四輥板帶軋機(jī)工作輥輥頸軸承組配分析

吳杰，袁星輝，何召集

(洛陽匯工大型軸承制造有限公司，河南 洛陽 471023)

四輥板帶軋機(jī)主要用于金屬的壓延加工，要求軋制后的產(chǎn)品具備尺寸精確、板形好、表面粗糙度好、力學(xué)性能好等特點(diǎn)。隨著軋制行業(yè)向著提高產(chǎn)量、擴(kuò)大品種、提高精度和自動化程度的方向發(fā)展，板帶軋機(jī)軋制速度不斷提高，軋輥軸承的工作環(huán)境越來越惡劣，尤其是工作輥輥頸軸承頻繁的發(fā)熱及燒損問題始終困擾著金屬板帶生產(chǎn)企業(yè)。因此根據(jù)不同板帶軋機(jī)工作特點(diǎn)，分析和研究工作輥輥頸軸承對提高軋機(jī)運(yùn)行可靠性，節(jié)約成本等方面有重要意義。下文針對現(xiàn)有四輥板帶軋機(jī)工作輥輥頸軸承的組配情況進(jìn)行分析。

1 四輥板帶軋機(jī)工作輥運(yùn)行特點(diǎn)

1.1 四輥板帶軋機(jī)類型

根據(jù)板形控制手段的不同，目前國內(nèi)具有代表性的四輥板帶軋機(jī)主要有PC(Paired Crossed Roll)軋機(jī)、VC(Variable Crown)軋機(jī)、HC(High Crown)軋機(jī)和CVC(Continuously Variable Crown)軋機(jī)。

PC軋機(jī)又稱為軋輥成對交叉軋機(jī)。其主要特點(diǎn)為軋輥空間成對交叉，通過調(diào)整軋輥軸線交叉角大小，可調(diào)節(jié)輥縫，實(shí)現(xiàn)板形控制。該類型軋機(jī)輥縫調(diào)節(jié)范圍最寬，結(jié)合強(qiáng)力彎輥力作用，可獲得良好的板形，但由于軋輥交叉將產(chǎn)生過大的軸向力，易使軋輥兩端推力軸承過早失效，因此應(yīng)用受到了限制。

VC軋機(jī)又稱為軋輥凸度可變軋機(jī)。其中支承輥由芯軸和外套筒組成，芯軸和外套筒之間有液壓腔，通過調(diào)整液壓腔內(nèi)的油壓改變支承輥輥身凸度，結(jié)合工作輥彎輥力的作用，從而達(dá)到有效控制板形的目的。由于油壓調(diào)整較準(zhǔn)確、直觀，該類型軋機(jī)輥身凸度控制能力較好，但由于需要配置專門的壓力供油系統(tǒng)而限制了該類型軋機(jī)的推廣。

HC軋機(jī)又稱為高性能輥型凸度控制軋機(jī)。其工作輥及支承輥輥身可采用圓柱形滾子，主要通過彎輥力的施加以及工作輥或支承輥的軸向抽動來調(diào)整輥縫形狀。由于該結(jié)構(gòu)改善了工作輥與支承輥間的有害接觸部分，充分發(fā)揮了彎輥力的作用，大大提高了輥縫的剛度，從而有效控制了板形；而且由于輥身不帶凸度，輥形修磨較為方便，因此國內(nèi)一般規(guī)模廠家都采用該類型軋機(jī)。

CVC軋機(jī)又稱為軋輥凸度連續(xù)可變軋機(jī)。其中工作輥輥身的原始輥型為S形曲線，上下軋輥互相錯(cuò)位180°布置，通過S形軋輥的軸向抽動來改變原始輥縫形狀從而控制板形，結(jié)合彎輥裝置作用，輥縫調(diào)節(jié)范圍更寬，對板形控制能力更強(qiáng)。國內(nèi)實(shí)力比較雄厚的廠家一般采用該類型軋機(jī)，例如寶山鋼鐵公司熱軋廠的2 050 mm熱連軋機(jī)組就是該類型。

1.2 工作輥軸承受力特點(diǎn)

板帶生產(chǎn)過程中對板形要求極為嚴(yán)格，尤其在鋁箔行業(yè)，在軋制單零箔和雙零箔過程中，輥縫微小的變化將對產(chǎn)品精度產(chǎn)生重大影響，由于施加液壓彎輥力的方法簡單易行，并且效果明顯，因此現(xiàn)有的四輥板帶軋機(jī)工作輥均采用施加彎輥力的方法來控制板形。根據(jù)板帶軋機(jī)實(shí)際調(diào)整數(shù)據(jù)，一般實(shí)際生產(chǎn)過程中所施加的最大彎輥力不超過軋制力的5%。

由于不可避免的軋輥交叉、機(jī)架襯板磨損及板帶前后張力差，軋制過程中軋輥之間和軋輥與軋件之間將產(chǎn)生一定的軸向力使軋輥向機(jī)架一側(cè)竄動，從而對輥頸軸承產(chǎn)生沖擊，除PC軋機(jī)外，一般的板帶軋機(jī)，其正常工作時(shí)軸向載荷的大小約為軋制力的1%～3%，最高可達(dá)10%[1]。

1.3 工作輥及輥頸軸承損壞形式

由于工作輥輥頸軸承空間位置有限，在軸承選型時(shí)往往優(yōu)先考慮采用四列圓錐滾子軸承，該類型軸承空間位置緊湊，且承載能力一般都能夠滿足軋機(jī)正常工作時(shí)的設(shè)計(jì)載荷要求，但是由于對板帶表面粗糙度的要求較高，往往需要對輥面進(jìn)行修磨，而輥頸部分一般不淬火，表面硬度較低，在支承輥頸對輥面進(jìn)行修磨時(shí)，硬質(zhì)合金支承易劃傷輥頸，造成輥頸的損傷甚至報(bào)廢。同時(shí)為了方便換輥，四列圓錐滾子軸承內(nèi)徑與輥頸往往采用間隙配合，軋制過程中的突然加速和減速容易造成內(nèi)圈與輥頸之間的相對滑動，從而因輥頸的磨損造成軋輥過早失效甚至報(bào)廢。

為了消除軋輥修磨時(shí)對輥頸的損傷，現(xiàn)有的工作輥輥頸軸承一般采用內(nèi)圈無擋邊的四列圓柱滾子軸承和軸向推力軸承組合的配置，而內(nèi)圈與輥頸一般采用過盈配合，換輥時(shí)可以將軋輥與軸承內(nèi)圈一起拉出，修磨輥面時(shí)還可以支承軸承內(nèi)圈外徑，內(nèi)圈硬度達(dá)58～62 HRC，從而消除了對輥頸造成的損傷；同時(shí)也杜絕了內(nèi)圈與輥頸之間的相對滑動，大大提高了軋輥的使用壽命。但是采用四列圓柱滾子軸承，由于對軋輥運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的軸向力缺乏足夠的重視，因軸向推力軸承損壞造成四列圓柱滾子軸承及工作輥損傷甚至報(bào)廢的現(xiàn)象屢見不鮮，故需從軸承選型、組配方面對工作輥輥頸軸承進(jìn)行深入研究。為了使不同軸承組配對比效果明顯，將在相同的軸承空間尺寸下對比不同的軸承組配方案。

2 輥頸軸承組配方案對比

以某1450鋁冷軋機(jī)為例，分析其輥頸軸承的組配方案。該軋機(jī)的工況參數(shù)見表1，潤滑方式為油霧潤滑。常見軋制過程中調(diào)整參數(shù)見表2。

表1 1450鋁冷軋機(jī)設(shè)計(jì)工況參數(shù)

表2 1450鋁冷軋機(jī)軋制調(diào)整參數(shù)

工作輥軸承在使用過程中主要承受彎輥力及由于軋輥彎曲、交叉及摩擦磨損等因素所產(chǎn)生的軸向力，四輥軋機(jī)工作輥軸向力為[2-5]

[1-exp(θ0.9/r1.1)]，

分別按照常見的軋輥交叉角度(0.17°)及最大交叉角度(0.3°)計(jì)算工作輥軸向力，可得該軋機(jī)工作輥輥頸軸承設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，見表3。表3中軸承轉(zhuǎn)速單位與軋件的出口速度單位不同，可根據(jù)實(shí)際的工作輥輥身直徑和軋件出口速度進(jìn)行換算。由表3可知，常見軸向力和最大軸向力分別為65.6 kN和159.7 kN。

表3 1450鋁冷軋機(jī)工作輥輥頸軸承設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

常見工作輥操作側(cè)輥頸軸承組配方案如圖1～圖4所示。圖1～圖4的組配方案分別簡稱方案1,2,3,4。各組配軸承在常用載荷條件下的壽命及極限載荷條件下當(dāng)量載荷與額定載荷的比值見表4。注意，表4中常用當(dāng)量載荷及極限當(dāng)量載荷分別指軸承在常用載荷條件和極限載荷條件下的當(dāng)量載荷，僅29244DF軸承指的是當(dāng)量軸向載荷，其余軸承指的是當(dāng)量徑向載荷；對于29244DF軸承，Pmax/C中的C指Ca，對于其他軸承指Cr。

圖1 四列圓錐滾子軸承

圖2 雙列角接觸球軸承+四列圓柱滾子軸承

圖3 雙列圓錐滾子軸承+四列圓柱滾子軸承

圖4 雙向推力調(diào)心滾子軸承+四列圓柱滾子軸承

表4 常用載荷條件下軸承壽命及極限載荷條件下當(dāng)量載荷與額定載荷的比值

以上計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 四列圓柱滾子軸承理論計(jì)算壽命較高，說明徑向軸承安全裕量較大，而軸向推力軸承理論計(jì)算壽命較短，與實(shí)際應(yīng)用過程中軸向推力軸承易損壞的現(xiàn)象是一致的，因此在工作輥軸承的選型中應(yīng)對軸向推力軸承重點(diǎn)關(guān)注，適當(dāng)增加其空間尺寸，以達(dá)到徑向軸承和軸向軸承壽命接近的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(2) 有色金屬材料在軋制過程中彎輥力較小，極限載荷條件下采用不同類型軸向推力軸承，極限當(dāng)量載荷與額定載荷比值不大于0.57，因此，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)軋件類型及軋制速度等因素，冷軋機(jī)可優(yōu)先考慮四列圓柱滾子軸承+雙列圓錐滾子軸承、四列圓柱滾子軸承+雙向推力調(diào)心滾子軸承或四列圓錐滾子軸承；對于箔軋機(jī)軋制力及彎輥力均較小，但軋制速度較高，可優(yōu)先考慮四列圓柱滾子軸承+雙列角接觸球軸承。

(3) 黑色金屬材料在軋制過程中一般軋制力及彎輥力均較大，但軋機(jī)工作原理基本相同，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)軋件類型、軋制速度及軸承潤滑條件等因素，一般應(yīng)優(yōu)先考慮四列圓柱滾子軸承+雙向推力調(diào)心滾子軸承或四列圓柱滾子軸承+雙列圓錐滾子軸承(大錐角)；軸向力特別大的工況條件下必須采用四列圓錐滾子軸承+軸向推力軸承，以免造成輥頸軸承早期失效或燒損。

3 結(jié)束語

分析研究的四輥板帶軋機(jī)工作輥輥頸軸承的組配，對實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)，工作輥徑向軸承和軸向推力軸承應(yīng)采用等壽命設(shè)計(jì)，以降低軋機(jī)運(yùn)行故障及成本。