大型轉(zhuǎn)爐耳軸軸承快速頂升系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王良斌 樊 凱 劉 洋

(1.武漢鋼鐵有限公司煉鋼廠 湖北 武漢：430080；2.寶鋼股份中央研究院(武鋼有限技術(shù)中心) 湖北 武漢：430080)

轉(zhuǎn)爐是煉鋼生產(chǎn)中的重點(diǎn)設(shè)備，而轉(zhuǎn)爐耳軸軸承系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)爐的關(guān)鍵部件，是轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的重要部分。它不僅支撐著包括爐體、液態(tài)金屬、鋼渣、托圈及其附件的全部重量和懸掛減速機(jī)的重量[1-5]，還承受著爐口刮渣時(shí)的刮渣力。加料時(shí)鋼包及料斗的沖擊力等等。其工作特點(diǎn)為低速重載、運(yùn)轉(zhuǎn)頻繁，一般轉(zhuǎn)動(dòng)角度約在280°-290°以內(nèi)，軸承零部件處于局部工作。此外，轉(zhuǎn)爐耳軸軸承工作時(shí)還受到嚴(yán)重的噴濺鋼渣和灰塵的影響，工作環(huán)境較為惡劣。

耳軸軸承為低速重載滾動(dòng)軸承，是整個(gè)轉(zhuǎn)爐穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，一旦發(fā)生局部點(diǎn)蝕、剝落以及滾動(dòng)體破碎等故障，容易導(dǎo)致工廠停產(chǎn)，嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)秩序，而且軸承檢修和更換以往要花費(fèi)大量的時(shí)間和費(fèi)用，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文開發(fā)出一套轉(zhuǎn)爐耳軸軸承快速頂升系統(tǒng)，為大型轉(zhuǎn)爐耳軸軸承工作狀態(tài)快速檢查或更換提供了一種新的方法。

1 轉(zhuǎn)爐耳軸軸承檢查和監(jiān)護(hù)常用方法

目前對(duì)于耳軸軸承檢查和監(jiān)護(hù)的方式主要包括油脂理化檢驗(yàn)、軸承在線監(jiān)控及診斷和開蓋檢查等。

1.1 油脂理化檢驗(yàn)分析

耳軸軸承的潤(rùn)滑脂是保證耳軸正常工作的基礎(chǔ)，主要起到潤(rùn)滑、抗氧化和防銹、防塵等作用。耳軸軸承作為核心關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)潤(rùn)滑脂等級(jí)要求比較高，所以武鋼煉鋼廠采用的是德國(guó)倍可極壓潤(rùn)滑脂，加油周期為1周，油脂理化檢測(cè)周期為6個(gè)月。由于加油和油脂理化檢驗(yàn)周期存在差異性，所以潤(rùn)滑脂采樣部位、采樣量、采樣時(shí)間與加油時(shí)間的匹配性等方面都需要緊密配合，否則檢驗(yàn)出來的結(jié)果與軸承磨損實(shí)際情況會(huì)存在一定的偏差。

1.2 軸承在線監(jiān)控及診斷系統(tǒng)

很多鋼鐵企業(yè)和高校在轉(zhuǎn)爐耳軸軸承狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷方面做了大量研究工作，主要包括基于Matlab的轉(zhuǎn)爐耳軸軸承狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理方法研究[6]、基于LabVIEW和分形技術(shù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)開發(fā)[7]、基于廣義諧波小波故障診斷系統(tǒng)建立[8]、基于聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的轉(zhuǎn)爐耳軸軸承故障診斷[9]等。這些研究雖然取得了一定的效果，但由于煉鋼廠轉(zhuǎn)爐負(fù)荷大，工作條件惡劣，振動(dòng)往往很復(fù)雜，包含多種成分組成，如軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、齒輪的嚙合頻率、軸承的各種特征頻率，傾動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)過多級(jí)減速后的特征頻率等，再加上軸承的低速重載工況以及使用壽命長(zhǎng)、劣化趨勢(shì)不明顯等特性，導(dǎo)致很難準(zhǔn)確高效地判定軸承故障特征及類型。

1.3 開蓋檢查

軸承開蓋檢查是一種比較直觀的軸承檢驗(yàn)方式，可以利用肉眼和測(cè)量?jī)x器對(duì)軸承外觀、潤(rùn)滑情況以及軸承徑向間隙進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，但由于觀測(cè)視野受影響以及軸承承受整個(gè)轉(zhuǎn)爐的壓力，對(duì)其軸承周向方向上滾珠磨損均勻性以及轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性等指標(biāo)均無法測(cè)量。

基于以上分析，開發(fā)出一套轉(zhuǎn)爐耳軸軸承快速頂升系統(tǒng)，將轉(zhuǎn)爐快速抬起，在耳軸軸承非受力狀態(tài)下進(jìn)行檢查，將有助于進(jìn)一步全方位了解耳軸軸承的工作狀況，解決現(xiàn)有方式下耳軸軸承檢查和監(jiān)護(hù)的局限性，同時(shí)也有利于軸承快速更換。

2 三煉鋼1#轉(zhuǎn)爐耳軸軸承快速頂升系統(tǒng)開發(fā)

2.1 三煉鋼1#轉(zhuǎn)爐及耳軸系統(tǒng)簡(jiǎn)介

三煉鋼1#轉(zhuǎn)爐公稱容量為250 t(最大鋼水量275 t)，熔池直徑為6070 mm，熔池深度為1690 mm，轉(zhuǎn)爐全高與爐殼外徑比為1:3，耳軸中心至爐口距離為5735 mm(如圖1)。耳軸軸承制造廠家為SKF，軸承類型為球面滾子軸承/球面滾子推力軸承，軸承型號(hào)為249/1060 CAF/C3W33 VL092，其靜態(tài)載荷為32500 kN，動(dòng)態(tài)負(fù)載為11300 kN，額定轉(zhuǎn)速為1.50 rpm，內(nèi)徑為1060 mm，外徑為1400 mm。

圖1 轉(zhuǎn)爐及耳軸系統(tǒng)示意圖

2.2 轉(zhuǎn)爐耳軸快速頂升方案設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐耳軸頂升方案主要包括托圈四點(diǎn)式頂升方案和轉(zhuǎn)爐爐殼四點(diǎn)式頂升方案[10-11]。其中托圈四點(diǎn)式頂升方案的主要工作原理是通過在托圈下方安裝4根大立柱，然后利用4個(gè)液壓千斤頂同時(shí)工作將托圈頂起達(dá)到軸承檢查或更換的高度。該方法由于涉及4個(gè)頂升點(diǎn)，不僅立柱、支座和框架等部件的焊接組裝工作量大、施工周期長(zhǎng)、尺寸精度要求高，而且對(duì)4個(gè)液壓千斤頂?shù)耐叫砸髽O高、控制難度大。另外，4個(gè)頂升點(diǎn)之間的視野存在盲區(qū)，一旦誤操作容易引起轉(zhuǎn)爐側(cè)滑等嚴(yán)重事故。轉(zhuǎn)爐爐殼四點(diǎn)式頂升方案的工作原理與托圈四點(diǎn)式頂升方案類似，唯一區(qū)別在于4個(gè)液壓千斤頂?shù)捻斏c(diǎn)是放在鋼包車上，然后通過對(duì)爐殼頂升，實(shí)現(xiàn)耳軸軸承與軸承座脫離的目的。該方法也存在托圈四點(diǎn)式頂升方案同樣的缺點(diǎn)，而且由于大型轉(zhuǎn)爐重量大，轉(zhuǎn)爐爐殼頂升過程中會(huì)對(duì)鋼包車和軌道帶來極大的反作用力，導(dǎo)致車體或軌道變形，所以該方法一般不適用于大型轉(zhuǎn)爐耳軸軸承頂升。

本文提出了一種采用兩點(diǎn)式液壓系統(tǒng)將耳軸軸承快速頂升的新方案，即通過液壓千斤頂將耳軸軸承頂升5 mm，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐耳軸軸承非受力狀態(tài)下磨損情況的全面檢測(cè)，從而保證耳軸軸承狀態(tài)穩(wěn)定受控。該方案從理論上分析能大幅降低施工周期和難度，但要付諸實(shí)踐還存在如下問題：

(1)若非傳動(dòng)側(cè)軸承被頂起5 mm的高度后，對(duì)傳動(dòng)側(cè)軸承是否會(huì)有影響？

(2)頂升框架如何設(shè)計(jì)才能保證框架形變和應(yīng)力受控？

為此，本文從以下兩個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)分析和研究，確保了方案實(shí)施可靠性。

2.2.1 傳動(dòng)側(cè)軸承游隙分析

通過查閱圖紙得知，傳動(dòng)側(cè)軸承右列滾動(dòng)體中心線到非傳動(dòng)側(cè)軸承中心線距離b=11594.5 mm。按實(shí)際尺寸比例繪制的傳動(dòng)側(cè)與非傳動(dòng)側(cè)軸承位移關(guān)系圖，由于長(zhǎng)度和高度方向上尺寸不是一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以無法清晰表達(dá)出高度提升信息，所以采用圖2示意圖進(jìn)行說明。傳動(dòng)側(cè)左列滾動(dòng)體到右列滾動(dòng)體的中心距a=183.3 mm，當(dāng)非傳動(dòng)側(cè)軸承提升高度h2=5 mm時(shí)，需求出傳動(dòng)側(cè)左列軸承提升高度h1數(shù)值。通過計(jì)算公式h1/h2=a/b即h1/5=183.3/[11594.5+(183.3/2)]可以得出h1=0.078 mm，查該軸承徑向游隙為0.53 mm-0.78 mm。由此可見，采用該方案將轉(zhuǎn)爐訂到位后，傳動(dòng)側(cè)軸承左列滾動(dòng)體的游隙變化在技術(shù)參數(shù)許可范圍內(nèi)，所以該方案可行。

圖2 傳動(dòng)側(cè)與非傳動(dòng)側(cè)軸承位移關(guān)系示意圖

2.2.2 軸承頂升框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)力應(yīng)變分析

為了將非傳動(dòng)側(cè)的耳軸頂升5 mm，必須基于整個(gè)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的靜力學(xué)分析，完成頂升油缸的選型，同時(shí)基于應(yīng)力應(yīng)變分析，實(shí)現(xiàn)頂升框架結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足軸承頂升需求。

2.2.2.1 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)三維建模及頂升油缸選型

為了對(duì)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的重量進(jìn)行精確計(jì)算，本文基于現(xiàn)場(chǎng)圖紙建立了轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)三維模型，并通過參數(shù)設(shè)定(部分耐火磚理化性能參數(shù)如表1所示)，計(jì)算出了各部件重量，其中轉(zhuǎn)爐外殼重213 t，耐材重694.5 t，耳軸和托圈重259.5 t，由此可得轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)總重為1167 t。

圖3 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)三維圖

表1 部分耐火磚的理化指標(biāo)表

為了實(shí)現(xiàn)非傳動(dòng)側(cè)耳軸軸承的頂升，根據(jù)靜力學(xué)粗略分析，單側(cè)頂升力必須大于583.5 t(由于轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)總重G為1167 t，而軸承提升后角度變化微乎其微，所以只考慮垂直方向上的重力，不考慮水平分力，這樣傳動(dòng)側(cè)和非傳動(dòng)側(cè)的受力均為G/2，即583.5 t，只不過非傳動(dòng)側(cè)的頂升力由兩個(gè)頂升油缸提供，而傳動(dòng)側(cè)的力由軸承承載。在實(shí)踐中，我們?cè)诜莻鲃?dòng)側(cè)用的兩個(gè)油缸的許用載荷為1000 t，遠(yuǎn)高于實(shí)際需求)。為了保證頂升過程中的安全性，選用2個(gè)SPX公司的液壓千斤頂進(jìn)行頂升，單個(gè)千斤頂?shù)淖畲笤S用載荷為500 t，活塞直徑為200 mm。同時(shí)，為了避免頂升過程中出現(xiàn)不同步或者偏移的情況發(fā)生，利用Power Team的同步頂升系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)油缸進(jìn)行控制，有效保證了運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.2.2.2 頂升框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)力應(yīng)變仿真分析

頂升框架是焊接在轉(zhuǎn)爐托圈上的支撐結(jié)構(gòu)(如圖4)，然后通過安裝在底部的千斤頂活塞帶動(dòng)轉(zhuǎn)爐及耳軸向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到耳軸檢查或更換的目的，因此頂升框架的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度對(duì)整個(gè)方案運(yùn)行的安全性和可靠性尤為重要。

圖4 頂升框架三維示意圖

在設(shè)計(jì)中考慮到頂升框架需要承受轉(zhuǎn)爐的重力，所以采用鋼板為基板。為了提高鋼板強(qiáng)度，避免鋼板發(fā)生較大形變，所以在鋼板兩側(cè)焊接有筋板。另外，考慮到液壓千斤頂?shù)幕钊睆綖?00 mm，為了受力均勻，在基板下方焊接有寬度為250 mm的基座。由于耳軸軸承基座比較牢靠，所以將此處作為液壓千斤頂安放點(diǎn)和受力基礎(chǔ)。同時(shí)，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，選定頂升框架的長(zhǎng)度為1300 mm，高度為1500 mm。

為了確定基板和筋板最佳尺寸，本文結(jié)合已經(jīng)建立的轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)三維模型，按基板和加強(qiáng)筋厚度分別為30 mm、60 mm、90 mm和120 mm四種情況對(duì)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)(含頂升框架)的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行了仿真分析和計(jì)算。

(1)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)三維模型建立及參數(shù)設(shè)定

由于關(guān)注重點(diǎn)是頂升框架的應(yīng)力及應(yīng)變，所以重點(diǎn)對(duì)加強(qiáng)筋板的網(wǎng)格進(jìn)行了定制化設(shè)定，同時(shí)為保證其模擬精度，所有網(wǎng)格單元尺寸不超過0.02 m，最大單元增長(zhǎng)率設(shè)定為1.1，保證了筋板附件的網(wǎng)格也能較好的細(xì)化(如圖5)。同時(shí)，考慮到轉(zhuǎn)爐的受力不是分析的重點(diǎn)，所以轉(zhuǎn)爐部分采用粗網(wǎng)格劃分方式，提高了計(jì)算效率。

圖5 轉(zhuǎn)爐及頂升系統(tǒng)網(wǎng)格劃分圖

在應(yīng)力應(yīng)變分析前，對(duì)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定。其中鋼材的密度設(shè)為7850 kg/m3，楊氏模量為205 GPa，泊松比為0.28；耐火磚的楊氏模量為17 GPa，泊松比為0.2，非傳動(dòng)側(cè)固定約束點(diǎn)為液壓千斤頂和頂升框架基座的接觸面，傳動(dòng)側(cè)的固定約束點(diǎn)為耳軸軸承下接觸面。

(2)轉(zhuǎn)爐耳軸頂升狀態(tài)下轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)應(yīng)力仿真分析

從不同厚度條件下頂升框架應(yīng)力分布云圖來看(如圖6)，當(dāng)厚度為30 mm、60 mm、90 mm、120 mm時(shí)，最大應(yīng)力主要集中在千斤頂與加強(qiáng)筋板接觸處以及加強(qiáng)筋板與轉(zhuǎn)爐托圈焊接處，最大應(yīng)力分別為493 MPa、429 MPa、365 MPa、333 MPa。由此可見，隨著板厚的增加，最大應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，所以提高板厚對(duì)保證頂升過程中的安全性極為有利。

圖6 不同厚度條件下頂升框架應(yīng)力分布云圖

(3)轉(zhuǎn)爐耳軸頂升狀態(tài)下轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)應(yīng)變仿真分析

圖7分析結(jié)果顯示，當(dāng)厚度為30 mm、60 mm、90 mm、120 mm時(shí)，最大位移均發(fā)生在轉(zhuǎn)爐爐殼上，大小為2 mm，而頂升裝置最大位移主要集中頂升框架上方，最大位移量分別為1.3 mm、1.2 mm、1.1 mm、10 mm。由此可見，隨著板厚的增加，最大位移量呈減小趨勢(shì)，但整體變化趨勢(shì)不太明顯。

基于以上分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，由于現(xiàn)場(chǎng)有120 mm厚的鋼板，所以最終確定了采用120 mm厚鋼板為基板，并采用氣體保護(hù)焊工藝完成了兩個(gè)頂升框架。

3 耳軸頂升具體施工方法

(1)準(zhǔn)備好工機(jī)具和材料，包括液壓千斤頂、焊機(jī)、鋼板、焊接好的頂升框架、葫蘆吊、大錘、內(nèi)六角扳手、直尺、破布、紫銅棒、水平儀等；

(2)利用葫蘆吊和焊機(jī)將兩個(gè)頂升框架焊接在托圈上，并保證頂升框架下面接觸面水平；

圖7 不同厚度條件下頂升框架位移分布云圖

(3)焊定位板防止?fàn)t體偏移。在耳軸兩側(cè)的地面，焊兩塊筋板夾著耳軸，防止耳軸在被頂起后脫離了軸承座而跑偏；

(4)拆除軸承座端蓋和上蓋。先拆除外側(cè)端蓋，在軸承座上層平臺(tái)梁上設(shè)置導(dǎo)鏈，提前在軸承座螺栓處噴些松動(dòng)劑，采用厚鋼板制作扳手，松開螺栓后用倒鏈吊起軸承座上蓋；

(5)將千斤頂放置到位，并采用Power Team的同步頂升系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)千斤頂進(jìn)行控制，將耳軸頂升5 mm；

(6)人工盤動(dòng)軸承并利用儀器檢查軸承使用狀態(tài)，如有問題可將軸承頂升至30 mm后進(jìn)行軸承更換；

(7)軸承檢查或更換完畢之后，將千斤頂回位，先安裝上蓋(要檢查內(nèi)部羊毛氈匣，保證密封效果)，再安裝端蓋，安裝時(shí)需均勻涂抹密封膠，緊固端蓋螺栓時(shí)力度要按圖紙的安裝要求，力矩過大螺栓容易斷裂，過小容易產(chǎn)生松動(dòng)。

(8)潤(rùn)滑。連接油管打入潤(rùn)滑脂，要等到新油脂從端蓋邊擠出來為止；

(9)拆除頂升框架，并三清退場(chǎng)。

4 實(shí)施效果

2022年7月該方案成功應(yīng)用于武鋼三煉鋼1#轉(zhuǎn)爐上，僅用36小時(shí)就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐耳軸軸承頂升檢查到恢復(fù)，比國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的托圈四點(diǎn)式頂升方案和轉(zhuǎn)爐爐殼四點(diǎn)式頂升方案大大降低了作業(yè)時(shí)間(如表2)。

表2 煉鋼轉(zhuǎn)爐耳軸軸承不同頂升方案實(shí)施情況對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)轉(zhuǎn)爐耳軸軸承運(yùn)行狀態(tài)難以快速有效檢查的行業(yè)性難題，本文提出了一種采用兩點(diǎn)式液壓系統(tǒng)將耳軸軸承快速頂升后進(jìn)行軸承檢測(cè)或更換的新方案，并基于有限元仿真分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了頂升系統(tǒng)參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，通過該方案已在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，僅用36小時(shí)就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐耳軸軸承頂升檢查到恢復(fù)，為大型轉(zhuǎn)爐耳軸軸承工作狀態(tài)快速準(zhǔn)確檢查或更換提供了一種新的方法，保障了轉(zhuǎn)爐高效運(yùn)行。