摘 要:結(jié)合二十輥SUNDWIG軋機(jī)支承輥軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作條件,論文分析了軸承在使用過程中出現(xiàn)外圈爆裂的機(jī)理及原因,提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施,并進(jìn)行了實(shí)際使用驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞:SUNDWIG軋機(jī);支承輥軸承;爆裂
1 引言
支承輥軸承作為二十輥軋機(jī)關(guān)鍵輥系組成部分,直接影響軋機(jī)的可靠性、安全性、壽命及軋制帶鋼的質(zhì)量。支承輥軸承本身要求精度非常高,旋轉(zhuǎn)精度需達(dá)到P4級(jí)以上。軸承需要定期維護(hù),以保證使用質(zhì)量[1]。
寶新公司有兩臺(tái)二十輥SUNDWIG四立柱單機(jī)架可逆式軋機(jī),***大軋制力800t,***高速度800m/min。該型軋機(jī)支承輥軸承共有8根,位置呈六邊形分布,位于6根二中間輥外側(cè),每根為9段式軸承結(jié)構(gòu)為雙列圓柱滾子軸承,無止推墊片,有分離式擋邊圈[2]。在前期生產(chǎn)過程中,支撐輥易出現(xiàn)外圈爆裂剝落現(xiàn)象,給現(xiàn)場(chǎng)正常生產(chǎn)及質(zhì)量控制造成較大影響。其主要失效表現(xiàn)形式為:外圈軸向出現(xiàn)嚴(yán)重開裂剝落,外圈擋邊開裂剝落等,如圖1、圖2。
2 支承輥軸承外圈爆裂原因分析
2.1 軸承材質(zhì)、硬度檢測(cè)分析
通過對(duì)外圈爆裂軸承和正常軸承硬度進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比,未發(fā)現(xiàn)明顯異常,如表1、表2;對(duì)材質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比,在微觀組織下,外徑側(cè)、滾道側(cè)的馬氏體組織都呈現(xiàn)良好的組織情況,另外,內(nèi)部因?yàn)槭侨夂衿?,確認(rèn)有托氏體,如圖3、圖4。因此后續(xù)重點(diǎn)對(duì)軸承的受力情況和軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查分析。
測(cè)定位置從各零件的側(cè)面測(cè)定(滾子為端面),表面硬度測(cè)定結(jié)果如下。
從上兩表數(shù)據(jù)分析,爆裂軸承和正常軸承的區(qū)別在于,內(nèi)圈的表面硬度不同,其它部分,爆裂軸承和正常軸承都具有相同的表面硬度。外圈、內(nèi)圈、擋圈為60HRC左右的表面硬度,滾子為64HRC程度的高硬度。
2.2 受力分析
2.2.1 整根支承輥軸承受力分析
圖5為整根支承輥軸承承受載荷、單個(gè)軸承兩列滾動(dòng)體和內(nèi)外滾道接觸受力大小情況。軋制過程中整根支承輥軸承受撓曲變形影響,中間軸承5受力***大,考慮到中心位置附件撓度曲率變化較小,可近似的認(rèn)為軸承5受均勻的壓力。但出于兩側(cè)的軸承(特別是3、4、6、7)由于撓度曲率變化較大,受力情況將有所變化。
以軸承6為例,如圖6所示,由于軸承面以及滾動(dòng)體等塑性變形的影響,芯軸的撓度將遠(yuǎn)小于二中間輥,因此,軸承所受壓力F將于芯軸成一定角度。故分解后,軸承將受到一個(gè)平行于芯軸方向的軸向力F1,軸向分力F1依靠軸承滾道側(cè)壁及擋邊抵消。若軋制力過大或者凸度設(shè)計(jì)不合理,將使支承輥軸承撓度增大,從而增大軸向分力F1。一旦分力F1超過軸承設(shè)計(jì)承受能力,將使?jié)L動(dòng)體端面、軸承側(cè)壁及擋圈磨損,如圖 2,以至***后剝落及開裂。同時(shí),由于撓度的存在,將使兩側(cè)滾動(dòng)體受力不均勻,形成偏載,靠近中心位置側(cè)受力較大,遠(yuǎn)離中心位置側(cè)受力較小,若偏載過大,將導(dǎo)致偏載側(cè)滾道磨損嚴(yán)重,甚至剝落開裂。***終撕裂外圈,如圖7。
2.2.2 輥系受力分析
如圖8,若軋制線前后高度不一致,將使整個(gè)輥系受力不均,軋制時(shí)將產(chǎn)生軸向分力,作用于支承輥軸承上將導(dǎo)致滾動(dòng)體端面、軸承側(cè)壁及擋圈磨損。
軋制過程中一中間輥橫向竄動(dòng),竄動(dòng)力將通過摩擦力反作用于二中間輥,***后傳遞到支承輥軸承上。若一中間輥竄動(dòng)力過大,也可能導(dǎo)致軸向力過大。因此,應(yīng)該減小竄動(dòng)過程中的摩擦力??紤]到壓力的不可控,因此,應(yīng)盡量減小一中間輥和二中間輥的摩擦因子。
2.2.3 軋制力情況分析
表3為軋機(jī)正常軋制階段、異常軋制階段及各支承輥爆裂階段軋制鋼種占比平均數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可以看出:
(1)正常階段與異常階段軋制各鋼種比例未發(fā)生較大變化;
(2)支承輥軸承爆裂多發(fā)生于軋制200/300系鋼種階段,即軋制力較大階段。
2.3 軸承結(jié)構(gòu)分析
目前國內(nèi)不銹鋼冷軋廠同類型二十輥SUNDWIG軋機(jī)使用NSK等進(jìn)口軸承軋制過程中也存在軸承外圈爆裂問題,而且軋制工況比寶新好,如軋制力比寶新小。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況,該軸承實(shí)際已經(jīng)無法承受寶新公司SUNDWIG軋機(jī)軋制負(fù)荷的能力,故對(duì)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行分析。
2.3.1 外圈輥型分析
如圖9所示,二十輥SUNDWIG軋機(jī)支承輥軸承分布有兩列滾動(dòng)體,由于軸承外圈輥面采用中部水平,兩端倒角的設(shè)計(jì),理論上單個(gè)支承輥軸承設(shè)計(jì)的受力區(qū)域?yàn)閮啥说菇翘幤蛴谳S承中心5~10mm處(如圖9、 圖10中①、③位置),該受力位置對(duì)應(yīng)滾動(dòng)體倒角區(qū)域,兩處疊加不利于軸承的使用壽命。
2.3.2 外圈結(jié)構(gòu)分析
(1)圖11為外圈結(jié)構(gòu)示意圖,外圈設(shè)計(jì)有擋邊,軋制過程中承受一定軸向力,長時(shí)間的使用會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)體端面和擋邊端面出現(xiàn)磨損拉毛,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生擋邊擠爆開裂。
(2)外圈擋邊的存在使檢查存在盲點(diǎn),滾動(dòng)體無法取出對(duì)外圈滾道進(jìn)行全面仔細(xì)的檢查,小剝落、小裂紋等缺陷的檢查會(huì)出現(xiàn)遺漏,造成嚴(yán)重的爆裂、卡阻等生產(chǎn)事故。
(3)外圈肉厚為40mm,其強(qiáng)度本身無法滿足寶新公司現(xiàn)有軋制工況。
綜合以上分析,導(dǎo)致SUNDWIG軋機(jī)支承輥軸承爆裂可能原因?yàn)椋?nbsp;
(1)受力異常導(dǎo)致支承輥軸承爆裂。軋制力過大、凸度設(shè)計(jì)不合理,軋制線傾斜以及一中間輥竄動(dòng)力過大均有可能產(chǎn)生較大軸向力,若超過軸承承受極限,則造成軸承橫向撕裂。
(2)軸承外圈結(jié)構(gòu)、輥型設(shè)計(jì)不合理造成支承輥軸承爆裂。單個(gè)軸承外圈倒角應(yīng)力集中位置與滾動(dòng)體倒角位置重疊,造成軸承倒角位置承載能力薄弱。外圈設(shè)計(jì)有擋邊,承受軸向力時(shí)會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)體端面和擋邊端面出現(xiàn)磨損擠爆開裂,而且在維護(hù)時(shí)也不便檢查外圈內(nèi)滾道使用狀態(tài),存在維護(hù)盲點(diǎn)。
3 解決措施
3.1 改善軸承受力狀態(tài)
(1)軸承下機(jī)調(diào)壓力區(qū)時(shí),標(biāo)注軸承的操作側(cè)、傳動(dòng)側(cè)位置,檢查軸承內(nèi)、外圈和滾動(dòng)體無異常后,單個(gè)軸承軸向旋轉(zhuǎn)180°后在原位置重新組裝。避免出現(xiàn)單側(cè)滾動(dòng)體和內(nèi)外圈滾道長期出現(xiàn)偏載的情況,使兩列滾動(dòng)體和內(nèi)外圈在多次使用過程中能夠得到相對(duì)均勻的承載。
(2)調(diào)整大軋制力鋼種(300系及200系鋼種)的軋制規(guī)格,規(guī)定其***大壓下率、***小可軋制厚度和可軋寬度并調(diào)整特定規(guī)格的壓下率和道次分配數(shù)。
(3)調(diào)整SUNDWIG軋機(jī)一中間輥竄動(dòng)速度,提高竄動(dòng)速度以及起始竄動(dòng)速度,減小整個(gè)輥系竄動(dòng)過程中的軸向力。
(4)增大二中間惰輥凸度,補(bǔ)償支承輥撓度。
3.2 改進(jìn)軸承結(jié)構(gòu)
(1)調(diào)整軸承外圈輥型。保證軸承外徑誤差在10mm范圍之內(nèi)的同時(shí),加大單個(gè)軸承的倒角寬度,由原來的15mm調(diào)整至20mm,斜率不變。雖然軸承承載面減少,降低了軸承承受載荷的能力,但理論上可以減少滾動(dòng)體產(chǎn)生塑性變形后外側(cè)倒角區(qū)域和外圈滾道面的應(yīng)力集中,使兩列滾動(dòng)體和內(nèi)外圈滾道受力更加均勻,從而降低軸承外圈開裂的概率。
(2)改進(jìn)軸承結(jié)構(gòu)及熱處理方式。由于軸承的外形尺寸無法改變,其主要失效形式為外圈爆裂,只能從軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上設(shè)法提高軸承外圈的承載能力和使用壽命。主要變動(dòng)為外圈壁厚增加,內(nèi)圈、滾動(dòng)體直徑減小。采用中擋邊形式,便于維護(hù)檢查和軸承內(nèi)部的剝落顆粒排出。在此基礎(chǔ)上對(duì)外圈熱處理工藝進(jìn)行了提升,提高軸承的抗沖擊韌度和斷裂韌度,外圈內(nèi)滾道面進(jìn)行滲碳處理,以提高其表面抗疲勞性。改進(jìn)型軸承示意圖如圖12。
3.3 保證裝配質(zhì)量
組裝維護(hù)時(shí),做好對(duì)軸承本身滾道、滾動(dòng)體、擋邊、保持架的檢查,并使用壓縮空氣對(duì)芯軸及潤滑孔進(jìn)行吹掃,清除異物。
4 實(shí)際使用情況驗(yàn)證
SUNDWIG軋機(jī)支承輥軸承改善受力狀態(tài)和潤滑條件后,經(jīng)過半年跟蹤,由改進(jìn)前的月均2.2次,降低為改進(jìn)后的0.51次;改進(jìn)軸承結(jié)構(gòu)后,經(jīng)過半年的跟蹤,完全避免了SUNDWIG軋機(jī)支承輥軸承爆裂的發(fā)生,效果十分顯著。
5 結(jié)語
二十輥SUNDWIG軋機(jī)支承輥軸承在使用中出現(xiàn)外圈爆裂的原因主要有:一是由于軋制力提高后,軸承的軸向力也大幅提高,導(dǎo)致軸承滾動(dòng)體和軸承外擋邊磨損加劇直至爆裂;二是軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,外圈外擋邊的存在和壁厚不足在承受大軸向力工況時(shí)出現(xiàn)引導(dǎo)式磨損、開裂。對(duì)此,根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境,提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施,通過實(shí)際使用驗(yàn)證,徹底解決了二十輥SUNDWIG軋機(jī)支承輥滾軸承爆裂問題。
【參考文獻(xiàn)】
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