延長HC軋機中間輥軸承使用壽命的技術改進

摘 要：隨著國民經濟的發展和科技的進步，市場對冷軋板帶的質量要求越來越高。國內現有的169條冷軋產線和7 973萬噸冷軋實際產能使市場競爭異常激烈，降低生產成本已成為企業謀求發展的重要途徑。軋輥軸承作為軋機的主要大型消耗部件之一，價格昂貴，軸承的使用壽命對軋制成本和生產效率有著重要的影響。文章主要通過延長HC軋機中間輥軸承使用壽命技術改進。

關鍵詞：中間輥軸；技術改進

中圖分類號：TG333 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）12-0025-05

冷軋板帶作為作為鋼鐵產品鏈中最為高端的一部分，廣泛應用于大小家電、汽車、門業、電器（氣）櫥柜及冷軋延伸產品（鍍鋅、彩涂）等行業。隨著國民經濟的發展和科技的進步，市場對冷軋板帶的質量要求越來越高。國內現有的169條冷軋產線和7 973萬 t冷軋實際產能使市場競爭異常激烈，降低生產成本已成為企業謀求發展的重要途徑。軋輥軸承作為軋機的主要大型消耗部件之一，價格昂貴，軸承的使用壽命對軋制成本和生產效率有著重要的影響。軋輥軸承工況惡劣，承受負荷大，磨損嚴重，故障機理復雜，同時又受到隨機性參量的干擾，故障診斷與監測、使用維修歷來存在較大的困難，軸承燒損等事故時有發生，嚴重時甚至損壞軋輥造成重大損失并嚴重影響生產的正常秩序。

軸承的使用壽命是指軸承在主機良好的工況條件下運轉至軸承滾動表面出現金屬疲勞剝落時的運行時間。軸承的失效報廢主要有以下三種：

①軸承元件的滾動接觸表面出現嚴重的疲勞剝落，這是正常失效形式，與被軋鋼板的的產量有關；②輥頸與軸承內環發生粘結（即軸承燒損）而報廢，屬非正常失效，與被軋鋼板的的產量沒有直接關系；③軸承內部保持架、墊圈、擋邊因過渡磨損而損壞。

由于軸承燒損而停產帶來的損失遠大于軸承本身價值，所以提高軋輥軸承性能、改善軸承的承載環境能夠有效地提高軋鋼的生產效益。因此分析研究軋輥軸承失效原因，以采取相應措施提高軋輥軸承的使用壽命、最大程度地減少軋輥軸承的消耗就顯得十分重要并具有長遠意義。

1 課題背景

我廠冷連軋機組自投產后工作輥及中間輥軸承頻頻出現燒損，與之相關的軸承座、軋輥也不斷被燒傷、報廢，每次燒損后的軸承備件損失和軸承座修復大約3萬元，如果軸承燒損嚴重導致軸承座直接報廢的境界損失大約在8萬元左右。因此，頻繁的軸承燒損給機組的生產順行和生產成本帶來了極大壓力。經多方努力，攀鋼冷軋廠于2000年將HC軋機原有的油霧潤滑系統升級為油氣潤滑系統后，軋機工作輥及中間輥軸承的潤滑效果和散熱條件得到了改善，軸承大面積燒損現象得到了抑制，但中間輥軸承燒損事故仍時有發生，和原有根除該故障的目標相去甚遠。經統計（見表1），從2008年1月～2009年6月期間，HC軋機中間輥軸承燒損共計已達79次，其中僅2#機架下中間輥傳動側軸承燒損共計已達67次，占軸承燒損的84.8%，且燒損頻率出現加劇趨勢，因軸承燒損累計造成的直接經濟損失已達384.7萬元（僅含軸承、軸承座及軋輥）。部分燒損軸承總過鋼量不足10萬 t，甚至個別軸承上機僅10余天，總過鋼量僅2萬 t左右即因燒損報廢（見表2），軸承壽命嚴重縮短。為此，我廠于2009年7月開展了以延長HC軋機中間輥軸承使用壽命為目的的技術攻關項目。項目組以HC軋機2#機架下中間輥傳動側軸承燒損為重點攻關對象，并將其研究成果應用于其余機架，從而達到延長HC軋機中間輥軸承使用壽命的目的。對于冷連軋機組來說，由于軋輥軸承的工況條件惡劣，可致軸承燒損的原因很多且錯綜復雜，通過9個月的課題研究，項目組從軋機工況條件、軸承潤滑以及軸承本身的維護管理等多方面查找原因，通過大量的數據收集和分析，找到了軸承燒損的主要原因，同時采取了行之有效的措施減少了軸承燒損，提高了生產效益。

2 HC軋機中間輥軸承座受力分析

我廠HC軋機中間輥僅上輥有平衡缸，主要用于換輥，軋制過程中平衡缸處于關閉狀態，因此中間輥軸承座主要承受軸向力和機架牌坊的水平支反力。

2.1 中間輥軸向力的形成及對軸承的影響

任何板帶軋機在軋制過程中都不可避免地會產生軸向力，這是由于軋鋼機固有的制造和安裝誤差、來料的橫向厚差、軋機使用過程中零部件（如襯板）的磨損與變形以及操作維護不當等等一系列因素引起的。

如圖1所示，支撐輥由中間輥帶動，當中間輥軸線與支撐輥軸線不平行時，將中間輥表面的線速度沿支撐輥軸線垂直方向分解，得到沿支撐輥軸線方向的分量v'=v sina a，該式表明，兩輥軸線的不平行使中間輥沿支撐輥軸線有相對運動的趨勢，由于a角通常很小，其軸向相對速度v'也很小，一般不會引起工作輥與支撐輥在軸向發生明顯的相對運動，但存在軸向的相對運動趨勢，必然存在阻止這種相對運動趨勢的軸向反力。該相對運動趨勢使兩輥間接觸帶發生軸向剪切變形，形成軸向剪應力。整個接觸帶上的剪應力之和為作用于中間輥與支撐輥上的軸向力，即中間輥與支撐輥間的軸向靜摩擦力。軸向力同工作輥、中間輥和支撐輥的安裝定位有著密切關系，如果軋輥間的軸線平行，不會存在軸向力，但實際工況比較惡劣，軸向力總是存在，故工作輥和中間輥軸承都要配備止推軸承或使用圓錐滾子軸承來承受一定的軸向載荷。有研究得出：對于普通的板帶軋機，工作輥與支撐輥交叉所產生的軸向力約為軋制力的3%～6%。

導致中間輥產生軸向力的主要原因還有因軋制力及彎輥力作用下產生的撓曲變形，并在中間輥軸承處形成偏轉角度，偏轉角的存在導致各列軸承和滾子的偏載（如圖2所示）。過大的偏載將使軸承運轉時急劇發熱，而造成軸承零件燒損、嚴重變形直至卡死，或造成軸承零件斷裂、破碎而過早失效。其它如帶鋼的板凸度、鐮刀彎、楔形軋制以及傳動系統的影響等亦是中間輥軸向力形成的主要原因。

軸向摩擦力使軋輥具有繞與軸線垂直的另一直線轉動的趨勢，使軸承偏載。水平方向產生很大的附加徑力，增大了軋輥軸承的負荷。HC軋機為了保持工作輥的穩定，一般在設計時，使中間輥的中心線相對于工作輥和支承輥的中心線有一偏移距，以便機架對中間輥軸承座的水平支反力大于零，且力的作用方向不變。由于附加徑向力的存在，降低了機架對軸承座水平反力的影響，中間輥系將處于不穩定的狀態，該狀態會降低軋制精度，加劇軋輥和軸承座滑板的磨損。

2.2 中間輥軸承座水平力分析

如圖3所示，除軸向載荷外，作用在工作輥上的載荷有：被軋板帶抗力P、中間輥對工作輥的作用力Pm、工作輥軸承的徑向支反力。當被軋板后張力T0大于前張力T1時，根據靜力平衡條件可得：

3 中間輥軸承燒損原因分析

我廠HC軋機中間輥軸承為四列圓錐滾子軸承（EE135111DW/135155-135156D）。中間輥軸承傳動側為固定端，操作側為自由端（如圖4所示）。

3.1 中間輥軸承軸向力異常原因分析

從表1可以看出，在2009年1～6月期間，中間輥軸承已共計燒損30次。其中又以2#機架下中間輥傳動側軸承燒損為主，占27次，上傳僅有1次。鑒于軸承燒損現象集中在2#機架下中間輥傳動側，具有較強的規律性。經解剖事故軸承座，發現保持架、滾動體、內外圈均出現嚴重磨損，部分軸承的第1列和第3列滾動體出現熔化，個別軸承甚至與軸承座粘結（如圖5所示）。

分析認為HC軋機中間輥軸承并不直接承受軋制力，而軸承所承受的徑向載荷十分有限，因此導致2#機架下中間輥傳動側軸承頻繁燒損的主要原因之一應是該機架軸承在軋制過程中承受了較大的軸向載荷。從大部分燒損軸承的第1列和第3列滾動體出現熔化的情況來看，其軸向力應指向軋機的操作側。根據軸承燒損原因的初步分析并結合軸承的實際工況條件，項目組分別從以下幾個方面進一步分析了2#機架軸向力異常的主要原因。

①由于中間輥中心線所在的垂直平面相對于工作輥和支撐輥中心線所在的垂直平面向出口側偏置一定距離e（e=6mm），加上軸承座與牌坊窗口內側面的間隙（固有的或磨損產生的），很容易出現軋輥交叉，產生過量的軸向力。經檢測，2#機架下支撐輥牌坊窗口襯板磨損嚴重，軸承座和牌坊窗口間隙增大，測量數據見表3。

由于襯板磨損不一致，導致機架中間輥軸線與支撐輥軸線不平行，兩輥間形成一定交叉角。如圖6所示為根據機架襯板距牌坊中心線間距實測值繪制的中間輥與支撐輥軸線交叉示意圖。

支承輥受的軸向力X1為：

式中，t為接觸面間的剪應力；A為支承輥與工作輥接觸面窄帶面積；P為軋機軋制力；f為最大靜摩擦力系數，取0.1；N為工作輥彎輥力。

我廠軋機工作輥采用8個彎輥液壓缸，因此：

式中，p為彎輥壓力；D為彎輥缸油腔活塞直徑。

將P=9 000 kN，p=100 bar，D=80 mm代入（5）和（6）式，得軸向力X1為940.19kN。

中間輥受到的軸向摩擦力主要是與支承輥間的軸向相對滑動引起的。因此中間輥受到的軸向力為X2=X1cosa。由于a較小，故a≈E/L（E為軋輥軸線水平面內偏移距離，經實測E=2 mm，L為中間輥兩軸承座中心距2 470 mm）。因此X2約為940 kN。

由于中間輥軸向定位在傳動側，操作側軸承為自由端，故傳動側軸承承受了較大的軸向力。

②軋制線調整裝置是軋機牌坊和主液壓缸建立軋制壓力的重要部件，該裝置主要由階梯板部件、斜鍥以及同步連桿部件等構成（如圖7所示）。其中斜鍥同步連接桿長度設計值為1 550 mm，通過該連接桿的長度調整，實現傳動側和操作側的軋制線絕對高度一致。如果兩側軋制線絕對高度不一致，機架輥系就會和軋制水平面產生一個傾角。當傾角超過一定范圍時，軋制力在空間輥系上就會產生一個較大的軸向分力。檢修時通過與其它機架斜鍥調整裝置同步連接桿對比后發現，2#機架連接桿發生變形，長度比正常機架短了6 mm，斜楔的水平距離有效行程為500 mm，垂直距離可調整范圍為0～25 mm，通過計算發現2#機架操作側液壓缸和軋制線調整裝置間的絕對高度比傳動側絕對高度高出0.3 mm，造成該機架輥系在軋制過程中傾斜，進而產生軸向分力，最終這個分力將作用在相對自由度較大的中間輥上，導致中間輥固定端軸承承受較大的軸向負荷。

3.2 中間輥軸承欠潤滑原因分析

下機后的大部分傳動側軸承拆開后發現滾動體和保持架均出現異常磨損，部分軸承內出現因高溫摩擦產生的氧化鐵粉，表現為明顯的欠潤滑特征。HC軋機中間輥操作側軸承座的油氣流入口處為方便人工拆裝的快速接頭，而傳動側軸承座為自動對中接頭（如圖8所示），在將輥系推入軋機牌坊時軸承座上的接頭和外接的油氣接口自動對接，依靠壓縮彈簧的彈力使密封墊壓緊在接頭處，從而保證油氣順利供送到軸承座內。通過檢查各機架中間輥鎖緊裝置上的油氣接頭，發現大多數壓縮彈簧均不能有效工作，其中2#機架彈簧完全失效。另外因軸向力原因導致所有機架傳動側軸承鎖緊裝置操作側襯板嚴重磨損，間隙增大，當中間輥向操作側串動后，由于壓縮彈簧失效導致密封墊不能緊壓在軸承座上的接頭上，造成進入軸承內的油氣流量減少，故導致中間輥傳動側軸承普遍出現潤滑不良。經測量2#機架下中間輥鎖緊襯板磨損最為嚴重，抓勾兩側襯板磨損總量達到11 mm，抓勾開口度達到93 mm（設計值82 mm），其余機架以及2#機架上中間輥鎖緊抓勾兩側襯板磨損總量均在2～3 mm左右，抓勾開口度為84～85 mm，因此可以判斷2#機架下中間輥傳動側軸承潤滑狀況最差，加上過載的軸向力影響，故導致2#機架下中間輥傳動側軸承頻繁燒損。

4 改進思路

①安裝軋輥軸向力測量裝置，以監測軸承軸向受力情況。根據HC軋機中間輥軸移系統的結構特點，當中間輥受較大軸向力作用時，其對應的軸移缸內的液壓油受到擠壓后壓力增加。因此，通過測量軸移缸及其油路內的壓力，達到測量軸向力的目的。在1#、2#機架下中間輥軸移缸的有桿腔和無桿腔油路管道上分別安裝一個油壓檢測裝置，用于對比監測1#、2#機架下中間輥軸承的軸向受力情況，給判斷2#機架軸承燒損原因提供數據支撐。

②修復傳動側鎖緊裝置自動對中接頭，保證中間輥傳動側軸承具有良好的潤滑條件。

③保證機架牌坊的平面度，調整工作輥、中間輥及支撐輥軸承座側滑板，使各軋輥軸線平行，以減少因軋輥交叉軋制而產生的附加軸向力。

④調整上支承輥的水平度，消除輥系傾角。

⑤完善軸承的清洗和裝配制度，定期調整軸承受力區域。

5 具體實施

①2009年8月份機組利用定修時間在1#、2#機架下中間輥軸移缸液壓油路上各安裝了兩個壓力傳感器。實測壓力數據顯示（見表4），在軋制過程中，2#機架下中間輥軸移缸有桿腔和無桿腔的測量壓力差異極大，無桿腔的壓力一般都在104～175 bar左右，并隨著軋制力的增加有增大趨勢。而1#機架下中間輥軸移缸有桿腔和無桿腔的測量壓力僅為23～60 bar左右，明顯低于2#機架。測量數據說明，2#機架下中間輥軸移缸無桿腔內的液壓油受到來自軋輥軸向力的強力擠壓后壓力升高，且該軸向力的方向是指向軋機操作側。

②改善中間輥傳動側軸承的潤滑條件，降低因軋機加減速引起的沖擊負荷。2009年8月份利用機組定修時間更換了部分磨損的抓勾襯板和失效的壓縮彈簧。

③保證機架牌坊的平面度，確保軸承在工況條件下有良好的同軸度。更換2#機架磨損嚴重的凸塊襯板，調整軸承座與機架牌坊側滑板之間的間隙。軋輥軸承座和軋機牌坊窗口換輥間隙設計值為0.3～0.72 mm，窗口襯板調整間歇越接近下限值軋輥運行精度越高。但是軋輥軸承座因為熱脹的原因極易出現卡輥造成換輥困難。通過不斷摸索將下限值提高到0.5～0.92 mm，剛好能夠滿足精度和換輥要求。同時完善調整周期和管理制度，將原有窗口間隙、中心線調整周期由一年一次變更為一個季度一次。

④控制軸承座的壁厚差。裝在同一軋輥兩端的軸承座的壁厚差，也是決定軸承同軸度是否良好的關鍵尺寸。調整工作輥、中間輥及支撐輥軸承座側滑板，使各軋輥軸線平行，以減少因軋輥交叉軋制而產生的附加軸向力。

⑤通過增加墊片將2#機架斜鍥調整裝置同步連桿延長6 mm，保證上支承輥的水平度，消除輥系傾角。

⑥定期調整軸承受力區域。將軸承進行分面分區使用是為了避免承載區長期使用過早產生點蝕、剝落、損壞而報廢，以達到延長軸承使用壽命的目的。每次軸承清洗時進行一次端面更換，同時將軸承外圈旋轉90 ？觷進行壓力區的更換，以減緩磨損達到壽命延長的目的。

⑦確保軸承的清洗和裝配質量。軸承清洗、安裝工作包括對軸承的清洗、測量、檢查及損傷程度的評判，以及各種間隙量的預留確保軸承上的負荷合理均勻地分配。

6 改進效果

措施實施后從表5可以看出，改進后2#機架下中間輥軸移缸無桿腔壓力下降明顯。

通過7個月的觀察，2#中間輥傳動側軸承燒損次數明顯下降（見表6），2009年1～6月份總計燒損軸承達30次，措施實施后7個月時間總共燒損僅為9次，取得了顯著的階段性效果，不僅有效地保障了機組的正常生產，并取得了可觀的經濟效益。

7 結 語

軋輥軸承使用壽命的長短與軸承的設計、軸承的材質、軸承的機加工、熱處理以及軸承的正確使用、維護和保養等諸多因素有關。對于冷軋機而言，軋輥軸承受力比較復雜，而且工況較為惡劣，延長軸承使用壽命應從主機和軸承兩方面采取措施，尤其是要保證軋機牌坊及兩側軋制線的平面度、軸承箱的壁厚差以及軋輥與軸頸的同軸度等，從而避免軸承出現嚴重的偏載載荷。同時潤滑對滾動軸承的疲勞壽命和摩擦、磨損、溫升、振動等有重要影響，分析軸承損壞的原因表明，40%左右的軸承損壞都與潤滑不良有關。因此研究認為軸向力過大和潤滑不良是造成我廠2#機架中間輥軸承燒損的主要原因。

參考文獻：

[1] 彭艷.HC軋機板形板凸度控制策略的研究[J].鋼鐵，2002，（4）.

[2] 彭艷.六輥軋機冷軋帶材板形控制的仿真研究[J].中國機械工程，2000，（9）.