燒結機卡輪用滿裝圓柱滾子軸承

阮娟，張雪，張鋼，王慶祥，白華

(1．上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072； 2．優必勝(上海)精密軸承制造有限公司，上海 200444)

從世界范圍來看，由于鋼鐵生產能力過剩，競爭愈來愈激烈，只有生產出質量高、成本低的產品，才能在市場中立足。燒結作為鋼鐵生產的第一環節，提高燒結機設備的效率和使用壽命是降低生產成本的重要方面。臺車的性能優劣直接影響燒結機的使用，而卡輪又對臺車的正常運轉起著基礎性的作用，為了延長臺車的壽命，提高燒結產量，對卡輪結構的改進和研究具有重要的意義。

下文結合某450 m2燒結機生產線臺車的實際情況，設計了一種雙列滿裝圓柱滾子軸承，以代替原來的滑動軸承。

1 改造前燒結機臺車卡輪結構及工況

燒結機臺車是燒結機的重要部件之一，數量居多，在高溫多粉塵狀況下工作，承載重，受沖擊大，工作環境惡劣。臺車在燒結機頭部裝滿混合料后向尾部運行，上表面的混合料在點火爐下部點火，在抽風負壓作用下，混合料開始被燒結，臺車運行至燒結生產線尾部時燒結完成，整個過程中臺車的運動通過下部4個車輪的轉動驅動。卡輪位于車輪和車體之間，主要作用是在臺車頭輪上升和尾輪下翻的彎道運動中通過與星輪齒板的嚙合傳動來帶動臺車的順利翻轉，并驅動整條燒結機臺車生產線運動，其不僅要承受臺車上所有的重量和生產線上所有臺車的擠壓作用力引起的脈動熱應力，還要承受頭、尾彎道處的沖擊[1]。

傳統的燒結機卡輪為滑動軸承結構，由軸套、卡輪體和2個隔離環組成，如圖1所示。

軸套裝在臺車體和車輪之間的輪軸上，卡輪體套于軸套上，隔離環位于卡輪體兩側，靠軸端部注脂孔注脂潤滑。因工作溫度高，卡輪不能采用常規的橡膠密封件對兩側的縫隙進行密封，而且無法加入特殊的密封結構，從而造成大量的灰塵、鐵屑從其兩側的縫隙進入卡輪內部，造成潤滑脂流失、結焦，注脂孔堵塞等，極易產生干摩擦現象，致使卡輪體和軸套之間的滑動摩擦系數達0.1～0.5，甚至更大，導致動力消耗加劇，運行成本增加，卡輪各個部件間的磨損加快，極易造成軸套、軸頸嚴重磨損而報廢或軸、軸套、卡輪體間的咬死[2]。此外，軸套和隔離環均由錫青銅制造，耐磨性較差，平均使用壽命只有半年，需要頻繁更換，嚴重影響了燒結機的工作效率，維護成本巨大。

1—車軸；2—臺車體；3，6—隔離環；4—軸套；5—卡輪體；7—車輪

2 雙列滿裝圓柱滾子軸承

2.1 結構及其特點

根據臺車卡輪實際工況開發的雙列滿裝圓柱滾子軸承如圖2所示。

1—卡環；2—擋圈；3—注脂槽；4—注脂孔；5—內圈；6—滾子；7—外圈

該軸承由外圈、內圈、滾子、擋圈和耐高溫彈簧密封卡環組成。內圈安裝在卡輪軸上，與軸過盈配合，內圈軸向方向的中間部位有注脂孔；2個擋圈分別安裝在內圈兩邊，與卡輪軸直接接觸；內圈外部注脂孔兩側有2列滿裝圓柱滾子；外圈兩端與2個擋圈接觸配合，中間與滾子配合；2個擋圈與外圈配合處各安裝有一對密封彈簧卡環。

該卡輪軸承結構的優點在于：(1)耐高溫密封件由2件錯開布置的彈簧卡環組成，卡環上設有開口，具有一定的徑向收縮彈性，便于安裝并與擋圈和外圈的貼合更為緊密，卡環開口錯開布置，能形成有效的密封，防止灰塵的侵入，潤滑脂不易損壞和泄漏，可以實現長時間免維修使用；(2)內圈軸向方向的中間部位有4個注脂孔，可連通注脂槽和滾道，在給卡輪添加潤滑脂時，潤滑脂通過臺車軸上的注脂通道進入內圈的注脂槽，再通過注脂孔進入滾道，可以有效避免在添加潤滑脂時將外部灰塵帶入卡輪內部，保持軸承內部潔凈，減少摩擦，同時也方便了潤滑脂的添加和維護；(3)將傳統卡輪中的滑動摩擦轉變為滾動摩擦，摩擦系數可下降至0.002，減少了動力消耗，使運行成本大大降低。考慮到該卡輪軸承內圈固定、外圈承載大、有沖擊、運轉速度低的工況，采取去掉保持架，改用擋圈引導的雙列滿裝滾子的形式，并適度減小滾子的直徑，增加滾子個數及外圈厚度[3]，從而極大地提高了卡輪軸承的徑向承載能力和外圈強度。安裝了雙列滿裝圓柱滾子軸承后的新型卡輪結構如圖3所示。

1—擋圈；2—外圈；3—滾子；4—注油孔；5—內圈；6—卡環；7—車輪；8—注油通道；

2.2 壽命計算

雙列滿裝圓柱滾子卡輪軸承的基本參數為：外徑D=250 mm，內徑d=160 mm，滾子直徑Dw=6 mm，滾子長度Lw=42 mm，滾子列數i=2，滾子組節圓直徑Dpw=187.2 mm。

圓柱滾子軸承額定動載荷為

(1)

式中：bm，fc為載荷系數，查得bm=1.1，fc=67.36。

額定靜載荷公式為

C0r=44(1-Dw/Dpw)iZLwDw。

(2)

據此計算出軸承基本額定動、靜載荷分別為Cr=496.2 kN和C0r=2 103.6 kN。

依據450 m2燒結機生產線的總體情況估算卡輪軸承所受徑向載荷的最大極限為939.68 kN；臺車2小時走一圈，卡輪轉速約為n=0.008 33 r/min。當量動、靜載荷P，P0都取其極限值。對卡輪軸承的靜承載能力和壽命進行校核：靜載安全系數S=C0r/P0=2.24，大于沖擊載荷條件下許用安全系數2。

壽命Lh為

(3)

計算結果為238 118 h，約27年，遠遠大于10年的設計壽命要求。因此，從理論上講，該雙列滿裝圓柱滾子軸承不論在安全性能方面還是在使用壽命上都滿足了設計要求，比傳統滑動軸承有著顯著的優勢。

2.3 熱處理方法

為使該卡輪軸承更大程度地滿足耐高溫、長壽命的性能要求，對其各個零件選用不同的材料，熱處理過程嚴格控制滾道面及其他工作表面的硬度。外圈選用42CrMo滲碳軸承鋼，先整體調質到220～250 HB，然后滾道表面高頻淬火到54～58 HRC,其他工作表面高頻淬火到45～50 HRC (耐磨和耐沖擊)；內圈和擋圈選用GCr15SiMn高鉻軸承鋼，內圈滾道表面高頻淬火到56～60 HRC；滾子選用GCr15，全透淬火到58～62 HRC；最后外圈、內圈、擋圈和滾子都采用250 ℃高溫回火處理，來消除淬火附加應力，增加韌性，確保在200 ℃的高溫環境中能正常工作。為了防止套圈產生裂紋，熱處理過程中必須嚴格控制淬、回火的加熱和冷卻速度，過大或過小都將導致套圈的開裂和淬火變形。密封卡環選用65Mn高錳彈簧鋼。軸承內加注能承受200 ℃的耐高溫潤滑脂，注脂量應達到注脂空間的1/3～1/2。

3 應用實例

將試制的20套雙列滿裝圓柱滾子軸承安裝在某公司450 m2燒結生產線燒結機上進行試用。為了檢驗效果，在87，112和159號臺車的12個卡輪中安裝雙列滿裝圓柱滾子軸承，而其他的臺車仍然使用傳統的滑動軸承。裝有雙列滿裝圓柱滾子軸承的臺車良好運行了15個月，整體大修時將換下的軸承拆開，發現其零部件仍然良好；而其他臺車中的滑動軸承已經維修了若干次(平均3個月一小修，6個月一大修)，甚至有的銅套由于磨損嚴重已經更換掉。可見，雙列滿裝圓柱滾子軸承比傳統的滑動軸承更具有優越性，能更好地支持燒結機工作。

4 結束語

試用表明，燒結機臺車卡輪采用雙列滿裝圓柱滾子軸承比滑動軸承有更大的優越性。該雙列滿裝圓柱滾子軸承具有使用壽命長、密封性能好、承載能力大和耐沖擊等特點。由于潤滑脂不易被破壞，無需頻繁更換，降低了維修成本，提高了燒結機的工作效率，增加了燒結產量，減小了動力消耗，降低了運行成本。