冷軋機(jī)張緊輥異常抱死故障處理研究及應(yīng)用*

楊建波，鄭賢坤

（云南浩鑫鋁箔有限公司 云南 昆明 650502）

1 冷軋機(jī)簡(jiǎn)介

冷軋機(jī)以鋁鑄軋或熱軋卷材為生產(chǎn)坯料，經(jīng)過(guò)多道次軋制，軋出成品卷材，為精整和鋁箔生產(chǎn)線提供坯料，速度可以達(dá)到（1 500～2 000）m/min。來(lái)料為：厚度（5～10） mm，寬度（800～2 150）mm，成品厚度最薄約0.15 mm的鋁及鋁合金卷材。冷軋機(jī)具有先進(jìn)的厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)AGC及板形控制系統(tǒng)AFC，確保良好的厚度和板形控制精度。采用PLC（可編程控制器） 進(jìn)行數(shù)字邏輯運(yùn)算、參數(shù)設(shè)定、自動(dòng)化過(guò)程控制等，整機(jī)自動(dòng)化程度高。設(shè)備主要組成為：活動(dòng)支撐、開(kāi)卷機(jī)、攆頭輥、入口夾送偏導(dǎo)輥、液壓剪、張緊裝置、軋輥輥系、主機(jī)、出口轉(zhuǎn)向輥、熨平輥裝置、卷取機(jī)、運(yùn)卷小車、液壓裝置，潤(rùn)滑系統(tǒng)、煙霧可收裝置、軋制油控制系統(tǒng)、減速箱及電機(jī)等，配備安全可靠的CO2自動(dòng)滅火系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 冷軋機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of cold rolling mill

2 張緊輥功能及存在問(wèn)題

軋機(jī)張緊裝置位于帶材入口端，通常配置數(shù)量為3根或5根，材質(zhì)42CrMo4，表面硬度要求（50～60） HRC，粗糙度Ra（0.3～0.5） μm。其主要功能為：將帶材引入軋機(jī)并在帶材入口產(chǎn)生所需要的反向張力，同時(shí)具有平整帶材的作用。

目前，先進(jìn)的高速冷軋機(jī)，入口均配置有5支輥或3支輥張緊裝置，其主要作用是在軋機(jī)高速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定帶材，保證帶材不抖動(dòng)、偏移，為高速穩(wěn)定軋制創(chuàng)造條件。高速軋制及軋制高品質(zhì)的帶材時(shí)對(duì)張緊輥要求嚴(yán)苛。因張緊輥屬于被動(dòng)輥，軋制運(yùn)行中張緊輥面與帶材易出現(xiàn)同步偏差，板面極易產(chǎn)生劃傷、張力波動(dòng)、跑偏等情況，嚴(yán)重時(shí)造成產(chǎn)品報(bào)廢、軋制斷帶、軋機(jī)起火等。為此張緊輥的穩(wěn)定運(yùn)行是軋機(jī)高速、高質(zhì)的重要條件[1]。冷軋機(jī)張緊輥異常抱死，長(zhǎng)期困擾著設(shè)備維修人員和工藝技術(shù)人員，給生產(chǎn)組織帶來(lái)重大影響。

2.1 張緊輥結(jié)構(gòu)

張緊輥主要結(jié)構(gòu)由張緊輥裝置和升降裝置組成，見(jiàn)圖2所示，裝置中應(yīng)用了諸多軸承，冷軋機(jī)張緊輥異常抱死故障和軸承有直接關(guān)系。

圖2 張緊輥裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Device diagram of tension roll

2.2 張緊輥軸承

軸承是當(dāng)代機(jī)械設(shè)備中的重要零部件。它的主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦系數(shù)，保證其回轉(zhuǎn)精度。按運(yùn)動(dòng)元件摩擦性質(zhì)的不同，軸承可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。認(rèn)真了解各種軸承的特性，有助于正確應(yīng)用各類軸承，減少因軸承問(wèn)題導(dǎo)致的設(shè)備事故，提高維護(hù)人員工作效率，節(jié)約維護(hù)成本。滾動(dòng)軸承是由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架等元件組成。工作時(shí)滾動(dòng)體在內(nèi)、外圈的滾道上滾動(dòng)，形成滾動(dòng)摩擦。它與滑動(dòng)軸承相比具有摩擦小、效率高、軸向尺寸小、調(diào)整迅速及拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。冷軋機(jī)張緊輥軸承屬于滾動(dòng)軸承，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 軸承參數(shù)Tab.1 Parameters of bearings

3 張緊輥軸承失效原因分析

冷軋機(jī)相關(guān)參數(shù)：軋機(jī)最高速度1 500 m/min、五輥外徑270 mm、五輥長(zhǎng)度2 400 mm、最大張力100 kN、五輥壓下力4.396 kN（油缸活塞桿約100 mm，壓力14 MPa）。根據(jù)原有結(jié)構(gòu)，對(duì)裝配情況進(jìn)行以下排查：

1）核對(duì)所有尺寸，確認(rèn)軸承旋轉(zhuǎn)部位是否和固定部位有接觸：維修人員拆卸張緊輥對(duì)軸承位置尺寸進(jìn)行核對(duì)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有接觸點(diǎn)；

2）核對(duì)軸承內(nèi)圈與軸定位是否存在問(wèn)題：核對(duì)后未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；

3）確認(rèn)一側(cè)內(nèi)圈和外圈完全壓緊，另一側(cè)外圈能浮動(dòng)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

再按照軋機(jī)參數(shù)計(jì)算軸承選型是否存在問(wèn)題：①計(jì)算軸承轉(zhuǎn)速：實(shí)際軸承轉(zhuǎn)速=機(jī)列速度÷輥周長(zhǎng)=1 500÷0.873=1 718 r/min；②軸承當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算：通常指施加于機(jī)械或結(jié)構(gòu)上的外力；動(dòng)力機(jī)械中通常指完成工作所需的功率；電機(jī)工程中則指電氣裝置或元件從電源所接受的功率。另外，有時(shí)也把某種能引起機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)力的非力學(xué)因素稱為載荷[2]。計(jì)算公式如下[3]：

（1） 式中：Pi為軸承當(dāng)量動(dòng)載荷，kN；Xi為徑向動(dòng)載荷系數(shù)；Yi為軸向動(dòng)載荷系數(shù)；當(dāng)i為零時(shí)，P0為軸承當(dāng)量靜載荷，kN，X0為徑向動(dòng)載荷系數(shù)，Y0為軸向動(dòng)載荷系數(shù)；Fr為軸承實(shí)際徑向動(dòng)載荷，kN；Fa為軸承實(shí)際軸向動(dòng)載荷，kN。

實(shí)際動(dòng)載荷=XFr+Y1Fa=100×2.8+0.67×4.396=282.9 kN（X、Y值來(lái)自軸承手冊(cè)），實(shí)際靜載荷=Fr+Y0Fa=100×2.8+4.396=284.96 kN。按照計(jì)算結(jié)果對(duì)比軸承原設(shè)計(jì)參數(shù)（表1中參數(shù)），此軸承載荷未超設(shè)計(jì)范圍；

4）對(duì)軸承壽命進(jìn)行計(jì)算。軸承壽命受工作溫度的影響很大，在運(yùn)行過(guò)程中，軸承的尺寸會(huì)因?yàn)椴牧蟽?nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而變化，為了避免因結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致尺寸的變化，需要對(duì)軸承做特殊熱處理，即對(duì)尺寸穩(wěn)定性提出特殊要求。

根據(jù)ISO 281標(biāo)準(zhǔn)，軸承的基本額定壽命為[3]：

如果轉(zhuǎn)速是固定的，軸承的壽命通常以工作小時(shí)來(lái)表示，公式即為[3]：

（2）～（3）式中：

L10為基本額定壽命（90%可靠性），百萬(wàn)轉(zhuǎn)；

L10h為基本額定壽命（90%可靠性），工作小時(shí)；

C為基本額定動(dòng)載荷，kN；

P為軸承當(dāng)量動(dòng)載荷（實(shí)際載荷），kN；

n為轉(zhuǎn)速，r/min；

p為壽命公式中的指數(shù)，對(duì)于球軸承，p=3，對(duì)于滾子軸承，p=10/3。

軸承額定壽命L10=（C/P）p=（325÷24）3=2482.3百萬(wàn)轉(zhuǎn)，張緊輥?zhàn)畲螽?dāng)量載荷按照最大帶材張力24 N/mm2進(jìn)行計(jì)算，輥?zhàn)畲笫芰檩伱?0%面積接觸板面時(shí)，即：P=24 kN。

軸承額定壽命L10h=（106/60n）L10=24081工作小時(shí) （n=1718 r/min）

冷軋機(jī)張緊輥每個(gè)月出現(xiàn)問(wèn)題，軸承未達(dá)到額定壽命時(shí)間；

5）潤(rùn)滑情況檢查。為了優(yōu)化軸承配置的使用壽命，必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間提供正確數(shù)量的適合潤(rùn)滑劑。正如潤(rùn)滑劑數(shù)量不足將對(duì)軸承性能造成負(fù)面影響，潤(rùn)滑劑過(guò)量同樣如此。潤(rùn)滑不足約占所有軸承失效情況的36%，原因包括：潤(rùn)滑劑選擇不當(dāng)、潤(rùn)滑不足、潤(rùn)滑過(guò)量、補(bǔ)充潤(rùn)滑間隔時(shí)間不當(dāng)、軸承配置設(shè)計(jì)較差、裝配不正確。此外潤(rùn)滑劑被污染造成軸承失效概率可高達(dá)50%。

潤(rùn)滑脂補(bǔ)給量的計(jì)算：

從軸承側(cè)面補(bǔ)給的潤(rùn)滑脂量可根據(jù)以下公式估算[3]：

從軸承外圈或內(nèi)圈補(bǔ)給的潤(rùn)滑脂量可根據(jù)以下公式估算

（4）～（5） 式中：GP為補(bǔ)給量，g；B為軸承寬度（圓錐滾子軸承用T，推力軸承用H），mm；D為軸承外徑，mm。

補(bǔ)給量GP=0.002DB=12.8 g，根據(jù)每天油氣潤(rùn)滑油的消耗量每支輥約15 g判斷，潤(rùn)滑沒(méi)有問(wèn)題。

同時(shí)對(duì)油氣壓縮風(fēng)量進(jìn)行排查，從原設(shè)計(jì)的0.25 MPa調(diào)整至0.6 MPa，主要考慮冷卻問(wèn)題。在風(fēng)壓調(diào)整過(guò)程中，對(duì)出風(fēng)口進(jìn)行測(cè)溫，保持在（37～39） ℃范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)異常；

6）游隙情況檢查。游隙按方向分為徑向游隙和軸向游隙[4]，徑向游隙：即軸承一個(gè)套圈固定不動(dòng)，另一個(gè)套圈在垂直于軸承軸線方向，由一個(gè)極限位置到另一個(gè)極限位置的移動(dòng)量；軸向游隙：即軸承一個(gè)套圈固定不動(dòng)，另一個(gè)套圈在軸線方向，由一個(gè)極限位置到另一個(gè)極限位置的移動(dòng)量。兩類游隙有密切的關(guān)系，一般徑向游隙愈大，則軸向游隙也愈大，反之亦同[5]。查證后可知，現(xiàn)用軸承游隙為常規(guī)游隙，移動(dòng)量正常；

7）張緊輥熱膨脹量檢查。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤研究分析發(fā)現(xiàn)，張緊輥在生產(chǎn)過(guò)程中最高溫度達(dá)到100℃以上，考慮輥?zhàn)冃蔚纫蛩兀瑢?duì)熱變形量進(jìn)行研究：普通碳鋼、馬氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)為1.01，奧氏體不銹鋼為1，普通碳鋼1米1度1絲，即1 m的鋼溫度升高1℃放大0.01 mm，而不銹鋼為0.016 mm。室溫為28℃，當(dāng)輥身溫度達(dá)到100℃時(shí)，輥身熱膨脹量達(dá)到0.72 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)軸承游隙及浮動(dòng)量。

根據(jù)以上研究分析，判定軸承抱死的根本原因?yàn)椋簾崤蛎泴?dǎo)致輥?zhàn)冃闻蛎浟窟^(guò)大及輥動(dòng)平衡變差。產(chǎn)生的過(guò)程為：隨著輥?zhàn)陨頊囟鹊纳?，輥芯和輥套的熱膨脹量不一致，膨脹量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸承游隙，軸承在軸向方向受到輥膨脹帶來(lái)的推力導(dǎo)致完全抱死。這樣的結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用很多，特別是被動(dòng)過(guò)渡輥，因自身重量輕，受正壓力作用后輥?zhàn)冃螄?yán)重，軸向力容易損壞軸承，加之自身熱膨脹更容易損壞軸承。雖然使用調(diào)心軸承，已經(jīng)考慮輥熱變形或裝配時(shí)軸承與輥的同芯問(wèn)題，但沒(méi)有考慮軸向游隙變化或者軸向竄動(dòng)的問(wèn)題。所以軸承選型時(shí)應(yīng)采用一端調(diào)心定位一端浮動(dòng)調(diào)心，能有效減少故障率，提高軸承使用的可靠性。

4 新用軸承選型

目前張緊輥兩端使用的軸承為球面滾子軸承，屬于自調(diào)心軸承，可以承受較大的對(duì)中誤差。球面滾子軸承的內(nèi)外圈之間浮動(dòng)量較小，考慮輥身發(fā)熱量較大，需要一定量的浮動(dòng)尺寸彌補(bǔ)，在圓柱滾子軸承和CARB圓環(huán)滾子軸承兩種軸承中選擇其中一種。圓柱滾子軸承內(nèi)外圈可以確保大的浮動(dòng)量，但調(diào)心功能差。在對(duì)鋼輥熱變形量計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然熱變形量可以被計(jì)算，但自身的剛度變形隨產(chǎn)品的變化各不相同，很難準(zhǔn)確把握。如果采用圓柱滾子軸承，將無(wú)法克服輥剛性變形導(dǎo)致的同心度變化，軸承依然容易損壞。CARB圓環(huán)滾子軸承，它的特性在于左右都可以浮動(dòng)，而且浮動(dòng)范圍比較大，可以更好地彌補(bǔ)熱變形量，同時(shí)具有較好的調(diào)心功能。

根據(jù)軸承裝配及應(yīng)用選型原則，考慮更改軸承結(jié)構(gòu)滿足工況需求，具體分析如下：①尺寸及參數(shù)滿足表2要求：內(nèi)、外圈尺寸和原有軸承尺寸一致，載荷和額定轉(zhuǎn)速大于等于實(shí)際計(jì)算值，就能滿足使用要求；②軸承結(jié)構(gòu)選擇：考慮軸承內(nèi)、外圈可以浮動(dòng)避免熱變形將軸承卡死，同時(shí)具有調(diào)心功能，彌補(bǔ)動(dòng)平衡變化帶來(lái)的甩動(dòng)。通過(guò)查閱軸承手冊(cè)確定結(jié)構(gòu)為圖3所示，最終確認(rèn)軸承型號(hào)為：C2218[6]。

表2 滿足使用要求的軸承參數(shù)Tab.2 Bearing parameters in accordance with operating requirements

圖3 軸承選型對(duì)比Fig.3 Comparison of bearing selection

軸承C2218具體參數(shù)如表3所示，經(jīng)對(duì)比滿足使用要求。

表3 軸承C2218具體參數(shù)Tab.3 The specific parameters of C2218 bearing

5 改進(jìn)措施及效果

5.1 改進(jìn)措施

各種軸承系統(tǒng)必須滿足：固定端/浮動(dòng)端軸承系統(tǒng)、預(yù)調(diào)整軸承系統(tǒng)及浮動(dòng)式軸承系統(tǒng)的要求[7]。尤其是高速軸承系統(tǒng)，內(nèi)外圈一定要確保與端蓋和輥臺(tái)完全配合無(wú)間隙，否則軸承在端面形成滑動(dòng)，導(dǎo)致軸承和接觸面磨損報(bào)廢。同時(shí)軸承裝配嚴(yán)格執(zhí)行熱裝要求，避免蠻力敲打或直接作用力于保持架和滾動(dòng)體上，防止裝配時(shí)就損失軸承。具體實(shí)施步驟如下：

1）任意選擇一支張緊輥進(jìn)行軸承改造，將其中一端軸承取出，認(rèn)真清理；

2）核對(duì)裝配尺寸，在軸上涂抹干凈潤(rùn)滑油；

3） 將型號(hào)為22218軸承替換為C2218軸承，新軸承加熱至95℃，裝配到軸上，壓緊端蓋；

4） 把改進(jìn)軸承后的張緊輥裝配到冷軋機(jī)上，通油氣潤(rùn)滑30 min，然后開(kāi)始正常使用；

5）正常使用過(guò)程中，冷軋每道次結(jié)束后對(duì)張緊輥轉(zhuǎn)動(dòng)情況進(jìn)行檢查；

6）運(yùn)行24 h后，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)張緊輥對(duì)比改造和未改造之間的旋轉(zhuǎn)靈活度差異，發(fā)現(xiàn)改造過(guò)的張緊輥旋轉(zhuǎn)速度未發(fā)生改變，而未改造的明顯有卡阻現(xiàn)象。

5.2 應(yīng)用效果

1）滾動(dòng)軸承：一個(gè)完整的軸承系統(tǒng)不僅僅包括軸承，還有其它相關(guān)部件，如軸和軸承座等。必須供應(yīng)正確劑量的適用潤(rùn)滑劑，以減少軸承中的摩擦并防止腐蝕。在不同的工況環(huán)境下，軸承的選型非常重要，軸承結(jié)構(gòu)和使用方式的不同，導(dǎo)致其失效的原因多樣化。潤(rùn)滑不良和發(fā)熱導(dǎo)致軸承疲勞破損是事故發(fā)生的主要原因，認(rèn)真了解各類軸承的特性尤為重要，特別是裝配同心度的達(dá)標(biāo)，使用過(guò)程中軸承的潤(rùn)滑和冷卻是日常軸承保養(yǎng)維護(hù)的重點(diǎn)工作。通過(guò)本次分析研究及改造，冷軋機(jī)張緊輥軸承故障率從每月更換，變成每年計(jì)劃性檢查，確保生產(chǎn)組織有序開(kāi)展，降低風(fēng)險(xiǎn)減少維護(hù)量；

2）熱膨脹變形：溫度的變化而引起物體的變形稱之為熱變形[8]。在高溫旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)中，一定做好日常溫度監(jiān)控，充分考慮金屬的熱膨脹量，通過(guò)計(jì)算合理調(diào)整間隙，同時(shí)定期對(duì)輥、軸及相關(guān)部件進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)。張緊輥熱變形是隨著溫度的逐漸升高，輥套和輥芯溫差導(dǎo)致膨脹量不一致，使軸承受到過(guò)大的軸向力抱死。研究和分析熱膨脹變形，能幫助維修人員快速有效分析查找問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

1）冷軋機(jī)張緊輥每個(gè)月出現(xiàn)問(wèn)題，所用軸承未達(dá)到額定壽命時(shí)間；

2）軸承抱死的根本原因?yàn)闊崤蛎泴?dǎo)致輥?zhàn)冃闻蛎浟窟^(guò)大及輥動(dòng)平衡變差；

3）軸承選型時(shí)應(yīng)采用一端調(diào)心定位一端浮動(dòng)調(diào)心，能有效減少故障率，提高軸承使用的可靠性；

4）通過(guò)新用軸承的選型改造，冷軋機(jī)張緊輥軸承故障率從每月更換，變成每年計(jì)劃性檢查，確保生產(chǎn)組織有序開(kāi)展，降低風(fēng)險(xiǎn)減少維護(hù)量。