水泥行業(yè)的高可靠性軸承技術(shù)方案分析

　　在水泥行業(yè)發(fā)展的歷程中，新技術(shù)不斷為生產(chǎn)過程中提高效率、降低能耗做出越來越大的貢獻(xiàn)。早在1980年左右，水泥行業(yè)就出現(xiàn)了預(yù)分解窯 (PC) ，也稱為新型干法窯，使得已經(jīng)取代濕法窯的干法懸浮預(yù)熱器窯 (SP) 產(chǎn)能成倍增長(zhǎng)，現(xiàn)今每條生產(chǎn)線最大產(chǎn)能可以達(dá)到13000噸/天。然而，機(jī)立窯和新型干法水泥窯相比，按6000萬噸年水泥熟料需求量折算，每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤100萬噸以上，節(jié)省石灰石700萬噸以上，可以節(jié)約土地約2萬畝^[1]。另外一個(gè)新技術(shù)對(duì)水泥行業(yè)節(jié)能貢獻(xiàn)的例子是，產(chǎn)能為5000噸/天的水泥熟料干法生產(chǎn)線配套低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，年運(yùn)行7000h，計(jì)算熟料發(fā)電量33.7KWh，年發(fā)電量5411x104KWh，年供電量4924x104KWh，按大型火電廠發(fā)電效率為0.383Kg標(biāo)準(zhǔn)煤/KWh計(jì)算，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤18859噸， 每年減少二氧化碳排放量47148噸^[2]。與水泥發(fā)展同步，高品質(zhì)合金鋼制造的軸承應(yīng)用到了水泥行業(yè)的各個(gè)設(shè)備上，這些高品質(zhì)、高可靠性的產(chǎn)品在軸承行業(yè)引領(lǐng)著科技進(jìn)步。作為水泥行業(yè)中的關(guān)鍵零部件，軸承正在以嶄新的面貌為行業(yè)設(shè)備的提高可靠性，技術(shù)升級(jí)和更新?lián)Q代提供動(dòng)力。以上的兩個(gè)技術(shù)進(jìn)步都離不開軸承的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，也正是高性能軸承的可靠性才使水泥行業(yè)產(chǎn)量提高和節(jié)能減排更上一層樓。

　　鑒于不同的設(shè)備工況，下表總結(jié)了水泥行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備中可以選用的主要不同類型軸承。

　　在水泥行業(yè)苛刻的應(yīng)用環(huán)境中，高性能軸承解決方案在材料、表面加工、接觸面幾何構(gòu)型以及鍍層等方面均采用不同方面的工程技術(shù)成果，能幫助客戶降低設(shè)備設(shè)計(jì)和運(yùn)作的總成本，以此提升競(jìng)爭(zhēng)力。下面讓我們對(duì)水泥行業(yè)的高性能軸承產(chǎn)品具有的以下主要3個(gè)技術(shù)特點(diǎn)逐一進(jìn)行了解。

　　1高可靠性軸承解決方案的產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)
　　應(yīng)用于水泥行業(yè)的高性能產(chǎn)品主要具有以下主要3個(gè)技術(shù)特點(diǎn)：（1）純凈的軸承鋼材料；（2）優(yōu)化的接觸型面設(shè)計(jì)；（3）高標(biāo)準(zhǔn)的表面粗糙度。

　　1.1 純凈的軸承鋼材料
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起和迅猛發(fā)展，煉鋼工藝控制的以精確數(shù)字化，這使鋼材質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍。從上世紀(jì)80年代開始，軸承鋼的純凈度不斷躍上新的臺(tái)階（見圖1）。從圖中的趨勢(shì)線結(jié)合橫坐標(biāo)我們可以看到，由于軸承鋼純凈度的提高，使得軸承由于內(nèi)部雜質(zhì)失效的幾率大大減少。隨著年代臨近，鋼材的單位體積內(nèi)的夾雜物（氧化物和硬質(zhì)物質(zhì)）總長(zhǎng)度 (mm/cm³) 不斷減小，從1mm/cm³ 到0.001mm/cm³， 整整提高了100個(gè)數(shù)量級(jí)。而在縱坐標(biāo)方向，實(shí)驗(yàn)條件下軸承的L15.91軸承壽命從10百萬轉(zhuǎn)提高到120百萬轉(zhuǎn)。以現(xiàn)行較通用的的底部澆注法鋼材在實(shí)驗(yàn)條件下可達(dá)到60百萬轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，通過軸承試驗(yàn)證實(shí)，軸承的有效壽命較相同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的其他同類軸承可以提高到2倍^[3]。顯然，軸承以及設(shè)備的壽命因此可以提高，更長(zhǎng)時(shí)間的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)無疑為水泥廠商提供了直接的效益。

圖1 軸承材料的不斷進(jìn)步

　　1.2優(yōu)化的接觸型面設(shè)計(jì)
　　眾所周知，在水泥設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，偏心的高負(fù)載在所難免。不但如此，隨著對(duì)設(shè)備能耗標(biāo)準(zhǔn)的要求不斷提高，設(shè)備和軸承的尺寸限定在更小的范圍。為此鐵姆肯公司采用了優(yōu)化的接觸型面幾何設(shè)計(jì)。如圖2所示，a圖表示在平直滾道設(shè)計(jì)中，軸承載荷在滾子滾道接觸面引起的應(yīng)力分布，在接觸區(qū)域的中間和邊界應(yīng)力較高。b圖表示在單半徑滾道設(shè)計(jì)中，軸承載荷在滾子滾道接觸面引起的應(yīng)力分布，在接觸區(qū)域的邊界應(yīng)力較高。c圖表示在多半徑滾道設(shè)計(jì)中，由于多半徑的接觸型面輪廓設(shè)計(jì)，軸承接觸區(qū)的應(yīng)力有效均化，避免局部的應(yīng)力集中而導(dǎo)致提前失效。如圖3，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)可以證明，鐵姆肯公司的優(yōu)化接觸型面幾何設(shè)計(jì)可以在惡劣工況下提高軸承壽命高達(dá)4倍^[4]。而且，在要求同樣軸承壽命情況下，通過優(yōu)化接觸型面幾何設(shè)計(jì)，減少軸承內(nèi)部接觸應(yīng)力，即可以小軸承替代大尺寸的軸承以減少零部件的設(shè)計(jì)尺寸、減少設(shè)備重量、減少運(yùn)轉(zhuǎn)能耗；不僅如此，也為原始設(shè)備制造商節(jié)省了制造成本，增加了利潤(rùn)空間。

圖2 不同載荷狀況和接觸型面設(shè)計(jì)

圖3  幾何輪廓對(duì)軸承壽命的影響

　　1.3高標(biāo)準(zhǔn)的表面粗糙度
　　毋庸置疑，軸承滾道的表面粗糙度影響著潤(rùn)滑的效果，而潤(rùn)滑的有效性直接決定了軸承的壽命。在圖4中，不同表面粗糙度在相同的計(jì)算油膜厚度情況下，金屬之間的接觸摩擦程度是不同的，由此引起的軸承損傷也就不同。在同種工況下，用不同表面粗糙度的軸承作對(duì)比試驗(yàn)，如圖5所見，隨著工況越來越苛刻，（計(jì)算油膜厚度與復(fù)合滾子滾道表面粗糙度比值）越來越小時(shí)，增強(qiáng)的高標(biāo)準(zhǔn)表面粗糙度設(shè)計(jì)軸承與普通軸承壽命差甚至可以高達(dá)4倍^[5]。

圖4  表面粗糙度對(duì)油膜和金屬摩擦的影響

圖5  表面粗糙度對(duì)軸承壽命的影響

　　2 鐵姆肯公司高性能軸承解決方案
　　為了更好地提高設(shè)備性能和可靠性，鐵姆肯公司整合以上3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過對(duì)不同應(yīng)用工況的分析，針對(duì)實(shí)際組合應(yīng)用不同關(guān)鍵技術(shù)而推出了一系列高性能軸承解決方案，包括了P900™ 軸承、DuraSpexx™軸承、抗雜質(zhì)軸承、工程表面處理軸承以及耐腐蝕軸承（見圖 6）。每種軸承都是針對(duì)某組特定的損傷模式而設(shè)計(jì)的。這些高性能軸承的使用壽命在不同的應(yīng)用環(huán)境中要比普通軸承高出1~6倍不等。

　　Timken P900™軸承和DuraSpexx™ 軸承在承載能力、效率和持久性方面表現(xiàn)卓越。采用了超級(jí)純凈鋼后，這些軸承的滾子、內(nèi)圈、外圈的表面都經(jīng)過特殊加工，能減少與表面有關(guān)的損傷模式的產(chǎn)生（見圖5），此外，軸承先進(jìn)的幾何構(gòu)型幾乎能完全消除由載荷過高或偏心所造成的邊界應(yīng)力集中（見圖 3）。在某些工況中，這些軸承的相對(duì)壽命要比Timken^®標(biāo)準(zhǔn)軸承高出4倍。

圖6  鐵姆肯公司高性能軸承方案

　　除此之外，還有提供抗雜質(zhì)軸承。標(biāo)準(zhǔn) Timken^®滲碳軸承能有效抵御中度雜質(zhì)的有害作用，無論是在實(shí)驗(yàn)室還是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，甚至能超過競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手所推出的抗雜質(zhì)產(chǎn)品。在雜質(zhì)更多、潤(rùn)滑不足的工況中，Timken^®抗雜質(zhì)軸承能進(jìn)一步延長(zhǎng)軸承壽命，實(shí)驗(yàn)證明抗雜質(zhì)軸承可比標(biāo)準(zhǔn)Timken^®軸承的壽命高達(dá)2倍之多。

　　當(dāng)然，Timken^®工程表面處理（ES）軸承能夠提供不同的解決方案。工程表面處理技術(shù)能為客戶提供更好的軸承性能，被廣泛應(yīng)用于水泥、采礦等行業(yè)。在這些行業(yè)里，軸承的性能和正常運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要。這種鍍層是一種金屬碳化基的納米合成薄膜，擁有極其堅(jiān)硬、摩擦超小的表面特性。它的有些屬性與陶瓷相似，能減少發(fā)生在滾子和滾道接觸面上的微型焊接和粘著磨損，尤其是金屬與金屬之間的接觸。工程表面處理軸承能有效地預(yù)防雜質(zhì)、減小摩擦和扭矩，減少表面擦傷，延長(zhǎng)軸承在潤(rùn)滑不良情況下的工作壽命，減少假性壓痕磨損以及潤(rùn)滑劑的流失。實(shí)驗(yàn)證明，工程表面處理軸承的最大壽命能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)軸承的六倍。

　　另外的耐腐蝕軸承AquaSpexx™軸承上涂有鋅合金鍍層，鋅合金鍍層是鐵姆肯公司自主研發(fā)的專利技術(shù)，在軋機(jī)、加工設(shè)備、海事中應(yīng)用廣泛，能有效抵抗水性腐蝕所造成的損傷。鍍層設(shè)計(jì)通常應(yīng)用在軸承載荷較輕且非酸性的工作環(huán)境中。AquaSpexx™軸承具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，通過實(shí)踐證實(shí)其相對(duì)軸承壽命最多可達(dá)傳統(tǒng)軸承的五倍。還有Thin Dense Chrome™（TDC）軸承的鍍層是一層鉻基薄層，能有效保護(hù)軸承，以免生銹和酸蝕。這些軸承通常應(yīng)用在紙機(jī)、食品飲料加工和海事行業(yè)中，與傳統(tǒng)軸承相比，其耐腐蝕特性要高出三倍。

　　4 結(jié)論
　　由于水泥設(shè)備嚴(yán)酷的運(yùn)行環(huán)境及水泥行業(yè)不斷變化的趨勢(shì)，目前，水泥生產(chǎn)商對(duì)各類水泥生產(chǎn)設(shè)備質(zhì)量和性能的要求也有所提高，并希望獲得增值解決方案，以確保更長(zhǎng)的使用壽命和更低的能源消耗。當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)特點(diǎn)，需要付出很多的其他技術(shù)改進(jìn)，比如在純凈鋼冶煉上，實(shí)現(xiàn)真空電弧重熔工藝并從工藝中嚴(yán)格控制合金含量的同時(shí)保證雜質(zhì)最低。或者比如表面粗糙度水平的提高，需要相應(yīng)的機(jī)床設(shè)備的配合。如前所述，隨著著相關(guān)科技的進(jìn)步，軸承鋼的純凈度不斷提高，可以增加軸承的有效壽命；優(yōu)化的接觸型面幾何設(shè)計(jì)，不僅提高軸承壽命，也減少了能耗；而高標(biāo)準(zhǔn)表面粗糙度，能夠提高了潤(rùn)滑效果，并延長(zhǎng)軸承使用壽命。當(dāng)然，技術(shù)不會(huì)僅僅局限在以上所述的范圍，相信在不同的方面以不同的技術(shù)切入，軸承的可靠性和壽命還會(huì)進(jìn)一步提高。

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