二十輥軋機(jī)用背襯軸承滾子端面與擋圈擦傷原因分析

劉飛航，盛興根，李興林，戴健，辛華鋒

(1.杭州佩靈軸承有限公司，杭州 310021；2.杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司 博士后工作站，杭州 310022)

背襯軸承作為二十輥軋機(jī)的關(guān)鍵部件，直接影響軋機(jī)的可靠性、安全性、壽命及軋制鋼板的質(zhì)量。由于軸承要求的旋轉(zhuǎn)精度等級(jí)需達(dá)到P4以上，軸承需定期檢修，以保證其使用質(zhì)量。某鋼廠在提高軋制力后的試生產(chǎn)階段，軸承檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)其一列滾子端面及擋圈出現(xiàn)了擦傷的異常磨損情況。為此分析磨損原因，提出了改進(jìn)方案，并通過(guò)實(shí)際使用驗(yàn)證了改進(jìn)的有效性。

1 擦傷方式

二十輥軋機(jī)用背襯軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用外圈雙滾道帶擋邊、內(nèi)圈無(wú)擋邊、內(nèi)圈兩側(cè)用平擋圈、保持架外引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。軸承成組安裝在二十輥軋機(jī)支承輥的芯軸上，內(nèi)圈固定、外圈旋轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑方式為乳化液潤(rùn)滑，軸承主要承受軋機(jī)軋輥傳遞的徑向軋制力。由于生產(chǎn)的需要，將軋機(jī)的軋制力由6 000 kN提高到了8 000 kN，轉(zhuǎn)速為600 r/min。軸承上機(jī)使用2周后，下機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承一列滾子端面和對(duì)應(yīng)的平擋圈之間出現(xiàn)異常擦傷磨損情況，分別如圖2和圖3所示。將軸承拆解后觀察，內(nèi)外滾道、外圈中擋邊和另一側(cè)的滾子、擋圈以及保持架均無(wú)異常。磨損側(cè)經(jīng)輪廓儀檢測(cè)，滾子端面和擋圈的磨損痕跡傾角分別約為57′26″和41′40″。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 滾子端面擦傷

圖3 擋圈擦傷

2 輥系結(jié)構(gòu)及受力分析

2.1 輥系結(jié)構(gòu)

二十輥軋機(jī)的特點(diǎn)是軋制力從工作輥通過(guò)中間輥傳到支承輥的背襯軸承，并最終傳到堅(jiān)固的整體機(jī)架上。輥系示意圖如圖4所示。該結(jié)構(gòu)使輥系變形極小，可以在軋制的整個(gè)寬度方向獲得非常精確的厚度偏差；具有軸向和徑向輥形調(diào)整、輥徑尺寸補(bǔ)償、軋制線調(diào)整等機(jī)構(gòu)，并采用液壓壓下及位置自動(dòng)控制系統(tǒng)，因此產(chǎn)品板形好，尺寸精度高。

圖4 二十輥軋機(jī)輥系示意圖

背襯軸承采用雙列圓柱滾子軸承，主要用來(lái)承受徑向軋制力。滾子端面與外圈擋邊和擋圈之間為面接觸，滾子外徑為對(duì)數(shù)凸度修形。該結(jié)構(gòu)能很好地矯正滾子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的歪斜，在軸承只承受徑向輕載、低速的工況下能確保軸承的使用壽命。

2.2 受力分析

背襯軸承的額定動(dòng)載荷為1 040 kN，軋機(jī)的軋制力為8 000 kN，每個(gè)支承輥芯軸上裝有9套背襯軸承，上下各4個(gè)支承輥。損壞的背襯軸承安裝在下支承輥的兩側(cè)，由于兩側(cè)支承輥受力為軋制力的58%～62.5%，為中間支承輥受力的1.4倍左右，2個(gè)中間支承輥受力為軋制力的41.5%～44.4%[1],所以損壞軸承承受的最大載荷約為8 000×62.5%÷2÷9=277.78 kN，占額定動(dòng)載荷的26.71%，屬于重載。

3 軸承擦傷原因分析

3.1 軸向力來(lái)源

實(shí)際工作過(guò)程中，為了對(duì)所軋制板材的板形進(jìn)行控制，軋機(jī)必須按照所軋制板材原料的形狀調(diào)整支承輥和中間輥的位置，從而改變工作輥輥形曲線。即對(duì)第1、第2中間輥和調(diào)彎輥進(jìn)行軸向調(diào)整來(lái)控制板形，這會(huì)使背襯軸承承受軸向載荷。

1)調(diào)彎輥影響。軋機(jī)利用徑向輥形調(diào)整機(jī)構(gòu)，使支承輥(背襯軸承)的芯軸徑向傾斜一個(gè)角度α(圖5)，背襯軸承所受的軸向力為

Faw=Frzsinα。

(1)

圖5 調(diào)彎輥引起的軸向力

2)中間輥軸向竄動(dòng)。為了調(diào)整板材邊部形狀，第1中間輥的2個(gè)上輥和2個(gè)下輥的一端制成錐形，其圓錐段的長(zhǎng)度相同，位置相反，調(diào)整時(shí)上下輥反向移動(dòng)。第2中間輥居中的非傳動(dòng)輥有凸度，該軋輥不對(duì)稱(chēng)，上下2個(gè)輥的大小頭位置相反，可以軸向移動(dòng)，從而改變工作輥輥形曲線。此時(shí)會(huì)對(duì)背襯軸承產(chǎn)生軸向拖動(dòng)力。

3)輥系不平行。當(dāng)軋機(jī)輥系中的任何2個(gè)相接觸的軋輥軸線不平行時(shí)，其軋輥外徑面的接觸部位會(huì)產(chǎn)生軸向力，如圖6所示，中間輥線速度vzjg和支承輥背襯軸承線速度vzc分別垂直于各自軸線，當(dāng)其軸線不平行時(shí)，2個(gè)輥徑向接觸處的線速度方向不重合，會(huì)在軸向產(chǎn)生相對(duì)速度va，引起接觸部位產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從而產(chǎn)生軸向力。

圖6 輥系不平行引起的軸向力示意圖

3.2 擦傷原因

原背襯軸承在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮用來(lái)承受徑向軋制力,實(shí)際使用時(shí)，由于軸承安裝、制造誤差和軸向力的影響，會(huì)導(dǎo)致滾子產(chǎn)生一定的歪斜[2]。歪斜角取決于滾子所承受的軸向與徑向力的比值，比值越大歪斜角越大。

當(dāng)提高軋制力時(shí)，軸承承受的軸向力大大增加，滾子歪斜加劇，滾子端面與擋圈倒角接觸，導(dǎo)致應(yīng)力增加、潤(rùn)滑條件變差，產(chǎn)生大量摩擦熱，最終導(dǎo)致滾子端面與擋圈之間產(chǎn)生摩擦、磨損痕跡。

而外圈擋邊和另一側(cè)滾道的滾子端面均無(wú)擦傷，這是因?yàn)閮?nèi)圈固定，外圈隨中間輥轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈在軸向力的作用下向一側(cè)運(yùn)動(dòng)，外圈中擋邊推向滾子端面。背襯軸承在軸向力和徑向力聯(lián)合作用下的受力如圖7所示。由于存在軸承外滾道軸向間隙S1，S2和滾道軸向間隙S3以及徑向游隙Gr，使承受軸向力一側(cè)的滾子歪斜，該滾子的兩端面只與外圈中擋邊和擋圈接觸，而外圈中擋邊為圓弧倒角，擋圈的倒角為45°，所以滾子端面與外圈中擋邊之間的潤(rùn)滑優(yōu)于滾子端面與擋圈之間的潤(rùn)滑。擦傷首先出現(xiàn)在滾子與擋圈之間，而外圈擋邊和另一側(cè)滾道的滾子端面、擋圈由于不承受軸向力，即使?jié)L子歪斜，也沒(méi)有產(chǎn)生擦傷。

圖7 背襯軸承在軸向力和徑向力聯(lián)合作用下的受力圖

4 改進(jìn)措施及使用效果

4.1 改進(jìn)措施

研究表明，將圓柱滾子軸承由直擋邊改為斜擋邊，滾子端面設(shè)計(jì)成球基面，使兩者的接觸由面接觸變?yōu)辄c(diǎn)接觸，可以改善擋邊的受力及擋邊與滾子端面的潤(rùn)滑[3]，從而提高圓柱滾子軸承的軸向承載能力。

4.2 參數(shù)選取

4.2.1 擋邊傾角θ

擋邊傾角對(duì)軸承軸向承載能力有較大影響,取值多為10′～30′,且存在最優(yōu)值。隨轉(zhuǎn)速降低，最優(yōu)值相應(yīng)增大；載荷增加，最優(yōu)值亦相應(yīng)增大[4]。由于背襯軸承承受的軸向力較大，因此θ取為30′±3′,即將外圈各擋邊和擋圈都加工成傾斜度為30′±3′的斜面，如圖8所示。圖中RSR為滾子球基面半徑；Dw為滾子直徑；H1為滾子球基面與外圈中擋邊的接觸點(diǎn)到滾道的距離；H為外圈中擋邊高度。

圖8 滾子球基面與斜擋邊示意圖

擋邊、擋圈傾角的偏差對(duì)滾子球基面的接觸點(diǎn)影響較大，生產(chǎn)時(shí)需嚴(yán)格控制。設(shè)備調(diào)整時(shí)需用極限樣板法和夾球測(cè)量高度的方法進(jìn)行驗(yàn)證[5]，最終需在輪廓儀上確認(rèn)無(wú)誤后方可加工。

4.2.2 滾子球基面

考慮到外圈擋邊上油槽的影響，設(shè)計(jì)時(shí)需校驗(yàn)接觸點(diǎn)，所以選取滾子和外圈中擋邊計(jì)算。設(shè)計(jì)參數(shù)若滿(mǎn)足外圈中擋邊，則同時(shí)滿(mǎn)足擋圈的要求。由圖8可得滾子球基面半徑為

RSR=(Dw/2-H1)/sinθ，

(2)

已知：Dw=29.5 mm,θ=30′±3′，H=5.475 mm。沒(méi)有偏斜時(shí)，理想的滾子球基面與擋邊斜面的接觸點(diǎn)位于擋邊中部，有偏斜時(shí)位于擋邊偏上部[6]。故接觸點(diǎn)位置H1=H/2=2.737 5 mm，考慮到滾道油槽的影響，接觸點(diǎn)取偏大值，即取H1=2.8 mm，代入(2)式可得RSR≈1 369 mm，為了便于加工檢測(cè)，RSR取1 370 mm，上偏差為0，下偏差為-3 mm。

由于RSR和θ存在加工誤差，為保證接觸點(diǎn)在擋邊的有效接觸區(qū)域內(nèi)，必須對(duì)接觸點(diǎn)位置進(jìn)行校核[3]。H1min=Dw/2-Remaxsinθmax=1.599 mm>1.2 mm，H1max=Dw/2-Reminsinθmin=4.014 mm，H-0.5=4.975 mm。表明所取參數(shù)的接觸點(diǎn)未超出擋邊的有效接觸區(qū)域。

滾子長(zhǎng)度公差范圍較大，一般控制在0～0.04 mm范圍內(nèi)，為了確保軸承的軸向承載能力，裝配時(shí)需對(duì)滾子長(zhǎng)度的尺寸公差重新分選，確保同一套軸承內(nèi)的滾子長(zhǎng)度公差在0～0.01 mm范圍內(nèi)。

4.3 實(shí)際使用情況驗(yàn)證

改進(jìn)后的軸承安裝在下支承輥受力較大的兩側(cè)支承輥芯軸上，在8 000 kN的軋制力下工作一個(gè)周期后下機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)軸承旋轉(zhuǎn)靈活，滾子端面和擋圈未出現(xiàn)擦傷、磨損現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將軸承的擋邊設(shè)計(jì)成斜擋邊，滾子端面設(shè)計(jì)成球基面，使兩者的接觸由面接觸改為點(diǎn)接觸，改善了擋邊的受力及其與滾子端面的潤(rùn)滑條件，可以滿(mǎn)足二十輥軋機(jī)的使用要求，提高了軸承的使用壽命。