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介紹了多輥軋機和支承輥軸承的結構特點, 闡述了對軋機支承輥軸承精度、載荷、潤滑及壽命的要求, 并介紹了該類軸承常見的失效形式及相應解決措施。
鋼鐵軋制工業中, 板材和帶材的生產比例已超過 50%, 合金薄帶的需求也不斷地增長 。在各種軋制設備中, 由于軋制過程中軋輥彈性變形和軋制力較大的原因, 四輥軋機不適合軋制高強度鋼和精密合金的冷軋薄板和薄帶。在技術可行與經濟性方面, 采用多輥軋機冷軋薄板和薄帶有著無可比擬的優越性。多輥軋機支撐輥軸承的精度和壽命對軋制薄板帶的生產及質量有相當重要的影響 。
1 多輥軋機結構及特點
與其他類型的冷軋機相比, 多輥軋機具備以下特點:
(1)為減小軋輥的彈性壓扁值, 采用小直徑的工作輥, 保證軋制薄板帶的尺寸。
(2)采用多輥輥系, 軋制力的分力由多個支點的支承輥傳遞給機座, 使剛性得到極大的提高 。
(3)工作機座各部件和軋輥的制造精度高, 整個軋機的調整精度也相當高。
由于多輥軋機特別強調剛性和精度, 因而可以軋制出極薄的鋼板, 并保證鋼板有極高的精度和表面質量, 如不銹鋼板；厚度為 0.1 mm 甚至0.002 mm的高精度電工硅鋼板等等。
自1932 年出現****臺多輥軋機以來, 多輥軋機發展很快, 具有不同的結構形狀和幾何尺寸, 機型有森吉米爾型、山特維克型, 按輥系可分為六輥、十二輥和二十輥軋機等, 但較多的是二十輥軋機, 其中又以森吉米爾型為主導。為便于介紹, 以下提及的多輥軋機均指森吉米爾型軋機 。
森吉米爾型軋機的機座牌坊為內部裝有成套軋輥的整體結構, 剛性極高, 能夠充分保證工作輥在軋制方向上的穩定性及補償小直徑工作輥的撓度。工作機座是一個復雜塊體, 工作機座包括牌坊、支承輥系、壓下裝置、磨損補償機構 、輥形控制和平衡機構 、傳動裝置、導衛、潤滑和冷卻參數控制系統等。
森吉米爾型軋機一般可分為六輥、十二輥 、二十輥軋機。中間輥和支承輥的數目越多, 機座允許的軋制力越大 。通常十二輥用于軋制軟性材料, 六輥軋機很少用, 二十輥軋機應用較為普遍。
輥系配置的特點是在塔形支承輥組中, 前排的每一個軋輥緊靠在后面的軋輥上, 二十輥軋機中的兩小直徑工作輥由四根帶有斜度的中間輥支承, 四根中間輥由其后的六根中間輥支承, 較外是八根由一組厚壁外圈軸承 、心軸及鞍座組成的支承輥 。支承輥上一組厚壁外圈軸承裝在同一根心軸上, 心軸則靠一系列鞍座支承, 鞍座均安裝在軋機座的半圓形座孔里, 如圖 2所示。
作為支承輥的軸承外徑直接承受軋制分力,并通過心軸和鞍座將軋制分力傳遞給剛性牌坊。支承輥厚壁軸承與整體機座的高剛性, 可以消除工作輥的撓度。
支承輥心軸通過偏心裝置來控制工作輥輥縫和軋制力的傳遞, 其壓下機構和調整機構均采用液壓缸或液壓馬達, 通過齒輪 、齒條帶動與偏心輪連接的齒輪來實現參數的調整, 對所軋鋼帶的尺寸精度和表面質量起著重要的作用 。
較常見的森吉米爾軋機形式是 1 -2 -3 -4軋輥組合的二十輥軋機, 如:ZR22-50, Z 表示冷軋, R為可逆, 22 表示軋機牌坊和支承輥軸承外徑, 50 表示帶材寬度 [ 1] 。
2 多輥軋機支承輥軸承的應用
2.1 軸承的結構特點和精度要求
森吉米爾薄板軋機的支承輥軸承, 自身外圈就直接擔負著支承輥的作用, 外圈的厚度比普通的軸承外圈厚得多, 這種特殊結構使軸承能夠具有相當高的剛性。
支承輥軸承一般是圓柱滾子軸承 、圓錐滾子軸承及滾針軸承等, 有單列和多列滾子 、帶擋邊和無擋邊的結構;滾子有滿裝和帶保持架分隔的。軸承上有潤滑孔, 有些軸承的內圈有一道或多道環形槽 。通常森吉米爾支承輥采用圓柱滾子軸承, 因為其承載能力要比圓錐滾子軸承高。
無擋邊或擋圈的圓柱滾子軸承不能承受軸向載荷, 因此需要在外圈和支承鞍座側面之間放置青銅或塑料止推墊圈 。帶有擋邊( 或擋圈)的圓柱滾子軸承與圓錐滾子軸承能夠承受同時作用的徑向力和軸向力, 不需要止推墊圈。對于高速軋機,軸承帶有保持架可以分隔并引導滾子 ;如果軸承轉速較低, 采用滿滾子的結構能使軸承在外形尺寸小的情況下具有大的承載能力。
裝在同一根心軸上的一組軸承的個數取決于軋機的尺寸。一根心軸上一般裝有 5～ 7 套軸承。支承輥上各軸承承受軋制分力, 整個心軸相當于一個剛性多支點梁。
多輥軋機要求軸承有很高的制造精度, 一般為P4 級以上。且安裝在同一根心軸上的軸承“有效截面”應全部相同, 以使載荷能均勻地分布于與之接觸的中間輥和工作輥的整個長度, 這也是保證薄鋼帶軋制精度的重要因素 。軸承“有效截面”是指內外圈厚度與滾子直徑的總和 。根據多輥軋機的軋制精度和軸承的尺寸, 一組軸承的截面高度必須控制在 0.002 ～ 0.01 mm的范圍內, 按照高度差異為 5 μm 進行分組, 同時外徑的相互差也應控制在同樣的范圍內 。軸承按截面高度分組后, 在軸承內外圈端面上標出厚度較大的點 、軸承組號和分組公差。注意對應的一組滾動體不能相互混雜。
支承輥軸承外圈為旋轉圈, 轉速為 150～ 850r/min, 甚至更高。內圈為非旋轉圈, 與軸采取松配合, 滾道受載位置的應力循環次數遠遠大于外圈滾道 。因此軸承的內圈應定期調整位置, 使內圈滾道載荷區的部位不斷變化, 延長軸承壽命。
2.2 載荷和壽命分析
一般軸承的壽命計算只適用于安裝在實心軸上并且置于剛性軸承座的軸承, 對多輥軋機, 軸承外圈直接做支承輥, 外徑的局部與中間輥接觸, 在外載的作用下厚壁外圈會發生一定的彈性彎曲變形, 影響滾道上的載荷分布, 從而影響承載能力。
計算滾動體與滾道的接觸變形時, 必須考慮外圈徑向撓度的影響 。按薄壁圓環的平面彎曲理論, 任意角位置 ψ處的徑向撓度微分方程為
式中 :W 為 ψ角處徑向撓度;EI 為彎曲剛度, M為ψ處截面上彎矩 ;R 為曲率半徑。
由(1)式可求解外圈的徑向撓度 W ψ ( δ) [ 2] 。
又任意位置滾動體與滾道的接觸變形 δ n 為δ
式中 :δ r 為內外圈相對位移, n 為滾動體編號。
建立每個滾動體的變形方程, 再加上一個套圈的受力平衡方程, 共 n +1 個方程, 解以上的非線性方程組, 可求出各點的接觸變形 δ。
則各點的接觸載荷為
式中 :k 為軸承載荷變形常數。
按線接觸的額定計算公式分別計算軸承內、外圈的額定載荷 Q ci 、Q ce , 以及軸承內 、外圈與滾動體的當量載荷 Q ei 、Q ee , 得到軸承內 、外圈的額定壽命為
則整套軸承的額定壽命為
計算表明, 支承軸承的載荷分布不同于剛性座的軸承。由于支承軸承的外圈彈性變形, 滾動體載荷區變小, 載荷區頂部滾子所受的載荷增大,所以支承軸承的當量載荷明顯增大, 壽命也會大大地降低。由于彈性變形, 軸承的壽命大約比常規計算的降低了 75%。
針對支承輥軸承的特殊應用, 軸承的結構設計就須有助于改善載荷的分布狀況 。軸承外圈的壁厚既要保證外圈有足夠的剛性, 不至于因承受重載而發生較大彎曲變形, 又要兼顧軸承具有大的動載荷能力( 國外軸承公司的經驗值是外圈滾道直徑與外徑之比 D e /D =0.7 [ 3] ) 。
有關研究表明, 采取大直徑滾子的設計比采取小直徑滾子而數目稍多的設計要合理 ;對轉速不高 、載荷較重的應用, 可采取無保持架的滿裝滾子結構, 增大軸承的載荷能力, 同時降低滾道接觸點的載荷, 提高軸承的剛性。
2.3 輥系的受力分析
為有效地計算支承輥軸承的承載力, 需要對輥系進行受力分析 。為便于計算, 采用簡化受力分析方法, 忽略軋輥的彈性變形及摩擦損失, 假設作用力的方向均在兩輥的連心線上, 如圖 3 所示。
式中:l b 為軸承寬度 ;n 為心軸上軸承的數目 ;L為整個支承輥長度。
計算表明輥系上載荷的分布極不均勻, 兩邊支承輥 A 、D 的載荷比中間支承輥B 、C 的載荷值大。某些類型的軋機, A 、D 支承輥輥上的載荷值與B 、C 支承輥輥上的載荷相對差可達 40%, 以至于位于輥系邊側的支承輥磨損較為嚴重, 兩邊支承輥軸承壽命大大地降低 。
2.4 軸承的潤滑
由于森吉米爾軋機機座為整體結構, 輥系之間空間有限, 支承軸承的安裝空間非常狹窄, 散熱是一個很大的問題。支承軸承可以借助于軋輥液來潤滑并得到冷卻, 也可以采取單獨的潤滑系統。潤滑 劑 多 采 用 乳 化 液 ( 40 ℃ 時 粘 度 約1.1 mm 2 /s), 因支承輥軸承需用霧化油系統潤滑;而乳化液具有很強的冷卻能力, 且粘度很低, 若被軋制件表面質量要求高, 就需要采用較純凈的低粘度礦物油(40 ℃時粘度約 8～ 12 mm 2 /s) 作潤滑劑。
軋制速度為 5 m/s 以下時, 低粘度礦物油可作為軋輥和支承輥軸承的共同潤滑劑, 但滾動軸承的潤滑一般需要中等粘度的油, 采用低粘度礦物油勢必影響軸承疲勞壽命。因此在實際應用中, 可通過加大壓力( 達 0.6 MP), 提高軋制油的流量(達 4000 L/min) , 用強化排熱的方式來彌補。
在較高速度和重載荷下, 支承輥軸承利用單獨的潤滑系統進行油霧潤滑是比較有效的, 能夠保證支承軸承獲得較佳的使用壽命 。潤滑油的較低粘度為 150 mm 2 /s, 并含有極壓添加劑, 油霧以0.01～ 0.03 m 3 /s 進入支承輥心軸的槽內。在軸承內圈潤滑孔內可裝上凝縮嘴, 使油從混合物中凝聚出來, 以潤滑支承輥和滾道, 如圖 4所示。
3 支承軸承常見的失效形式及對策
森吉米爾多輥軋機支承軸承的失效形式主要是軸承早期疲勞失效, 即滾道 、外徑面在應力的反復作用下發生的剝落。另外, 如果軸承的精度下降, 導致軋制薄板不合格, 就意味著軸承失效 ;還有某些較嚴重的現象, 如軸承發生嚴重剝落、潤滑不良造成軸承燒傷等因素導致軸承外圈斷裂 。
3.1 早期疲勞失效
多輥軋機支承輥軸承在載荷作用下外圈發生彈性變形, 滾道的載荷分布發生變化, 較大載荷比普通軸承高出許多, 加之多輥軋機的軋制力非常大, 導致滾道出現早期疲勞剝落。
對于二十輥森吉米爾軋機來說, 兩邊的支承軸承受到的軋制力尤其大, 比其他的支承軸承更易出現疲勞剝落。另外, 如果存在安裝誤差 、潤滑不良 、冷卻不足、雜質進入軸承內部的情況, 都可能產生早期疲勞失效 。
有效提高支承輥軸承使用壽命的措施:
(1)提高軸承鋼的清潔度, 降低含氧量, 采用真空脫氣鋼。
(2)滾子素線采用對數曲線輪廓, 能使接觸面保持較佳應力分布, 磨損對邊緣輪廓的影響小;滾子素線弧坡修緣凸度會隨磨損降低 。
(3)改善軸承表面加工質量, 以使潤滑狀況得到改善。
(4)選擇合適的軸承游隙。實際應用表明, 取較小的游隙值更為有利。
(5)軸承裝有密封件, 例如 :帶擋邊的圓柱滾子軸承, 其擋邊就起著密封件的作用, 防止異物進入軸承滾道。
(6)改善支承輥軸承外徑的設計, 使外徑帶有一定的凸度, 以防止外圈表面邊緣應力集中, 改善接觸狀態, 同時也能改善軋制件的表面質量 。
3.2 潤滑不良造成燒傷
采用軋輥液作為軸承潤滑劑, 具有較快的散熱能力, 但其粘度低, 影響軸承的疲勞壽命。對能夠承受軸向力的帶擋邊的圓柱滾子軸承或雙列圓錐滾子軸承, 滾子端面與內圈擋邊摩擦較大, 在潤滑不良的狀況下, 易造成燒傷 。
另外, 對無擋邊的圓柱滾子軸承, 在軋機鞍座上裝有青銅或塑料平墊圈, 用于承受軸向力, 軸承外圈壓緊平墊圈, 摩擦力大, 潤滑狀態不理想, 在外圈端面上易出現熱裂紋 。
在不利的軋機潤滑狀況下, 軸承的設計和應用應盡力改善軸承的潤滑狀態 。必須有效地選擇潤滑系統和潤滑劑的類型。如:圓錐滾子軸承必須用單獨的油霧潤滑系統 ;對圓柱滾子軸承如采用粘度低的礦物油進行潤滑時, 須加大潤滑劑的流量, 潤滑系統要用適當的冷卻設施來提高油的粘度, 在重載荷或高輥軋速度下需要更高的流量。內圈可采用兩個可拆式擋圈, 與外圈滾道形成縫隙式密封, 以防止外部污物進入軸承造成污染。
油的清潔度對于軸承的使用壽命也有決定性的影響, 因此油的循環過濾是潤滑系統中非常重要的問題。軸承采取單獨潤滑系統時, 要防止外界雜物乳化液進入軸承內部造成污染, 影響軸承的使用壽命。
3.3 外圈斷裂
在工作中由于潤滑冷卻不良, 使軸承外徑表面燒傷, 出現裂紋源, 導致開裂或由于軸承承受軸向力過大, 造成軸承在工作中端面與相鄰墊圈摩擦產生裂紋導致外圈斷裂 。
支承軸承外圈必須保證足夠的強度, 外圈壁厚盡量加大, 但同時也須保證軸承的額定載荷。從軸承的設計角度來看, 在低速重載狀況下, 采用滿裝滾子結構, 使滾子之間的中心距盡量小, 以減小彎曲力矩。在材料選取方面, 實際應用表明, 重載工作時較好采用滲碳鋼, 其外徑上有厚的滲碳層, 表面硬度高, 心部韌性好, 具有很高的抗拉強度;或內圈和外圈采用貝氏體淬硬, 保證軸承套圈較好的抗斷裂能力。
3.4 輥系調整及維護不當
多輥軋機軋制載荷大, 且轉速較高, 在軋制過程中, 作為支承輥的軸承外圈產生磨損, 導致工作輥軸線產生凹度, 軋制出的薄板就會有缺陷 。這就需要通過調整支承輥心軸, 增加撓度來補償。而變成凸度部位的軸承受力較大, 容易過載, 造成軸承內部磨損加大, 所以調整量要盡量控制在微量, 要對輥形進行良好的修整 。
支承輥軸承由于安裝部位不同和公差不一,必然造成受力不均, 在使用一段時間后, 軸承要進行對換, 定期將重載荷心軸上的軸承移到載荷較輕的心軸上, 以使其得到充分利用, 延長軸承壽命。
而同一心軸上軋輥中部的支承軸承所承受的載荷大于軋輥端部的支承軸承, 中部軸承的磨損比其他軸承大, 也應定期交換同一心軸上軸承的位置 。
內圈做為非旋轉圈承受固定載荷, 為延長使用壽命, 應定期更換載荷區位置。
軋制薄鋼帶一段時期后, 支承輥軸承外徑表面出現損壞現象, 包括壓痕 、磨損及表面剝落, 則須換輥, 對拆下的軸承進行修磨。外徑重磨后, 須重新測量, 標出厚度較大的點, 再與相應的滾子和內圈組裝, 按新的截面厚度重新進行分組。
交換軸承、轉動內圈和重新研磨外圈外徑的適當間隔時間取決于工作條件 。
5 結束語
由于多輥軋機支承輥軸承的使用壽命較低, 軸承設計時必須在多方面采取措施提高軸承的承載能力, 使其達到較高的使用壽命;同時避免安裝誤差、潤滑冷卻不良、雜質等因素的影響;輥系的合理調整對延長軸承的使用壽命也起著很大的作用。
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