軋機油膜軸承潤滑系統進水原因分析及對策

張 聰，聶建忠，周小明

（新余鋼鐵集團卷板廠，江西新余 338001）

0 引言

新鋼1580 熱軋薄板工程于2007 年2 月28 日正式開工建設，2009 年1 月18 日熱負荷試軋成功，2009 年2 月28 日正式投產。年設計生產能力300 萬噸，產品最大寬度1450 mm，軋制厚度1.2～25 mm；至2020 年，產品最大寬度1510 mm，軋制厚度1.8～16 mm 實際年產377 萬噸。主要軋機有：1 臺二輥可逆粗軋機組（R1）、1 臺四輥可逆粗軋機組（R2）和1 套七機架連軋四輥精軋機組。粗軋R1 工作輥、粗軋R2 和精軋F1～F7 支承輥分別采用太原重工制造的ZYC985-75WJ 型和ZYC1065-75WJ 型油膜軸承，在實際使用中一直存在兩種主要故障：①支承輥燒輥，導致油膜軸承報廢；②軋制薄規格或高強度鋼時油膜軸承溫度超過75 ℃，ETS（跳閘保護系統）報警，不得不放慢軋制節奏或改厚軋制，影響軋制品種和效率。出現這兩種故障的原因都很典型，都是因為油膜軸承潤滑系統存在大量進水，油質變差，無法滿足軋制負荷的要求。以往每年都會出現因軸承溫度高必須降速軋制或延長軋制節奏的情況，都會因系統進水燒6～8 套軋輥油膜軸承，制約生產。

1 油膜軸承工作原理

軋機油膜軸承座由軸承座體（含箱、蓋）、徑向承載件（襯套、錐套等組成的滑動軸承）、軸向承載件（雙列止推滾動軸承）、鎖緊裝置（液壓式鎖緊機構）、密封裝置（腳型密封、水封等）及其他零部件6 部分組成。核心元件是由襯套、錐套組成以潤滑油為介質的動壓滑動軸承，即油膜軸承。每根支撐輥（或軋輥）兩端各有一個軸承座，軸承座固定在軋機牌坊內，每個軸承座內有一套油膜軸承，油膜軸承的襯套由定位銷固定在軸承體內，內表面澆鑄有減摩材料巴氏合金，油膜軸承的錐套則通過無鍵連接由液壓鎖緊機構固定在支撐輥兩端，襯套與錐套形成一對摩擦副。其工作原理是利用流體動力動壓效應，亦稱楔形效應，當軋機旋轉時，軋輥與錐套一起（相當于軸）在襯套（相當于軸瓦）中旋轉，依靠轉軸的速度把潤滑系統供入軸承的潤滑油帶入到收斂的楔形間隙中，生成動壓油膜，由于流體動壓作用，在錐套與襯套之間形成壓力油膜以平衡軋輥重力和軋制壓力，油膜內各點的合力就是油膜軸承的承載力，承載力與軋制力達到平衡，軸頸中心不再偏移，錐套與襯套完全被潤滑油隔開，軋輥不停地旋轉就會持續把供入的潤滑油帶入穩定的楔形中，在錐套與襯套之間理論上形成全流體潤滑。因此，這類油膜軸承具有摩擦因數小、功率消耗少、承載及抗沖擊能力大、使用壽命長、結構緊湊、速度范圍寬等優點，廣泛應用于軋制力較大的板帶軋機的軋輥或支撐輥上。

油膜軸承工作時在錐套與襯套之間理論上存在摩擦3 種工況：

（1）干摩擦。無潤滑下的摩擦，即錐套外表面與襯套內表面之間在沒有任何潤滑劑或因表面出現高點導致出現金屬表面直接接觸的條件下所發生的表面直接摩擦。

（2）液體摩擦。錐套外表面與襯套內表面之間有一層連續的液體類（如油脂）潤滑劑形成的薄膜隔開時發生的摩擦。

（3）混合摩擦。中間形式的摩擦，其特點是摩擦表面有一層很?。ê穸取?.1 μm）的介質或介質層只蓋住了一部分表面，包括邊界摩擦、半干摩擦、半液體摩擦3 種情況。

干摩擦是必須杜絕的工況，因為出現干摩擦時，很容易產生粘著磨損，燒壞軸承，這種情形一般在缺油或斷油的情況下發生。液體摩擦是比較理想的工況，是軋鋼過程中必須維持的，需要通過加強潤滑系統的有效管理來保證。混合摩擦是在軋機起動或停機時工況，盡管軸與軸承間有潤滑油，但由于運動速度等于零或趨近于零，流體動壓潤滑尚未形成或逐漸消失，軸與軸承必然直接接觸，此時處于邊界潤滑甚至是半干摩擦狀態。軋鋼過程中，由于產生沖擊振動、進水過多、供油不足或油質有問題等都可能產生混合摩擦，這種狀態容易造成軸承溫度上升，存在燒軸承風險，必須控制發生。

2 潤滑系統組成

新鋼1580 熱軋生產線共設4 套油膜軸承潤滑系統：粗軋2#潤滑系統為二輥可逆粗軋機組（R1）油膜軸承供油，粗軋3#潤滑系統為四輥粗軋機組（R2）油膜軸承供油，精軋2#潤滑系統為精軋前三架四輥軋機（F1～F3）油膜軸承供油，精軋3#潤滑系統為精軋后四架四輥軋機（F4～F7）油膜軸承供油。

每套潤滑系統包括：油箱裝置、主泵裝置、過濾裝置（一級、二級）、調壓裝置（一級、二級）、調溫裝置、蓄能器裝置、循環加熱過濾裝置、凈油機、管路及檢測元件等主要部件（圖1）。

圖1 潤滑系統原理

（1）油箱裝置：采用雙油箱交替使用方式，每個油箱隔成吸油和回油兩腔，吸油腔設有磁翻式液位控制器、溫度顯示儀和能隨液位高度變化的吸油口；回油腔設有高強磁場磁柵、消泡濾網、積水報警器和取樣閥等。

（2）主泵裝置：由電機—螺桿泵（帶安全閥）、單向閥、撓性接頭、蝶閥等組成，泵組數量由系統所需總流量和每臺泵的排量確定。

（3）過濾裝置：選用雙筒網式過濾器，按過濾精度分一級、二級過濾，二級過濾高于一級過濾。

（4）調壓裝置：選用響應速度較快的氣動薄膜壓力調節閥調節泵站壓力（一次），選用自力式減壓閥控制機架供油管壓力（二次），選用安全閥限制系統最高壓力，保護系統。

（5）調溫裝置：選用響應速度較快的氣動薄膜溫度調節閥調節冷卻器冷卻水量，將供油溫度控制在40±2 ℃。

（6）循環加熱過濾裝置：選用螺桿泵、電加熱器、單桶過濾器組成循環加熱過濾回路。

（7）蓄能器裝置：利用壓力罐儲存一定的潤滑油，其作用有2 點：①系統正常時運行時吸收沖擊，平衡壓力波動，穩定系統壓力；②泵站跳電時，利用穩定的氣源作動力，將罐儲存油量短時送入軋機油膜軸承，防止缺油燒軸承。

（8）油水分離裝置（凈油機）：采用真空凈油技術分離油中的水分，具有加熱、過濾、分水功能。

（9）管路及檢測元件：管路由不銹鋼管通過焊接、法蘭或接頭連接而成；檢測元件由各類傳感器、行程開關、儀表等組成，分別對系統的液位、溫度、壓力、流量、壓差、進水量等數據進行檢測。

3 油膜軸承潤滑系統進水的危害

3.1 水在潤滑系統中存在的3 種狀態

（1）懸浮水：水以細小液滴狀懸浮在油中，使之成為乳化液，隨油液循環或因比重較大積存在油箱的下部，進水明顯時從積水報警器窺視管中可以看出顏色與正常油的顏色不一樣，如發黑或偏暗。

（2）游離水：油品析出的細小水粒聚集成大水滴，從油中沉降下來，呈油水分離狀態，積存在軸承座內腔底部、管路系統及元件的凹洼處等部位，大部分是隨油液帶入油箱，在油箱中分離，積存在油箱底部，進水明顯時從積水報警器窺視管中可以看出顏色透明或淺乳白色的水。

（3）溶解水：水以分子狀態均勻分散在烴類分子中，即溶解水。其溶解量取決于油品化學組成和溫度，溫度越高，溶解量越多。因容量不多，且以分子狀態均勻分布，對油膜不會產生明顯破壞作用，相比游離水和懸浮水，其破壞作用可以不計。實際上，在冶金行業，通常油品分析中無水（0.03%以下為“痕跡”）是指沒有游離水和懸浮水，溶解水是很難去掉的。

當進入系統的水與潤滑油一起參與了摩擦運動時，產生的懸浮水就會偏多。例如，通過腳形密封進入軸承體內的水，因穿過密封唇時產生水與油的混合；又如從軸承后蓋進入的水因穿過雙列滾子軸承時水與油的混合；再有就是進水量大沒有及時處理，導致油箱下部的游離水被吸入泵后水與油的混合。水與油的混合都會產生較多的乳化懸浮水，這部份水通過自然分離或蒸發非常困難，需要很長時間，一般都需要使用凈油機來處理，但是對于運動黏度（40 ℃）≥220 cSt（220 mm2/s）的潤滑油，不管采用何種形式的凈油機脫水，效果都不是很理想。

當進入系統的水與潤滑油沒有參與摩擦運動時，產生的游離水相對較多。例如，通過回油管、軸承座排氣孔和側蓋靜密封進入的水，油水容易分離，通過排污閥直接排放即可排放大部分水。

利用形成懸浮水和游離水的不同水量可以初步判斷進水的部位。

3.2 潤滑系統進水后的主要表象

（1）比較直觀的表象是系統循環液體總量會增加，油箱液位上升，但是對于黏度高的油品（運動黏度（40 ℃）≥320 cSt（320 mm2/s）），油箱的回油量受黏—溫特性影響比較大，供油溫度、環境溫度和設備本體溫度上升，系統返回油量會增多，液位也會上升；反之，液位下降。所以，需要綜合評估分析。

（2）受形成油膜變薄影響，軋制同類負荷的產品時，油膜軸承的測溫整體會上升，甚至會出現超過75 ℃發出報警情況，當采取降速或產品改厚等降負荷措施時，油膜軸承的測溫又會下降。

（3）受油品黏度下降的影響，螺桿泵內泄增大，輸出油量減少，供油壓力下降。

（4）受細小水粒、氣泡及各種雜質顆粒增加的影響，過濾器濾芯堵塞更快，壓差增加明顯，最后供入軸承的壓力會下降。

（5）受氣泡增加影響，油箱上部觀察回油腔氣泡增加，甚至看不到流動的油液，油品顏色發黑、氣味難聞。

（6）系統回油管安裝的油水分離器和油箱底部安裝的積水報警器均能明顯放出水，含水多時在取樣口可能也能放出噴射狀乳化液。

3.3 潤滑系統進水的危害

不管冷卻水以哪種方式進入系統都會危害系統的油質。

（1）加速油品乳化變質，黏度變稀，油膜變薄，承載能力下降。

（2）破壞油品氧化穩定性，生成膠質油泥。膠質油泥附著在濾芯（濾網）表面或冷卻器翅片板面上，降低濾芯的過濾性能和冷卻器熱交換性能，縮短濾芯及冷卻器使用壽命。膠質油泥還會積聚在軸承進油節流孔中，形成堵塞，造成軸承供油不足。

（3）帶入氧化鐵皮及其他雜質顆粒，嚴重污染油品，降低循環油品清潔度等級。污染顆粒進入油膜中，會破壞形成連續的油膜，刮擦襯套表面的巴氏合金。

（4）水分與油中的添加劑發生作用，促使其分解沉降而失效，造成潤滑油的性能下降。

（5）產生氣泡，在油箱中部分來不及聚集成大氣泡浮在油液內部的小泡就會吸入泵中送到油膜軸承，影響形成正常油膜。

（6）影響產量和產品質量。

（7）增加濾芯、襯套、錐套等備件消耗成本。潤滑油品質下降后，錐套與襯套之間就無法生成正常油膜厚度，而惡化油液中懸浮的細小水粒、氣泡及各種雜質顆粒（特別是大顆粒金屬雜質）都會加劇破壞生成連續全液體油膜，導致在摩擦副之間出現干摩擦和混合摩擦，引起發熱，溫度上升，嚴重時造成襯套表面巴氏合金粘著磨損，破壞軸承間隙，甚至燒壞軸承，引起停機。

4 進水的原因及對策

自投產以來，油膜軸承潤滑系統進水就一直存在。主攻方向都放在油膜軸承動密封進水方面，而且通過與熱軋同行廠家、密封件制造商交流學習，對軸承座密封系統也作了一些改進措施。例如，在水封外圍增加一圈橡膠擋水環；為了減少水封密封唇面磨損，軋輥增加了陶瓷肩環；縮短密封件上機使用周期等，進水得到一定的改善，但是總是時好時壞，不能穩定效果。

2020 年初，熱軋線成立了以高級工程師牽頭，設備、工藝、生產多專業技術人員參與的攻關小組，摒棄以往只重視動密封進水的思維，認為系統進水可能存在其他原因，只是因進水點沒有真正被發現，而當軋制工藝改變時多個進水點相互疊加，進水量就突顯出來。攻關組從分析系統原理，跟蹤進水現象著手，分析管件結構、密封特點、軋輥結構等影響因素，結合鉗工修配方法，全方位對油膜軸承潤滑系統進水問題進行綜合治理，在排除了冷卻器進水（因除停機狀態外，進冷卻器水壓一直比油壓低）風險后，發現除動密封有進水風險外潤滑系統還存在下列問題導致進水。

（1）下支撐輥軸承座側蓋上的透氣孔有時會淹在水中導致進水。由于軋輥冷卻水量與工藝要求有關，跟蹤發現，當軋輥冷卻水量大時，下輥軸承座透氣孔就會被淹沒在水中，由于軸承座內腔存在負壓，水就會被吸進軸承內腔；當軋輥冷卻水量小時，又恢復正常，所以，造成有時進水，有時不進水，難于分辯。對策措施：將轉速相對較低的F1～F3 機架下軋輥透氣孔用堵頭堵掉，對轉速相對較高的F4～F7 機架下軋輥透氣孔加透氣裝置，避開最大水量時的沖刷。

（2）下支撐輥軸承座回油軟管存在細小的裂紋或砂眼導致進水。由于回油軟管采用金屬軟管連接，軟管內層是不銹鋼薄壁波紋管，外層是不銹鋼編織網，內徑截面一般是回流截面的3～4倍。以前使用軟管時只有發現出現漏油才會安排更換，波紋管使用時來回反復折彎，會出現裂紋；檢修電焊作業中，線路接地也會打火形成小孔（砂眼）。由于軟管是不會被油流充滿的，即使有缺陷，未充滿部分也不會出現漏油，但當有冷卻水沖刷時，就會進水。利用關閉油箱回油蝶閥，讓整個回油管路灌滿油的方法，查出多處回油軟管上半部出現漏油現象，說明正常生產時如有冷卻水沖刷就會造成進水。對策措施：對有缺陷的下支撐輥回油軟管立即更換，并制定軟管上機使用6 個月為更換周期，不管到期是不是完好，全部更換。

（3）下支撐輥軸承座回油油流窺視鏡密封不嚴導致進水。在利用整套回油管路灌滿油膜油的檢測方法時，發現有的窺視鏡側蓋密封不嚴及儀表連接孔密封不嚴會進水。對策措施：重新緊固密封壓緊螺栓或緊固接頭，并定期復查。

（4）腳形密封拆裝作業不規范導致進水。腳形密封更換時圖省事直接在支撐輥拆裝操作平臺進行，由于腳形密封存在自重和撓性，安裝后呈橢圓狀態，造成裝配軋輥后，各唇邊所受應力不均勻，不能很好地貼合密封面，出現貼合好時不進水或少進水，貼合不好時就進水。對策措施：規定凡是更換腳形密封，必須將軸承座轉至翻轉機上轉90°后操作，這樣把腳形密封的圈形由垂直位置放置改為水平位置放置，受密封本身自重力影響小，而且能保證鋁環、腳形密封、軸承座的中心同軸，保證安裝質量。

（5）水封安裝時涂膠位置不對導致進水。水封安裝時按習慣性思維將密封硅膠涂在水封的底板上，原涂膠位置如圖2 所示。因水封的固定螺栓間距有250 mm，涂膠后緊固螺栓時，密封膠會向兩個螺栓中間擠壓流動，因水封安裝底板是薄壁件，會變形，就形成了中間高兩側低的弧形，導致唇邊貼合不好。從拆卸水封時360°圓周內結膠厚薄呈波浪形就可以反映出水封變形。對策措施：將密封硅膠涂在水封的底板短邊上，既減少了涂膠量，又保證水封安裝后唇邊平整不變形。

（6）軋輥改造增加了陶瓷肩環后，雖然陶瓷面精度提高，水封使用壽命得到延長，但固定陶瓷肩環的碳鋼螺栓使用一段時間后螺紋出現銹蝕，加上軋制時軋輥受沖擊振動較大，導致陶瓷肩環松動從貼合面進水。對策措施：將固定螺栓改為不銹鋼螺栓，在貼合面增加一個O 形密封圈，在每次安裝時在貼合面的短邊均勻地涂上一層密封硅膠，既起填縫作用又起防松作用（圖2）。

圖2 密封結構

（7）軸承座后蓋錐面更換密封時螺栓緊固過緊，導致變形，安裝后密封面360°圓周內存在間隙導致進水。由于后蓋為了拆裝打壓操作方便，采用了鉸鏈連接機構，維修工按法蘭連接傳統思維，誤認為螺栓緊固越緊越好，結果反而造成受力不均勻，密封面存在間隙，容易滲水。對策措施是：在密封錐面上涂一層薄的防卡劑，采用二次安裝的方法，即第一次緊固后再打開檢查壓緊痕跡，無異常后再復裝。

以上對策措施實施后，全線4 個油膜軸承潤滑系統進水得到明顯改善，系統運行穩定，油箱內油品顏色保持了新油原色，氣泡也較少，從油箱底部的積水報警器透明管再也沒有看到乳化層，排污閥放出的水量已很少。

5 結語

之前進水，思路多集中在腳形密封、水封這2 個關鍵旋轉密封件的使用上。事實上，油膜軸承的腳形密封是進水原因之一，但不是唯一原因，因為多次出現更換腳形密封和水封后還是進水。通過跟蹤潤滑系統進水“時有時沒有”“時大時小”“時清時濁”的現象分析，轉變思路，從管路、靜密封、修配工藝等多角度綜合分析查找進水原因。例如，從回油軟管特點、軋輥結構、水封涂膠方法、腳形密封更換方法、端蓋靜密封、軸承座上的相關孔洞和管路上的窺視鏡等與系統有關因素進行分析，利用痕跡法、回油管倒灌法排查進水源頭，并對多處進水進行整改后，潤滑系統進水問題得到了根治。從2020 年下半年開始，沒有再出現因軸承溫度高必須降速軋制或延長軋制節奏的現象，也沒有出現燒軋輥油膜軸承的故障，年減少故障停機時間12 h，濾芯、密封、錐套、襯套等主要備件消耗和油耗費用明顯下降，與2019 年相比，成本下降106 萬元。