賈鋒,丁仕明,宋漢雄,杜宇輝,杜樹濱
(河鋼集團(tuán)唐鋼公司,河北 唐山 063000)
某廠2050熱軋帶鋼生產(chǎn)線,在其投產(chǎn)初期,先后發(fā)生3起精軋F(tuán)4主減速機(jī)軸承保持架斷裂事故。該故障及時(shí)發(fā)現(xiàn),未引發(fā)軸承卡死、齒輪斷齒、斷軸等惡性次生事故。由此造成的故障停機(jī)檢修時(shí)間高達(dá)100 h,直接經(jīng)濟(jì)損失近百萬(wàn)元,嚴(yán)重影響生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)和產(chǎn)能發(fā)揮。因此,有必要針對(duì)軸承保持架失效原因進(jìn)行分析,找出失效原因,制定改進(jìn)措施,保障設(shè)備安全可靠運(yùn)行。
F4主減速機(jī)采用單級(jí)人字齒輪傳動(dòng)。減速機(jī)高速軸為人字齒輪軸,低速軸為組合式人字大齒輪通過過盈配合及鍵同軸相聯(lián)接。人字齒輪傳動(dòng)可以視為2對(duì)旋向相反的斜齒輪成對(duì)使用。理想情況下,齒輪的輪齒左右完全對(duì)稱,所產(chǎn)生的軸向推力可以互相抵消[1]。減速機(jī)軸承僅承受徑向載荷,不承受軸向載荷。因此,該減速機(jī)采用了雙列調(diào)心滾子軸承作為高、低速軸支撐與固定部件。
人字齒輪在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中,由于存在齒輪加工誤差及裝配誤差,兩側(cè)斜輪齒不可避免地非完全對(duì)稱,左右旋的斜齒輪不可能同時(shí)達(dá)到理想的嚙合狀態(tài),人字齒輪軸向分力不能完全抵消,人字齒輪會(huì)產(chǎn)生軸向竄動(dòng)[2-3]。為了齒輪系軸向穩(wěn)定,減速機(jī)采用低速軸輸出端軸向定位,高速軸浮動(dòng)的裝配形式。減速機(jī)高、低軸軸承裝有偏心套,調(diào)整偏心套的相位可以實(shí)現(xiàn)對(duì)齒面接觸和齒側(cè)隙的調(diào)整。偏心套內(nèi)徑采用H7公差,可以實(shí)現(xiàn)高速軸的軸向滑動(dòng)。減速機(jī)采用CLP460齒輪油強(qiáng)制潤(rùn)滑,流量為270 L/min。減速機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 減速機(jī)技術(shù)參數(shù)表
圖1 減速機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
失效的軸承位于減速機(jī)高速軸的輸出端。軸承為240系列的雙列調(diào)心滾子軸承,其內(nèi)徑為500 mm,外徑為720 mm,寬度為218 mm。軸承游隙為C3級(jí)(0.41~0.55 mm)。軸承保持架為內(nèi)圈引導(dǎo)的單片式爪形機(jī)削黃銅保持架。此軸承位先后有3盤軸承失效,分別來自3個(gè)不同的知名軸承制造商。為了便于描述,將損壞軸承靠近齒輪的那一側(cè)命名為內(nèi)側(cè),靠近軸承端蓋的那一側(cè)命名為外側(cè)。軸承參數(shù)、損壞形式、壽命如表2所示。
表2 失效軸承統(tǒng)計(jì)表
軸承從高速軸上拆卸后,對(duì)其進(jìn)行拆解,分別檢查軸承內(nèi)圈滾道面、外圈滾道面、內(nèi)圈內(nèi)孔面、外圈外表面滾動(dòng)體和保持架情況,各部件磨損及損壞情況如圖2所示。
圖2 軸承磨損及損壞外貌
1)軸承內(nèi)圈滾道面內(nèi)側(cè)有打滑痕跡及滾動(dòng)體拖動(dòng)遺留的擦痕,部分擦痕是由于保持架損壞后滾動(dòng)體不規(guī)則運(yùn)動(dòng)所致。滾道面外側(cè)除了中間有一條整圈的較窄磨損帶外,其余部位軸承制造時(shí)的原始磨削痕跡仍然保留完好,如圖2(a)所示。
2)軸承外圈滾道外側(cè)接觸痕跡較明顯,且大于內(nèi)側(cè),如圖2(b)所示。
3)保持架內(nèi)側(cè)橫梁有5處從根部發(fā)生斷裂,未斷裂的橫梁根部可見明顯裂紋,保持架兜口端面有異常磨損痕跡,斷裂的保持架橫梁有明顯磨損不均現(xiàn)象;保持架外側(cè)橫梁根部無(wú)斷裂及裂紋,如圖2(c)所示。
4)位于軸承內(nèi)側(cè)的滾動(dòng)體磨痕較重,位于外側(cè)的滾動(dòng)體磨痕正常。內(nèi)側(cè)的滾動(dòng)體在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)時(shí)同浮動(dòng)隔環(huán)存在相互摩擦,甚至將浮動(dòng)隔環(huán)磨出了毛刺,如圖2(d)所示。
從軸承失效的外貌可以看出,軸承外側(cè)的滾動(dòng)體在滾道中運(yùn)行正常;軸承內(nèi)側(cè)滾動(dòng)體在保持架的兜孔內(nèi)發(fā)生偏擺,對(duì)保持架兜孔底部及浮動(dòng)隔環(huán)造成磨損,沖擊保持架根部產(chǎn)生疲勞裂紋甚至斷裂。軸承兩列滾動(dòng)體受載區(qū)不均,外側(cè)的滾動(dòng)體受力要重一些。
軸承出現(xiàn)偏載,說明軸承受軸向力且在偏心套中浮動(dòng)不良。為了驗(yàn)證高速軸軸向浮動(dòng)情況,在F4、F5減速機(jī)上安裝了電渦流傳感器,測(cè)量高速軸輸出端軸承內(nèi)圈、外圈的位移變化量。傳感器測(cè)量精度為1 μm,采樣頻率設(shè)置為50 Hz。F4、F5減速機(jī)高速軸的軸承內(nèi)、外圈竄動(dòng)波形如圖3所示。
圖3 F4、F5減速機(jī)高速軸軸承竄動(dòng)波形圖
從圖4可以看出:
1)F4減速機(jī)軸承外圈隨內(nèi)圈浮動(dòng)不良。正常軋鋼時(shí),軸承內(nèi)圈有0.1 mm竄動(dòng)量,而外圈幾乎沒有與之相應(yīng)的竄動(dòng)??蛰d時(shí),內(nèi)圈竄動(dòng)0.2 mm,而外圈幾乎沒動(dòng)。F5減速機(jī)無(wú)論在咬鋼、軋制、拋鋼還是空載升降速時(shí),其軸承外圈隨動(dòng)性良好。F5減速機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中也穩(wěn)定可靠,未發(fā)生軸承損壞故障。
2)F4減速機(jī)高速軸軸向竄動(dòng)量明顯高于F5減速機(jī)。F4最大竄動(dòng)量為0.471 mm,而F5的竄動(dòng)量?jī)H為0.13 mm。高速軸竄動(dòng)量和人字齒輪對(duì)稱度偏差、齒距偏差、螺旋角偏差等加工誤差有關(guān)[4-6],竄動(dòng)量越大表明齒輪的加工誤差越大。
F4軸承內(nèi)圈最大的竄動(dòng)量接近0.5 mm,軸承外圈沒能及時(shí)跟隨,軸承內(nèi)外圈便產(chǎn)生了0.5 mm的錯(cuò)位量。以電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率為6000 kW、軋制速度為4.2 m/s的工況為例,利用Timken的Syber軟件分別計(jì)算,軸承安裝游隙為最小、最大及中間值3種情況下的兩列滾道的載荷區(qū)分布,計(jì)算值如表3所示。
表3 軸承兩列滾道承載區(qū)分布表
由于軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有徑向游隙,因此當(dāng)滾動(dòng)體進(jìn)入承載區(qū)和從承載出來時(shí)會(huì)有短暫的加速和減速,滾動(dòng)體在承載區(qū)的轉(zhuǎn)速與理論值一致[7]。在非載荷區(qū),滾動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)不均勻,滾動(dòng)體與保持架之間會(huì)發(fā)生碰撞現(xiàn)象[8]。從計(jì)算結(jié)果可以看出,軸承兩列滾動(dòng)體的承載區(qū)相差很大,兩列滾動(dòng)體對(duì)保持架的沖擊不同,軸承內(nèi)側(cè)承載區(qū)小保持架受到的沖擊較大。軋機(jī)在頻繁的咬鋼、軋制、拋鋼過程中,軸承同時(shí)承受變載、變速及劇烈的沖擊。因此,進(jìn)一步加重了非承載區(qū)滾動(dòng)體對(duì)保持架的沖擊。在圖2(c)的保持架內(nèi)側(cè)根部的裂紋得到了驗(yàn)證。
軸承兩列滾道承載區(qū)不同,造成兩列滾動(dòng)體游隙不均,承載區(qū)小的那列滾動(dòng)體游隙大,滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)空間大,偏擺較大。滾子偏擺會(huì)引起對(duì)保持架磨損[9]。在圖2(c)的保持架兜口磨損得到驗(yàn)證。
針對(duì)軸承在偏心套中浮動(dòng)不良問題,采取了提高偏心套硬度、適當(dāng)加大軸承外圈同偏心套的配合間隙等改進(jìn)措施,提高了軸承在偏心套中浮動(dòng)能力,減少軸承偏載。偏心套改造前后對(duì)比如表4所示。
表4 偏心套改造前后對(duì)比表
1)保持架由一片式改為兩片式。兩片式保持架,每列保持架可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng),避免兩列滾動(dòng)體受力不同、滾動(dòng)體速度不同對(duì)保持架產(chǎn)生的剪切力,提升軸承異常軸向載荷下的生存能力。
2)浮動(dòng)中擋邊改為固定中擋邊。固定中擋邊對(duì)抑制承載區(qū)滾動(dòng)體偏擺影響不大,但對(duì)于抑制次承載列滾動(dòng)體偏擺效果較好[9]。保持架所受的沖擊多來自運(yùn)行不穩(wěn)定的非承載區(qū)的滾動(dòng)體。
3)優(yōu)化軸承游隙范圍。軸承游隙由原C3組改為C3L組,即C3游隙的下半段(0.41~0.48 mm),較小的游隙組可以增大承載區(qū),減少非承載區(qū)異常沖擊保持架滾動(dòng)體的數(shù)量。較小的游隙還可以降低傳動(dòng)系統(tǒng)的反沖力,在軸承中更好地引導(dǎo)非承載區(qū)的滾動(dòng)體。
4)優(yōu)化了保持架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。優(yōu)化保持架橫梁根部設(shè)計(jì),降低保持架橫梁在同等載荷作用下受到的應(yīng)力。
F4減速機(jī)軸承保持架斷裂后,簡(jiǎn)單地更換不同品牌的軸承并未能解決軸承再次失效的問題。對(duì)失效軸承的宏觀外貌分析,認(rèn)為軸承偏載是保持架斷裂的直接原因。用電渦流傳感器測(cè)量F4、F5減速機(jī)高速軸的浮動(dòng)量及軸承外圈的浮動(dòng)能力,確定保持架斷裂的主要原因:1)F4減速機(jī)齒輪加工偏差大,造成齒輪嚙合中高速軸的軸向竄動(dòng)量較大;2)軸承外圈在偏心套中浮動(dòng)不良。優(yōu)化偏心套設(shè)計(jì)并改進(jìn)軸承結(jié)構(gòu)后,提高了軸承適應(yīng)減速機(jī)高速軸竄動(dòng)的能力。改進(jìn)后的F4減速機(jī)已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行1 a,在線監(jiān)測(cè)無(wú)保持架受沖擊頻譜。