Содержание
- 1. Введение: роль подшипников в работе вращающейся печи
- 2. Конструкция опорных роликов и их подшипниковых узлов
- 3. Двухрядные сферические роликовые подшипники
- 4. Упорные подшипники и гидроупоры
- 5. Критерии выбора подшипников для опорных роликов
- 6. Смазка подшипников опорных роликов
- 7. Регулировка положения печи
- 8. Техническое обслуживание и диагностика
- 9. Часто задаваемые вопросы
1. Введение: роль подшипников в работе вращающейся печи
Вращающаяся печь является ключевым оборудованием цементного производства, осуществляющим термическую обработку сырьевой смеси для получения клинкера. Корпус печи, представляющий собой стальной барабан длиной от 50 до 200 м и диаметром от 3 до 7 м, устанавливается на опорных станциях с углом наклона к горизонту от 2 до 4 градусов (уклон 3-4%). Масса вращающихся частей печи, включая корпус, футеровку, обмазку и обрабатываемый материал, может достигать нескольких тысяч тонн.
Опорные ролики воспринимают всю нагрузку от печи и передают её через подшипники на фундаментные конструкции. Нагрузка на каждый опорный ролик может составлять от 500 до 6000 кН в зависимости от размеров печи. Подшипники опорных роликов работают в тяжёлых условиях: при значительных статических и динамических нагрузках, повышенных температурах, запылённости и возможных перекосах валов.
Правильный выбор, монтаж и эксплуатация подшипников опорных роликов напрямую влияют на надёжность работы печи, расход энергии на привод, износ бандажей и роликов, а также на стойкость футеровки. Для вращающихся печей цементных заводов преимущественно применяются двухрядные сферические роликовые подшипники, способные компенсировать несоосность и воспринимать комбинированные нагрузки.
2. Конструкция опорных роликов и их подшипниковых узлов
2.1. Общая схема опорной станции
Каждая опорная станция вращающейся печи состоит из сварной рамы и двух опорных роликов, симметрично расположенных относительно вертикальной оси сечения корпуса печи. Угол между линиями, соединяющими центры опорных роликов с центром сечения корпуса печи, обычно составляет 60 градусов, что обеспечивает устойчивость корпуса и предотвращает его боковое смещение.
Для печей мокрого способа производства (например, размером 5х185 м) типично наличие от 3 до 7 опорных станций, а для печей сухого способа с циклонными теплообменниками (например, 4,5х80 м) - от 2 до 3 станций. Одна из опорных станций является опорно-упорной и оснащается упорными роликами (гидроупорами) для контроля осевого перемещения печи.
2.2. Типы подшипниковых узлов опорных роликов
В зависимости от применяемых подшипников узлы опорных роликов подразделяются на три основных типа:
| Тип узла | Подшипники | Область применения | Особенности |
|---|---|---|---|
| Узел с подшипниками скольжения | Вкладыши из баббита, бронзы | Печи большой производительности, традиционные конструкции | Требует водяного охлаждения, циркуляционной смазки, сферические прокладки для самоустановки |
| Узел с подшипниками качения | Двухрядные сферические роликовые | Современные печи, модернизация существующего оборудования | Меньшие потери на трение, упрощённое обслуживание |
| Гибридный узел | Комбинация подшипников скольжения и качения | Специальные применения | Сочетание преимуществ обоих типов |
2.3. Конструктивные элементы узла опорного ролика
Типовой узел опорного ролика с подшипниками качения включает следующие основные элементы: собственно опорный ролик (бандаж), вал ролика, корпуса подшипников, подшипники качения, уплотнения, систему смазки и механизм регулировки положения.
3. Двухрядные сферические роликовые подшипники
3.1. Конструкция и принцип работы
Двухрядные сферические роликовые подшипники (по ГОСТ 5721-75 с изменениями) являются основным типом подшипников качения для опорных роликов вращающихся печей. Данная конструкция была разработана инженером Арвидом Палмгреном и введена на рынок компанией SKF в 1919 году. Конструкция подшипника включает наружное кольцо со сферической внутренней поверхностью, внутреннее кольцо с двумя дорожками качения, расположенными под углом к оси подшипника, и два ряда бочкообразных (симметричных) роликов, разделённых сепаратором.
Сферическая форма дорожки качения наружного кольца обеспечивает самоустанавливаемость подшипника - способность компенсировать угловые перекосы между внутренним и наружным кольцами. Допустимый угол перекоса составляет от 1 до 3 градусов в зависимости от серии и размера подшипника. Это свойство критически важно для опорных роликов, испытывающих деформации от неравномерного нагрева печи и прогибов вала под нагрузкой.
3.2. Серии и обозначения подшипников
Для опорных роликов цементных печей применяются сферические роликовые подшипники различных серий, отличающихся габаритами и грузоподъёмностью. Внешние размеры стандартизованы по ISO 15:1998:
| Серия ISO | Серия по ГОСТ | Характеристика | Применение |
|---|---|---|---|
| 222 | 3500 | Лёгкая серия | Печи малой производительности |
| 223 | 3600 | Средняя серия | Печи средней производительности |
| 230, 231, 232 | 3003000 | Тяжёлая серия | Печи большой производительности |
| 239, 240, 241 | 3004000 | Особо тяжёлая серия | Крупные печи с высокими нагрузками |
3.3. Конструктивные исполнения
По типу посадочного отверстия внутреннего кольца различают следующие исполнения согласно ГОСТ 5721-75:
| Код исполнения ГОСТ | Суффикс ISO | Тип отверстия | Конусность | Монтаж |
|---|---|---|---|---|
| 3000 | - | Цилиндрическое | - | На цилиндрическую шейку вала |
| 113000 | K | Коническое | 1:12 | На закрепительную втулку или коническую шейку вала |
| 4113000 | K30 | Коническое | 1:30 | Для серий 240, 241, 248, 249 |
Подшипники с коническим отверстием монтируются на закрепительные втулки, что упрощает установку на гладкие валы и позволяет регулировать радиальный зазор в подшипнике.
3.4. Технические характеристики
Основные параметры сферических роликовых подшипников, определяющие их работоспособность:
| Параметр | Обозначение | Значение для типовых размеров |
|---|---|---|
| Базовая динамическая грузоподъёмность | Cr | От 200 до 10000 кН и более |
| Базовая статическая грузоподъёмность | C0r | От 300 до 15000 кН и более |
| Допустимый угол перекоса | - | От 1 до 3 градусов (зависит от серии) |
| Допустимая осевая нагрузка | Fa | До 25% от неиспользованной радиальной |
| Рабочая температура (стандартная сталь) | - | От -30 до +150 С (до +200 С с латунным сепаратором для крупных подшипников) |
3.5. Радиальные зазоры
Радиальный зазор в подшипнике является важным параметром, влияющим на его работоспособность. Для опорных роликов печей, работающих при повышенных температурах и значительных нагрузках, применяются подшипники с увеличенным радиальным зазором (классификация по ISO):
| Обозначение зазора ISO | Группа по ГОСТ | Характеристика | Применение |
|---|---|---|---|
| C2 | 6 | Меньше нормального | Редко для опорных роликов |
| CN (нормальный) | Нормальная | Нормальный | Стандартные условия, умеренные температуры |
| C3 | 7 | Больше нормального | Повышенные температуры (более 100 С), тяжёлые нагрузки |
| C4 | 8 | Значительно больше нормального | Высокие температуры, особо тяжёлые нагрузки, большие посадочные натяги |
4. Упорные подшипники и гидроупоры
4.1. Назначение упорных устройств
Вследствие наклона оси печи к горизонту на корпус действует осевая составляющая силы тяжести, стремящаяся сместить печь в сторону разгрузочного конца (горячего). Кроме того, осевые силы возникают при неправильной установке опорных роликов (их перекосе относительно оси печи). Для контроля и ограничения осевого перемещения печи применяются упорные устройства.
4.2. Типы упорных устройств
В современных вращающихся печах используются несколько типов упорных устройств:
| Тип устройства | Конструкция | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|
| Механический упорный ролик | Вертикальный или наклонный ролик, упирающийся в торец бандажа | Простота конструкции | Ограниченная способность управления |
| Гидравлический упор (гидроупор) | Ролик на гидроцилиндре с системой управления | Точная регулировка, автоматическое управление, контроль положения | Требует гидравлической системы |
| Система с регулируемым перекосом роликов | Управление осевым перемещением через перекос опорных роликов | Плавное управление, минимальный износ бандажей | Сложность настройки |
4.3. Гидроупор: конструкция и работа
Гидроупор является наиболее распространённым типом упорного устройства для современных цементных печей. Конструкция гидроупора включает: упорный ролик, ось ролика с подшипниками качения, стойку (каретку), станину, гидроцилиндр и систему управления с датчиками положения.
Упорный ролик устанавливается на оси в радиально-упорных или сферических роликовых подшипниках. Ось закреплена в стойке, которая может перемещаться по станине под действием гидроцилиндра. Гидравлическая система обеспечивает постоянное давление на упорный ролик, который контактирует с торцевой поверхностью бандажа.
4.4. Подшипники упорных роликов
Подшипники упорных роликов должны воспринимать значительные радиальные нагрузки от веса ролика и осевые силы от контакта с бандажом. Для этих целей применяются:
- Радиально-упорные роликовые подшипники (конические), смонтированные по О-образной или Х-образной схеме
- Сферические роликовые упорно-радиальные подшипники
- Комбинации радиальных сферических и упорных подшипников
Смазка подшипников упорных роликов осуществляется от централизованной смазочной системы или индивидуальной станции. Допускается также применение консистентной (пластичной) смазки при соответствующей конструкции узла.
5. Критерии выбора подшипников для опорных роликов
5.1. Определение нагрузок
Выбор подшипников начинается с расчёта действующих нагрузок. Радиальная нагрузка на подшипники опорного ролика определяется весом печи, распределённым между опорами, и положением данной опоры относительно бандажей.
Pr = (X * V * Fr + Y * Fa) * Kб * Kт
где:
Fr - радиальная нагрузка, Н;
Fa - осевая нагрузка, Н;
X - коэффициент радиальной нагрузки;
Y - коэффициент осевой нагрузки (зависит от отношения Fa/Fr и угла контакта);
V - коэффициент вращения (1,0 при вращении внутреннего кольца, 1,2 при вращении наружного);
Kб - коэффициент безопасности (1,2-1,5 для печей);
Kт - температурный коэффициент.
5.2. Расчёт ресурса подшипника
Номинальный расчётный ресурс подшипника определяется по формуле согласно ГОСТ 18855-2013 (ISO 281:2007):
L10 = (Cr / Pr)k миллионов оборотов
где:
Cr - базовая динамическая грузоподъёмность, Н;
Pr - эквивалентная динамическая нагрузка, Н;
k - показатель степени: k = 3 для шариковых подшипников, k = 10/3 для роликовых подшипников.
Ресурс в часах:
L10h = L10 * 106 / (60 * n)
где n - частота вращения, об/мин.
5.3. Температурные условия
При работе вблизи горячей зоны печи температура подшипников может достигать 80-120 С. Температурный коэффициент Kт учитывает снижение твёрдости материала подшипника при нагреве:
| Рабочая температура, С | Коэффициент Kт |
|---|---|
| До 100 | 1,00 |
| 125 | 1,05 |
| 150 | 1,10 |
| 175 | 1,15 |
| 200 | 1,25 |
| 250 | 1,40 |
5.4. Пример выбора подшипника
- Нагрузка на опорный ролик: 2000 кН
- Диаметр вала ролика: 400 мм
- Частота вращения ролика: 2 об/мин
- Рабочая температура: 90 С
- Требуемый ресурс: 100 000 часов
Решение:
1. Эквивалентная нагрузка Pr = 2000 * 1,3 * 1,0 = 2600 кН (с учётом Kб=1,3)
2. Требуемый ресурс в оборотах при n = 2 об/мин:
L10 = 100000 * 60 * 2 / 106 = 12 миллионов оборотов
3. Требуемая грузоподъёмность (k=10/3 для роликовых):
Cr = Pr * L103/10 = 2600 * 120,3 = 5460 кН
4. Выбираем подшипник серии 24080 (d=400 мм, D=600 мм) с Cr более 5500 кН.
6. Смазка подшипников опорных роликов
6.1. Требования к смазочным материалам
Смазка подшипников опорных роликов должна обеспечивать: снижение трения и износа, отвод тепла, защиту от коррозии и загрязнений, работоспособность в широком диапазоне температур. Для узлов с подшипниками качения применяются как жидкие масла, так и консистентные (пластичные) смазки.
6.2. Типы смазки
| Тип смазки | Характеристики | Применение |
|---|---|---|
| Циркуляционная масляная | Минеральные или синтетические масла вязкостью ISO VG 150-320 | Подшипники скольжения, высоконагруженные узлы с охлаждением |
| Консистентная (пластичная) | Литиевые, литиево-комплексные или кальциевые смазки класса NLGI 2-3 | Подшипники качения при температурах до 100 С |
| Высокотемпературная консистентная | Синтетические смазки на основе полимочевины или комплексных загустителей с температурой каплепадения более 250 С | Узлы вблизи горячих зон, рабочая температура до 200 С |
6.3. Системы смазки
Для обеспечения надёжной смазки подшипников опорных роликов применяются различные системы:
- Централизованная автоматическая система - обеспечивает дозированную подачу смазки ко всем точкам по заданной программе;
- Индивидуальные смазочные станции - для каждого узла или группы узлов;
- Ручная смазка - для узлов с консистентной смазкой при небольшом количестве точек.
6.4. Периодичность смазки
Интервал пополнения смазки зависит от рабочей температуры, скорости вращения и нагрузки. При температуре подшипника выше 70 С интервал сокращается вдвое на каждые 15 С повышения температуры.
7. Регулировка положения печи
7.1. Цели регулировки
Правильная регулировка положения опорных роликов и осевого хода печи обеспечивает:
- Равномерное распределение нагрузок между опорами;
- Минимизацию осевых усилий на подшипники;
- Снижение износа бандажей и роликов;
- Оптимальные условия работы футеровки;
- Уменьшение потребляемой мощности привода.
7.2. Параметры контроля
При эксплуатации вращающейся печи контролируются следующие параметры:
| Параметр | Метод контроля | Допустимые значения |
|---|---|---|
| Осевое перемещение печи | Датчики положения на гидроупорах | Колебания в пределах 10-30 мм |
| Нагрузка на упорные ролики | Датчики давления гидросистемы, тензометрия | Равномерное распределение, минимальные осцилляции |
| Температура подшипников | Термопары, термосопротивления, тепловизионный контроль | Не более 80-100 С для подшипников качения |
| Вибрация узлов | Виброанализаторы | Согласно ISO 10816 |
7.3. Методы регулировки осевого хода
Осевое положение печи регулируется путём изменения угла установки опорных роликов относительно оси печи. При перекосе ролика возникает осевая составляющая силы трения, перемещающая печь в соответствующем направлении.
7.4. Выверка печи
Периодическая выверка вращающейся печи включает определение пространственного положения всех элементов и приведение их к проектным значениям. Современные методы выверки используют лазерные трекеры, тахеометры и координатоопределяющие системы, позволяющие измерять положение центров бандажей, опорных роликов и шестерён с точностью до 1 мм.
По результатам измерений определяются величины перемещения опорных роликов для минимизации несоосности и обеспечения равномерного распределения нагрузок. Выверку рекомендуется проводить как в холодном, так и в горячем состоянии печи для учёта температурных деформаций.
8. Техническое обслуживание и диагностика
8.1. Регламентное обслуживание
Техническое обслуживание подшипниковых узлов опорных роликов включает:
| Вид работ | Периодичность | Выполняемые операции |
|---|---|---|
| Ежедневный осмотр | Каждую смену | Визуальный контроль, проверка температуры, контроль утечек смазки |
| Пополнение смазки | Согласно графику (1 раз в неделю - месяц) | Добавление консистентной смазки или проверка уровня масла |
| Вибродиагностика | Ежемесячно | Измерение вибрации, анализ спектра |
| Проверка зазоров | При остановках | Измерение зазоров в подшипниках, проверка посадки |
| Полная ревизия | 1 раз в 1-3 года | Вскрытие узлов, осмотр подшипников, замена при необходимости |
8.2. Диагностика состояния подшипников
Современные методы диагностики позволяют оценивать состояние подшипников без разборки узлов:
- Вибрационный анализ - выявление дефектов по характерным частотам (частоты перекатывания тел качения, сепаратора, колец);
- Термография - обнаружение локальных перегревов, свидетельствующих о повышенном трении;
- Анализ масла - определение содержания продуктов износа, загрязнений, деградации смазки;
- Ультразвуковая диагностика - раннее обнаружение дефектов смазки и подшипников.
8.3. Признаки износа и повреждений
Основные признаки, указывающие на необходимость замены подшипников:
- Повышение температуры узла более чем на 20 С относительно нормы;
- Увеличение уровня вибрации в 2-3 раза;
- Появление характерного шума (гула, скрежета, щелчков);
- Увеличение радиального зазора выше допустимого;
- Обнаружение металлических частиц в смазке;
- Следы питтинга, сколов или трещин на дорожках качения при ревизии.
9. Часто задаваемые вопросы
Для опорных роликов современных цементных печей наиболее широко применяются двухрядные сферические роликовые подшипники серий 230, 231, 232, 239, 240, 241 по международной классификации ISO. Эти подшипники обладают высокой радиальной грузоподъёмностью, способны воспринимать осевые нагрузки до 25% от неиспользованной радиальной и компенсировать угловые перекосы от 1 до 3 градусов в зависимости от серии, что критически важно для работы в условиях деформаций корпуса печи.
Для подшипников опорных роликов, работающих при повышенных температурах (80-120 С) и значительных нагрузках, рекомендуется выбирать подшипники с увеличенным радиальным зазором группы C3 или C4 по классификации ISO. Увеличенный зазор компенсирует температурное расширение внутреннего кольца и уменьшение зазора под действием посадочного натяга, предотвращая заклинивание подшипника при работе.
Периодичность пополнения смазки зависит от типа смазочного материала, температуры подшипника и условий работы. Для консистентной смазки при температуре до 70 С интервал может составлять 2-4 недели. При повышении температуры на каждые 15 С выше 70 С интервал сокращается вдвое. Современные централизованные системы смазки обеспечивают автоматическую подачу смазки с заданной периодичностью, что повышает надёжность и снижает трудозатраты на обслуживание.
Основные причины преждевременного выхода из строя подшипников: недостаточная или загрязнённая смазка (около 50% отказов); неправильный монтаж (перекосы, чрезмерный или недостаточный натяг); перегрузки из-за неравномерного распределения нагрузки между опорами; повышенные осевые силы при неправильной регулировке положения роликов; попадание абразивных частиц и влаги; усталостный износ при исчерпании ресурса. Регулярный мониторинг и своевременное техническое обслуживание позволяют предотвратить большинство отказов.
Оптимальная регулировка упорных роликов достигается, когда печь слегка упирается в нижний упорный ролик, а осевые нагрузки на подшипники минимальны. Для контроля используются датчики давления гидросистемы или датчики положения на гидроупорах. При правильной настройке печь должна совершать небольшие осевые колебания в пределах 10-30 мм с периодом, соответствующим нескольким оборотам.
Для упорных роликов применяются подшипники, способные воспринимать комбинированные нагрузки: радиальные от веса ролика и осевые от контакта с бандажом печи. Наиболее часто используются радиально-упорные конические роликовые подшипники, смонтированные по О-образной или Х-образной схеме, или комбинация радиального сферического подшипника с упорным.
Выверку печи рекомендуется проводить: при вводе в эксплуатацию; после замены бандажей, опорных роликов или их подшипников; при обнаружении повышенного износа бандажей или роликов; при увеличении потребляемой мощности привода; после значительных ремонтов корпуса; периодически (раз в 1-3 года) для контроля состояния. Выверка выполняется как в холодном, так и в горячем состоянии для учёта температурных деформаций.
Для стандартных сферических роликовых подшипников из закалённой подшипниковой стали допустимая рабочая температура составляет до 120-150 С в зависимости от типа сепаратора и смазки. Подшипники со стальным или латунным сепаратором работают при температурах до 150-200 С, с полиамидным сепаратором - до 120 С. При работе вблизи горячих зон рекомендуется применять систему охлаждения корпусов подшипников для поддержания оптимального температурного режима.
Источники
- ГОСТ 5721-75. Подшипники роликовые радиальные сферические двухрядные. Типы и основные размеры (с изменениями N 1, 2).
- ГОСТ 24696-81. Подшипники роликовые радиальные сферические двухрядные с симметричными роликами. Основные размеры (с изменением N 1).
- ГОСТ 18855-2013 (ISO 281:2007). Подшипники качения. Динамическая грузоподъёмность и номинальный ресурс.
- ISO 15:1998. Rolling bearings - Radial bearings - Boundary dimensions, general plan.
- SKF Group. Rolling bearings catalogue. PUB BU/P1 10000/2 EN.
- Schaeffler Technologies AG. Spherical roller bearings. Technical documentation.
- Дуда В. Цемент. Перевод с немецкого. - М.: Стройиздат, 1981.
- Сапожников М.Я. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. - М.: Высшая школа, 1971.
- Богданов В.С., Несмеянов Н.П. Вращающиеся печи цементной промышленности. - Белгород: БГТУ, 2017.
