Johtotelojen laakerien tribologia paperikoneen kuivatusosalla

Abstract

Pulp is dried in the drying section of a paper machine. The drying section consists of drying cylinders, drying wires and guide rolls. The paper is dried with hot steam which is directed to the cylinders. Heat and humidity evaporating from the paper cause challenging conditions for machine design. In this Bachelor’s thesis, the properties and failure of guide roll bearings are researched. Unpredicted failure of bearings can cause unplanned paper machine shutdown. They cause extra costs and waste in production. The goal of this thesis is to find out the main reasons of failure and ways to predict and prevent them. This thesis is based on a paper machine at a Finnish paper mill. The thesis is a literature review on tribology and paper industry. Guide rolls at the mill are made of tubular steel and their bearings are grease lubricated. Failure of bearings can be classified to six types by the standard ISO 15243:2004. In addition to failure, lubrication, maintenance and monitoring and their relationship to failure of bearing were researched. The main types of bearing failure are wear and fatigue. Dirt eddying to the rolling surfaces of bearing and issues in lubrication cause wear. Fatigue is caused by high cycled strain. The study shows that unpredicted failure can be prevented proper lubricant, strict monitor-ing and proactive maintenance. The following solutions were found in this thesis. Temperature and failure of bearing can be controlled by replacing grease lubrication with circular oil lubrication. Larger bearings bear higher load. Guide roll can also be replaced by a carbon fiber composite rolls to make it lighter. In the fitting process, extreme caution can be exercised. However, the first three solutions require remarkable investments which are recommended to compare with the costs caused by failures of bearings.

Paperikoneen kuivatusosalla kuivatetaan sen läpi kulkevaa paperimassaa. Kuivatusosa koostuu kuivatussylintereistä, -viiroista ja johtoteloista. Sylintereihin johdetaan kuumaa höyryä, jonka avulla paperia kuivatetaan. Lämpö ja paperista haihtuva kosteus aiheuttavat haastavat olosuhteet koneensuunnittelun näkökulmasta. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan johtotelojen laakerien ominaisuuksia ja vikaantumista. Laakerien ennakoimaton vikaantuminen aiheuttaa paperikoneella suunnittelemattomia koneseisakkeja. Tarpeettomat koneseisakit aiheuttavat ylimääräisiä kustannuksia ja hukkaa tuotannossa. Työn tavoite on selvittää tärkeimmät vikaantumisen taustalla olevat tekijät sekä keinoja vikaantumisen ennakoimiseen ja ehkäisemiseen. Tässä työssä tarkastellaan erään suomalaisen tehtaan paperikonetta. Työ on kirjallisuuskatsaus aiheesta, ja tutkimuksen aineistona on käytetty erilaisia tribologiaan ja paperiteollisuuteen liittyviä lähteitä. Kohteen johtotelat ovat teräsputkirunkoisia ja rasvavoideltuja pallomaisin rullalaakerein laakeroituja teloja. Laakerien vikaantuminen voidaan jakaa standardin ISO 15243:2004 mukaan kuuteen vikaantumistyyppiin, joita ovat kuluminen, korroosio, väsyminen, plastinen muodonmuutos, murtuminen ja sähköeroosio. Työtä tehdessä havaittiin, että metallipintojen ominaisuuksia ja erityisesti vikaantumista on tutkittu paljon, ja aiheeseen liittyviä lähteitä löytyi hyvin. Vikaantumisen lisäksi työssä tutkittiin laakerien voitelua, kunnossapitoa ja kunnonvalvontaa ja niiden yhteyttä laakerien vikaantumiseen. Laakerien tärkeimmät vikaantumistyypit ovat kuluminen ja väsyminen. Laakerin vierintäpinnoille kulkeutuvat likapartikkelit ja voitelun häiriöt aiheuttavat kulumista. Väsyminen aiheutuu laakerille kohdistuvasta kovasta toistuvasta kuormituksesta. Tutkimus osoittaa, että laakerien ennakoimattomaan vikaantumiseen voidaan vaikuttaa oikeanlaisella voiteluaineella, tehokkaalla kunnonvalvonnalla ja ennakoivalla kunnossapidolla. Työssä esitetään seuraavat keinot laakerin vikaantumisherkkyyden pienentämiseksi. Laakerin lämpötilaa ja vikaantumista voidaan hallita vaihtamalla rasvavoitelu kiertoöljyvoiteluksi. Laakerille kohdistuvaa kuormaa voidaan pienentää suurentamalla laakeria, jolloin kuorma jakautuu suuremmalle alalle. Tela voidaan muuttaa hiilikuituiseksi komposiittitelaksi, jolloin se kevenee ja laakerille kohdistuva kuorma pienenee. Telan ja laakerin asennusvaiheessa voidaan kiinnittää enemmän huomiota huolellisuuteen, jolloin asennusvirheen aiheuttaman vikaantumisen mahdollisuus pienenee. Keinoista kolme ensimmäistä aiheuttavat suuria kustannuksia ja niitä tulisi verrata laakerivikojen aiheuttamiin kustannuksiin, jotta voidaan selvittää ovatko ratkaisut realistisia toteuttaa.