板坯連鑄機扇形段驅(qū)動輥水冷剖分軸承設計

王長興，陳彥仲，吉 微，曲新靜，郭輝力

(1.河北銀河軸承有限公司，河北 邯鄲 056000;2.邯鄲市軋機軸承工程技術研究中心，河北 邯鄲 056700;3.洛陽大華重型機械有限公司，河南 洛陽 471000)

0 前言

板坯連鑄機冶金長度較長，直到矯直區(qū)板坯都處于液芯狀態(tài)。板坯從結(jié)晶器出來，由于鼓肚力的存在，必須獲得足夠的支承使其凝固成型。為了實現(xiàn)夾持和引導板坯的功能，二次冷卻區(qū)支承裝置采用支撐輥結(jié)構(gòu)。板坯連鑄機依靠驅(qū)動輥把結(jié)晶器內(nèi)形成的具有一定厚度坯殼的板坯沿導向段拉出。板坯連鑄機扇形段支撐輥主要有整體式分段輥、芯軸式輥、分段組合式輥［1-3］。為改善受力情況、增加輥子剛度、改善坯形，扇形段驅(qū)動輥要增加中間支承。

1 軸承選型及結(jié)構(gòu)

板坯連鑄機扇形段驅(qū)動輥傳遞扭矩較大，一般選用整體式分段輥、芯軸式輥，如圖1所示。整體式分段輥輥身長，受力后易撓曲，影響輥縫及鑄坯質(zhì)量，因此需要增加中間支撐軸承。剖分式軸承主要用于無法安裝普通軸承的多點支撐的長軸或曲軸上。由圖1可知，整體式分段輥結(jié)構(gòu)中間支承，只能采用剖分式軸承。連鑄機扇形段驅(qū)動輥用剖分式軸承主要有剖分式調(diào)心滾子軸承和剖分式圓柱滾子軸承兩種類型。

圖1 驅(qū)動輥形式Fig.1 Forms of driving roll

剖分式調(diào)心滾子軸承外圈、內(nèi)圈、滾動體都是球面，可自動補償支撐輥運轉(zhuǎn)過程系統(tǒng)的初始偏心和動態(tài)偏心，改善由于支撐輥撓曲造成的不利影響。調(diào)心滾子軸承本身不具有軸向調(diào)節(jié)功能，而是通過內(nèi)圈與輥徑松配合，依靠輥徑和軸承內(nèi)徑的相對滑動來實現(xiàn)支撐輥膨脹伸長產(chǎn)生的軸向竄動。剖分式調(diào)心滾子軸承必須采用保持架才能正常運轉(zhuǎn)，滾動體數(shù)量的減少降低了軸承的負荷性能。此外，調(diào)心滾子軸承由于其特有的結(jié)構(gòu)，冷卻通道面積較小，冷卻效果不及圓柱滾子軸承。

剖分式圓柱滾子軸承外圈可以設計為外球面，從而補償普通圓柱滾子軸承不具有的調(diào)心性能，且軸承采用外圈無擋邊，內(nèi)圈雙擋邊結(jié)構(gòu)，軸承外圈與軸承座孔之間可以實現(xiàn)軸向的自由竄動，適應支撐輥的熱膨脹。圓柱滾子軸承可以設計為滿裝結(jié)構(gòu)，最大限度的提高軸承的承載能力，特別是連鑄機驅(qū)動輥軸承低速重載、高溫水氣等惡劣工況下，更要求軸承有高的靜載荷承載能力。

本文所述板坯連鑄機扇形段驅(qū)動輥軸承為水冷剖分式滿裝圓柱滾子軸承。

2 軸承使用工況

連鑄生產(chǎn)的連續(xù)性，使軸承長期在高溫、重載、重污染的環(huán)境中運行。為保證軸承在滿足連鑄生產(chǎn)工況條件下可靠運行，設計的軸承需要考慮以下因素。

(1)連鑄機輥子始終與溫度高達1 000℃左右的鑄坯直接接觸［4-5］。

(2)連鑄板坯的鼓肚力和鑄坯矯直產(chǎn)生的反力［1］，全部由輥子支承軸承承受，軸承載荷極大。

(3)板坯連鑄機板坯工作拉速不高于2 m/min［6］，支撐軸承轉(zhuǎn)速約 1 ～3 r/min，軸承轉(zhuǎn)速低。

(4)驅(qū)動輥為整體輥，受溫度影響會產(chǎn)生較大軸向膨脹，要求軸承具有軸向竄動能力［7］。

(5)輥子同軸度偏差、過鋼時產(chǎn)生輥子撓曲要求軸承具有調(diào)心性能［8］。

(6)鑄坯要進行水冷卻，軸承在大量水分、高溫蒸汽和氧化屑環(huán)境中運行。

3 軸承設計

因為軸承轉(zhuǎn)速較低，近似工作在靜止狀態(tài)，軸承的動態(tài)承載能力可不考慮，軸承設計主要考慮靜載荷能力，采用滿裝滾動體設計方案可以在有限小的設計空間實現(xiàn)高載荷，滿足連鑄機重載荷工況的需要。

3.1 結(jié)構(gòu)設計

水冷剖分式滿裝圓柱滾子軸承裝配圖如圖2所示，主要由軸承座、兩半內(nèi)圈、半外圈、滾動體、夾緊圈及密封裝置組成。兩半內(nèi)圈通過夾緊圈夾緊與驅(qū)動輥輥頸配合，同時夾緊圈夾緊定位后還起到軸承內(nèi)圈擋邊的作用，用以引導滾動體正常運轉(zhuǎn)。

圖2 水冷剖分式滿裝圓柱滾子軸承裝配圖Fig.2 Assembly drawing of water-cooled split bearing with cylindrical rollers

如圖3所示，軸承采用半外圈設計，外徑面為外球面，相對應的下半軸承座相應的安裝位置設計為內(nèi)球面。上半軸承座內(nèi)徑面作為軸承上半外圈滾道，上半軸承座即是軸承上半外圈。連鑄機工作時，為防止高溫板坯與軸承座直接接觸，軸承座頂部要與板坯有安全距離，如圖2左視圖H2所示。同一根驅(qū)動軸，若軸承不采用半外圈結(jié)構(gòu)設計，軸承總高就要加大，為防止接觸，就必須減小滾動體，這樣勢必會降低軸承的承載能力，若減小輥徑則會降低驅(qū)動輥的整體強度。半外圈結(jié)構(gòu)設計可以降低軸承座高度和驅(qū)動輥直徑，便于安裝更大直徑的輥子。

圖3 半外圈Fig.3 Half outer ring

上半軸承座與半外圈平面B的配合面，如圖4所示，與半外圈外球面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使軸承能夠適應驅(qū)動輥或軸承座變形造成的偏心，本軸承設計的抗偏心能力最大可達3°。軸承與輥子兩軸肩間隔H1≈10 mm，半外圈采用無擋邊設計，滾道比滾動體直徑寬2×H3，滾動體可以在外滾道上軸向游動，適應驅(qū)動輥受熱膨脹伸長。

圖4 上半軸承座平面局部剖視圖Fig.4 Part sectioned view of upper-half bearing seat

連鑄機工作時，軸承受到高溫板坯熱輻射以及來自輥子傳遞的熱量，良好的冷卻才能保證軸承的正常運轉(zhuǎn)。通過輥子冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)軸承內(nèi)圈冷卻［9］。剖分軸承設計了軸承座專用冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，如圖5所示。軸承座通過驅(qū)動輥支座提供冷卻水，冷卻水按圖示箭頭方向循環(huán)。上、下軸承座水路接口處利用“O”形密封圈密封，防止漏水。上半軸承座頂部水冷腔面積，大為防止生銹堵塞，軸承座蓋板采用不銹鋼材質(zhì)焊接到軸承座上。通過循環(huán)水冷卻，軸承溫度能保持在60～80℃左右，大大改善了軸承在高溫環(huán)境下的運行條件。剖分調(diào)心滾子軸承外圈滾道為球面，水冷腔處厚度薄厚不均，冷卻效果相對圓柱滾子軸承較差。

圖5 水冷卻循環(huán)Fig.5 Circular path of cooling water

軸承座底部均布著四個螺紋孔，如圖2中A向視圖所示，用于將軸承固定在驅(qū)動輥支座上，其中兩個對角分布的螺紋孔兼作潤滑油輸送接口用，下軸承座底部鍵槽用于軸承定位。軸承潤滑油路，如圖6所示，潤滑油直接向軸承滾道潤滑，提高了潤滑效果。

圖6 潤滑油路Fig.6 Circular path of lubrication oil

水冷剖分式軸承采用多重密封結(jié)構(gòu)，如圖2左視圖所示。銅制“迷宮式”密封圈是第一道密封，采用剖分式結(jié)構(gòu)。安裝在銅制“迷宮式”密封上的密封為利用彈性圈組成的螺旋纏繞迷宮式密封、氟橡膠唇式密封或者兩者組合密封。多重密封結(jié)構(gòu)使軸承在高溫環(huán)境中阻止水分、水汽或氧化鐵屑等對軸承的污染，保證潤滑及清潔，延長了軸承壽命。

3.2 軸承潤滑［10］

水冷剖分式軸承的潤滑有脂潤滑和油氣潤滑兩種方式，用戶根據(jù)設備狀況選用不同的潤滑方式。

(1)脂潤滑。扇形段驅(qū)動輥支撐軸承長期在高溫、低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，軸承滾子與滾道間潤滑油膜很難形成［10］。水冷剖分軸承潤滑脂必須有足夠高的黏度才能在運行中將滾動體與滾道分開，使軸承能保持較長的使用壽命，潤滑脂基礎油黏度要求為ISO VG 1500，并在潤滑脂中添加極壓添加劑，高粘度潤滑劑還有助于密封。連鑄機的潤滑一般采用潤滑脂自動配送系統(tǒng)，為各個連鑄機支撐軸承提供潤滑脂，其對軸承的潤滑特點為泵送次數(shù)頻繁，單次輸送量相對較少，潤滑脂的輸送量通常少于5 mL，輸送頻率一般在6～10次/h，間隔時間不得大于10 min。這樣既為軸承提供了新鮮的潤滑脂，又清除了老化油脂和污垢。

(2)油氣潤滑。利用壓縮空氣驅(qū)動油膜，經(jīng)配送管道輸送至軸承，如圖7所示。該系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)，在清潔軸承的同時保證新鮮的潤滑劑流向軸承。采用油氣潤滑系統(tǒng)可大大降低潤滑劑的消耗。油氣系統(tǒng)使用1/100的潤滑劑，預先加壓使軸承內(nèi)雜質(zhì)排除。

圖7 軸承油氣潤滑系統(tǒng)Fig.7 Oil-air lubrication system of bearings

4 軸承使用要求

(1)軸承負荷比應滿足Cor/P＞3.5，P為軸承當量靜負荷，Cor為軸承額定靜負荷。軸承負載區(qū)域與軸承承受的負荷大小及軸承游隙有關，在確定的游隙條件下根據(jù)承載負荷可計算出負載區(qū)域，從而確定軸承選用是否合適。計算過程可參考相關資料。水冷軸承采用半外圈設計，軸承運轉(zhuǎn)時負載區(qū)應該分布在半外圈(圖8所示陰影部分)，負載區(qū)不允許超過180°。當軸承負荷區(qū)小于120°時，負荷比可適當減小，此時軸承的靜態(tài)載荷利用率較高。

圖8 軸承負荷區(qū)Fig.8 Bearing load area

(2)軸承游隙大小直接影響軸承的載荷分布、振動、磨損以及運轉(zhuǎn)精度等。游隙選擇合適與否直接影響軸承的使用壽命，根據(jù)水冷剖分式軸承的使用工況推薦選用C3組游隙。

(3)軸承配合。水冷剖分式圓柱滾子軸承用于扇形段驅(qū)動輥的中間支撐，由于驅(qū)動輥的長度會隨溫度的變化而改變，軸承必須適應中間支撐位的浮動。因此，軸承內(nèi)圈與輥徑采用間隙配合或過渡配合安裝，使輥徑能夠在軸承孔內(nèi)前后浮動，且軸承的更換過程也大大簡化。軸的加工要求一般為h7。

(4)驅(qū)動輥與軸承座兩端面距離H1的值應根據(jù)驅(qū)動輥受熱軸向膨脹量確定，一般H1約為10 mm;軸承座蓋板與驅(qū)動輥輥面距離H2大于10 mm。

(5)同一根驅(qū)動輥的中間支撐軸承安裝輥徑需要控制同軸度，防止軸承承載不均導致軸承過早損壞。

(6)軸承工作現(xiàn)場可將冷卻水循環(huán)加壓到約1.2 MPa進行冷卻效果測試。

5 結(jié)束語

水冷剖分圓柱滾子軸承采用滿裝滾動體設計，最大化了軸承承載能力;冷卻循環(huán)水路設計使得軸承能夠在60～90℃運轉(zhuǎn);多重密封結(jié)構(gòu)阻止了外界水分、氧化鐵屑等雜質(zhì)對軸承的侵蝕;軸承座特殊結(jié)構(gòu)設計使軸承能夠?qū)崿F(xiàn)±3°自動調(diào)心，保證了軸承與驅(qū)動輥的協(xié)調(diào);半外圈設計可以降低軸承座高度和輥子直徑;潤滑方式的設計保證了軸承在極低轉(zhuǎn)速下潤滑油膜的形成。水冷剖分圓柱滾子軸承能夠適應連鑄機對軸承正常運轉(zhuǎn)的苛刻要求。

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