢后，这些轴承的滚子、内圈、外圈的表面都经过特殊加工，能减少与表面有关的损伤模式的产生（见图5），此外，轴承先进的几何构型几乎能完全消除由载荷过高或偏心所造成的边界应力集中（见图 3）。在某些工况中，这些轴承的相对寿命要比Timken^®标准轴承高出4倍。

图6 铁姆肯公司高性能轴承方案

　　除此之外，还有提供抗杂质轴承。标准 Timken^®渗碳轴承能有效抵御中度杂质的有害作用，无论是在实验室还是现场测试，甚至能超过竞争对手所推出的抗杂质产品。在杂质更多、润滑不足的工况中，Timken^®抗杂质轴承能进一步延长轴承寿命，实验证明抗杂质轴承可比标准Timken^®轴承的寿命高达2倍之多。

　　当然，Timken^®工程表面处理（ES）轴承能够提供不同的解决方案。工程表面处理技术能为客户提供更好的轴承性能，被广泛应用于水泥、采矿等行业。在这些行业里，轴承的性能和正常运行时间至关重要。这种镀层是一种金属碳化基的纳米合成薄膜，拥有极其坚硬、摩擦超小的表面特性。它的有些属性与陶瓷相似，能减少发生在滚子和滚道接触面上的微型焊接和粘着磨损，尤其是金属与金属之间的接触。工程表面处理轴承能有效地预防杂质、减小摩擦和扭矩，减少表面擦伤，延长轴承在润滑不良情况下的工作寿命，减少假性压痕磨损以及润滑剂的流失。实验证明，工程表面处理轴承的最大寿命能达到标准轴承的六倍。

　　另外的耐腐蚀轴承AquaSpexx™轴承上涂有锌合金镀层，锌合金镀层是铁姆肯公司自主研发的专利技术，在轧机、加工设备、海事中应用广泛，能有效抵抗水性腐蚀所造成的损伤。镀层设计通常应用在轴承载荷较轻且非酸性的工作环境中。AquaSpexx™轴承具有很强的耐腐蚀性，通过实践证实其相对轴承寿命最多可达传统轴承的五倍。还有Thin Dense Chrome™（TDC）轴承的镀层是一层铬基薄层，能有效保护轴承，以免生锈和酸蚀。这些轴承通常应用在纸机、食品饮料加工和海事行业中，与传统轴承相比，其耐腐蚀特性要高出三倍。

　　4 结论
　　由于水泥设备严酷的运行环境及水泥行业不断变化的趋势，目前，水泥生产商对各类水泥生产设备质量和性能的要求也有所提高，并希望获得增值解决方案，以确保更长的使用寿命和更低的能源消耗。当然，为了实现上述技术特点，需要付出很多的其他技术改进，比如在纯净钢冶炼上，实现真空电弧重熔工艺并从工艺中严格控制合金含量的同时保证杂质最低。或者比如表面粗糙度水平的提高，需要相应的机床设备的配合。如前所述，随着着相关科技的进步，轴承钢的纯净度不断提高，可以增加轴承的有效寿命；优化的接触型面几何设计，不仅提高轴承寿命，也减少了能耗；而高标准表面粗糙度，能够提高了润滑效果，并延长轴承使用寿命。当然，技术不会仅仅局限在以上所述的范围，相信在不同的方面以不同的技术切入，轴承的可靠性和寿命还会进一步提高。

参考文献：
[1]浙江省发改委，浙江省“十一五”水泥工业发展专项规划 [R].2007
[2]宋纪元，水泥余热发电总包工程经验浅谈，中国水泥网会刊 [C].2007，（4）
[3] Stover，Jack D. Air-melted steel with ultra-low inclusions stringer content further improves bearing fatigue life [M].Warrendale，PA，SAE，1987
[4] Glenn R. Fahrni, Jr.，Benefits of profiling tapered roller bearings [M].Warrendale， PA: SAE International, 1999
[5] Moyer， C A. Tapered roller bearing performance for the 1990＇s [M].Warrendale，SAE 1987

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