擠壓機主減速器軸承故障分析

劉曉東

（寧夏寶豐能源集團股份有限公司，寧夏銀川 753200）

0 引言

擠壓機是聚烯烴裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其正常運行與否直接關(guān)系到所在裝置乃至全廠設(shè)備的穩(wěn)定運行。其作用是將細小的聚烯烴粉料產(chǎn)品熔融造粒，使聚合物性能穩(wěn)定，便于貯存和運輸。在造粒過程中，由于加入各種添加劑，如防靜電劑、防老化、抗紫外線助劑等，使產(chǎn)品質(zhì)量得以改進，達到預(yù)定要求。該設(shè)備由混煉機、熔融齒輪泵、換網(wǎng)器、切粒機、潤滑油系統(tǒng)、液壓油系統(tǒng)、熱油系統(tǒng)、閉式冷卻水系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)和切粒水系統(tǒng)組成。

該機組型號CMP335，由日本制鋼所（JSW）制造，設(shè)計生產(chǎn)能力為39.6 t/h；主電機功率9600 kW，轉(zhuǎn)速980 r/m；螺桿直徑335 mm，長徑比 26；螺桿轉(zhuǎn)速 241 r/m（高速），193 r/m（低速）。目前主要生產(chǎn)S1003和K8003兩種牌號，熔融指數(shù)約為3。

主減速器為混煉機的核心設(shè)備，其將電機的輸入速度減少到規(guī)定的輸出速度，并將輸出扭矩分布到混煉機螺桿上（表1）。輸出速度通過變速桿轉(zhuǎn)換成兩級速度，即高速或低速。輸出軸配備有止推軸承以承受螺桿的推力。

表1 混煉機減速器的主要技術(shù)參數(shù)

1 故障的出現(xiàn)

2018年4月17日，正在運行的主減速器輸入軸軸承溫度傳感器TZI-4007A異常升高，振動傳感器VI4002A/B/C/D/E波動超過量程，現(xiàn)場伴有異響。操作人員通過降低負荷的方式，異常并未消除。停機切換至高速擋后，TZI-4007A的溫度穩(wěn)定在70℃，振動VI-4002A/B/D仍超量程。現(xiàn)場判斷減速器輸入軸驅(qū)動側(cè)軸承故障。

停機拆檢主減速器，發(fā)現(xiàn)輸入軸驅(qū)動側(cè)軸承A保持架斷裂，軸承內(nèi)圈和外圈的滾道嚴重磨損和剝落。檢查過程中還發(fā)現(xiàn)，二級軸G2齒輪處滾動體點蝕損傷，手動旋轉(zhuǎn)軸承時不順暢（表2）。

為了降低事故對生產(chǎn)的影響，立即組織對該減速器的檢修準備工作。由于該設(shè)備是由日本制造，邀請減速器及擠壓機廠家技術(shù)人員到廠指導(dǎo)檢修。

表2 故障軸承信息

2 故障原因分析

認真對故障軸承進行檢查，分析故障發(fā)生的原因。

2.1 外觀檢查

2.1.1 A軸承（圓柱滾子軸承）

內(nèi)圈：在電機側(cè)（標記側(cè)）滾道上觀察到片狀剝落，片狀剝落分布在整個圓周的寬度中心。沒有標記的一側(cè)滾道沒有剝落，但有可能是雜質(zhì)造成的壓痕（圖1）。

圖1 A軸承滾道

外圈：在電機側(cè)（標記側(cè)）滾道上，一定的周向范圍內(nèi)觀察到與滾子寬度相同的剝落現(xiàn)象。在螺桿側(cè)（無標記側(cè)）滾道上，沒有剝落，有可能由雜質(zhì)造成的周向條紋和凹痕。在外圈寬度中心也觀察到較寬的磨損痕跡。外圈的外表面在載荷區(qū)有腐蝕（圖2）。

滾動體：滾動體表面有剝落、裂紋和粗糙的表面。由于磨損嚴重，有的表面已磨平，有的邊緣已磨圓（圖3）。

保持架：保持架磨損、變形，部分破損。根據(jù)內(nèi)/外圈和滾動體的損壞情況，保持架可能有二次損壞的現(xiàn)象（圖4）。

2.1.2 B軸承（深溝球軸承）

內(nèi)圈：在滾道上，從中心到標記側(cè)在整個圓周上觀察到摩擦腐蝕壓痕。內(nèi)表面有裂縫和劃痕，看起來像安裝缺陷（圖5）。

外圈：內(nèi)孔呈橢圓形變形，在整個圓周上從中心到無標記側(cè)的滾道上觀察到摩擦腐蝕壓痕。外表面有輕微的蠕變（圖6）。

滾動體：所有的滾動球上都發(fā)現(xiàn)了摩擦腐蝕壓痕（圖7）。

保持架：沒有異常磨損，只有滾動球的接觸痕跡（圖8）。

圖2 A軸承外圈

圖3 A軸承滾動體

圖5 B軸承內(nèi)圈

圖6 B軸承外圈

2.2 故障分析

采用因子分析對軸承故障進行分析（表3）。其中，○表示分析結(jié)果沒有問題；△表示可能是故障的原因。

對故障因素進行詳細如下分析。

（1）機械強度。軸承A在高速/低速運行中設(shè)計使用壽命為40 000 h；軸承B在電機額定轉(zhuǎn)矩傳遞時，有超過負載2倍的強度。

（2）含非金屬夾雜物。軸承A由于嚴重損壞，無法對材料進行詳細的研究。因此，不能排除非金屬夾雜物存在的可能性。

圖7 B軸承滾珠

圖8 B軸承保持架

表3 軸承破壞的因子分析

（3）啟動轉(zhuǎn)矩。軸承B由于內(nèi)孔橢圓變形，可能承受過大的啟動扭矩。

（4）異常載荷。軸承A僅在電機側(cè)（標記側(cè)）有剝落，部分剝落在外圈滾道上，不在整個圓周上。這一觀察結(jié)果表明，在對電機側(cè)施加推力載荷時，由于某種原因引起的過大的徑向載荷，如果外圈不向軸向移動，軸承A可能會受到異常載荷的作用。軸承B由于內(nèi)圈變形，在短短3 a內(nèi)出現(xiàn)較高程度的摩擦腐蝕壓痕，可能是受到異常載荷或高振動。

（5）潤滑油油量。生產(chǎn)中確保油位在視鏡的1/2~2/3處，且潤滑油泵連續(xù)運行無中斷。

（6）潤滑油不合格或變質(zhì)。每個月的潤滑油分析報告顯示，潤滑油油質(zhì)合格。

（7）潤滑油中的雜質(zhì)。軸承A損壞情況表明潤滑油中的雜質(zhì)不是軸承故障的主要原因。滾道和滾動體表面的磨損應(yīng)該是由剝落引起的二次損傷。

3 結(jié)論

雖然還不能確定軸承故障的原因，但是根據(jù)以上調(diào)查，認為這2個軸承故障的可能原因如下。

3.1 軸承A

（1）軸承僅在電機側(cè)（有標記側(cè)）有剝落，且不是在整個圓周上，部分在外圈上。這說明，徑向載荷和推力載荷同時作用于電機一側(cè)軸承，徑向載荷過大，限制了外圈的軸向運動。推力載荷通常是由于溫度變化引起的軸向伸長。滾道和滾動體由于異常載荷而產(chǎn)生剝落，造成了軸承的損傷。其他磨損、劃痕和凹痕是由剝落造成的二次損傷。

軸承A設(shè)計為軸向自由移動，不受限制。在正常情況下，外圈運動應(yīng)與軸的伸長保持一致。然而，外圈的移動可能受到過大徑向負荷的限制。輸入軸和電機軸之間的對中偏差可能會增加標記側(cè)軸承的徑向載荷。如果徑向載荷過高，可能會干擾外圈的正常移動。

外圈外表面的腐蝕會影響外圈的移動。然而，齒輪減速器一般都會有一定的腐蝕，損壞的外圈腐蝕并不會嚴重到影響軸向移動。外圈外表面的污染也會干擾外圈的運動。然而，由于外圈沒有由雜質(zhì)引起的損壞跡象，因此雜質(zhì)不可能是故障產(chǎn)生的原因。

（2）另一種可能的剝落原因是非金屬夾雜物，這種夾雜物可能存在于軸承材料中，通過常規(guī)的無損檢測很難檢測到。軸承A由于嚴重損壞，無法對材料進行詳細的研究。

（3）減速器輸入軸驅(qū)動側(cè)設(shè)計為一盤軸承，而同類裝置部分設(shè)計為兩盤軸承支撐，因此該軸承位置的安全余量較低。

3.2 軸承B

（1）內(nèi)裝軸承B的齒輪傳動扭矩時，內(nèi)圈和外圈旋轉(zhuǎn)無差異，滾道和滾動體總是在同一位置接觸。在這種情況下，油膜在正常載荷下可能有破壞的傾向，并存在輕微摩擦，很難避免摩擦腐蝕壓痕。然而，在正常負載下造成如此嚴重的摩擦腐蝕壓痕現(xiàn)象必須花費更長的時間。由于內(nèi)圈變形，任何沖擊載荷或過大載荷都可能施加在軸承上，在相對較短的時間內(nèi)造成過度的摩擦腐蝕壓痕。摩擦腐蝕壓痕會在軸承的手動旋轉(zhuǎn)中造成不順暢的感覺。

（2）另一種可能導(dǎo)致摩擦腐蝕壓痕現(xiàn)象的原因是潤滑油質(zhì)量差，無法在滾道與滾動體表面的接觸面上形成油膜。于是，接觸面上的輕微摩擦會變得嚴重并加速摩擦腐蝕壓痕。這一原因可以通過每月的潤滑油分析報告排除。