王長(zhǎng)興，陳彥仲，吉 微，曲新靜，郭輝力

(1.河北銀河軸承有限公司，河北 邯鄲 056000;2.邯鄲市軋機(jī)軸承工程技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 056700;3.洛陽(yáng)大華重型機(jī)械有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 前言

板坯連鑄機(jī)冶金長(zhǎng)度較長(zhǎng)，直到矯直區(qū)板坯都處于液芯狀態(tài)。板坯從結(jié)晶器出來(lái)，由于鼓肚力的存在，必須獲得足夠的支承使其凝固成型。為了實(shí)現(xiàn)夾持和引導(dǎo)板坯的功能，二次冷卻區(qū)支承裝置采用支撐輥結(jié)構(gòu)。板坯連鑄機(jī)依靠驅(qū)動(dòng)輥把結(jié)晶器內(nèi)形成的具有一定厚度坯殼的板坯沿導(dǎo)向段拉出。板坯連鑄機(jī)扇形段支撐輥主要有整體式分段輥、芯軸式輥、分段組合式輥［1-3］。為改善受力情況、增加輥?zhàn)觿偠取⒏纳婆餍?，扇形段?qū)動(dòng)輥要增加中間支承。

1 軸承選型及結(jié)構(gòu)

板坯連鑄機(jī)扇形段驅(qū)動(dòng)輥傳遞扭矩較大，一般選用整體式分段輥、芯軸式輥，如圖1所示。整體式分段輥輥身長(zhǎng)，受力后易撓曲，影響輥縫及鑄坯質(zhì)量，因此需要增加中間支撐軸承。剖分式軸承主要用于無(wú)法安裝普通軸承的多點(diǎn)支撐的長(zhǎng)軸或曲軸上。由圖1可知，整體式分段輥結(jié)構(gòu)中間支承，只能采用剖分式軸承。連鑄機(jī)扇形段驅(qū)動(dòng)輥用剖分式軸承主要有剖分式調(diào)心滾子軸承和剖分式圓柱滾子軸承兩種類(lèi)型。

圖1 驅(qū)動(dòng)輥形式Fig.1 Forms of driving roll

剖分式調(diào)心滾子軸承外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體都是球面，可自動(dòng)補(bǔ)償支撐輥運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程系統(tǒng)的初始偏心和動(dòng)態(tài)偏心，改善由于支撐輥撓曲造成的不利影響。調(diào)心滾子軸承本身不具有軸向調(diào)節(jié)功能，而是通過(guò)內(nèi)圈與輥徑松配合，依靠輥徑和軸承內(nèi)徑的相對(duì)滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐輥膨脹伸長(zhǎng)產(chǎn)生的軸向竄動(dòng)。剖分式調(diào)心滾子軸承必須采用保持架才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，滾動(dòng)體數(shù)量的減少降低了軸承的負(fù)荷性能。此外，調(diào)心滾子軸承由于其特有的結(jié)構(gòu)，冷卻通道面積較小，冷卻效果不及圓柱滾子軸承。

剖分式圓柱滾子軸承外圈可以設(shè)計(jì)為外球面，從而補(bǔ)償普通圓柱滾子軸承不具有的調(diào)心性能，且軸承采用外圈無(wú)擋邊，內(nèi)圈雙擋邊結(jié)構(gòu)，軸承外圈與軸承座孔之間可以實(shí)現(xiàn)軸向的自由竄動(dòng)，適應(yīng)支撐輥的熱膨脹。圓柱滾子軸承可以設(shè)計(jì)為滿裝結(jié)構(gòu)，最大限度的提高軸承的承載能力，特別是連鑄機(jī)驅(qū)動(dòng)輥軸承低速重載、高溫水氣等惡劣工況下，更要求軸承有高的靜載荷承載能力。

本文所述板坯連鑄機(jī)扇形段驅(qū)動(dòng)輥軸承為水冷剖分式滿裝圓柱滾子軸承。

2 軸承使用工況

連鑄生產(chǎn)的連續(xù)性，使軸承長(zhǎng)期在高溫、重載、重污染的環(huán)境中運(yùn)行。為保證軸承在滿足連鑄生產(chǎn)工況條件下可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)的軸承需要考慮以下因素。

(1)連鑄機(jī)輥?zhàn)邮冀K與溫度高達(dá)1 000℃左右的鑄坯直接接觸［4-5］。

(2)連鑄板坯的鼓肚力和鑄坯矯直產(chǎn)生的反力［1］，全部由輥?zhàn)又С休S承承受，軸承載荷極大。

(3)板坯連鑄機(jī)板坯工作拉速不高于2 m/min［6］，支撐軸承轉(zhuǎn)速約 1 ～3 r/min，軸承轉(zhuǎn)速低。

(4)驅(qū)動(dòng)輥為整體輥，受溫度影響會(huì)產(chǎn)生較大軸向膨脹，要求軸承具有軸向竄動(dòng)能力［7］。

(5)輥?zhàn)油S度偏差、過(guò)鋼時(shí)產(chǎn)生輥?zhàn)訐锨筝S承具有調(diào)心性能［8］。

(6)鑄坯要進(jìn)行水冷卻，軸承在大量水分、高溫蒸汽和氧化屑環(huán)境中運(yùn)行。

3 軸承設(shè)計(jì)

因?yàn)檩S承轉(zhuǎn)速較低，近似工作在靜止?fàn)顟B(tài)，軸承的動(dòng)態(tài)承載能力可不考慮，軸承設(shè)計(jì)主要考慮靜載荷能力，采用滿裝滾動(dòng)體設(shè)計(jì)方案可以在有限小的設(shè)計(jì)空間實(shí)現(xiàn)高載荷，滿足連鑄機(jī)重載荷工況的需要。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水冷剖分式滿裝圓柱滾子軸承裝配圖如圖2所示，主要由軸承座、兩半內(nèi)圈、半外圈、滾動(dòng)體、夾緊圈及密封裝置組成。兩半內(nèi)圈通過(guò)夾緊圈夾緊與驅(qū)動(dòng)輥輥頸配合，同時(shí)夾緊圈夾緊定位后還起到軸承內(nèi)圈擋邊的作用，用以引導(dǎo)滾動(dòng)體正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 水冷剖分式滿裝圓柱滾子軸承裝配圖Fig.2 Assembly drawing of water-cooled split bearing with cylindrical rollers

如圖3所示，軸承采用半外圈設(shè)計(jì)，外徑面為外球面，相對(duì)應(yīng)的下半軸承座相應(yīng)的安裝位置設(shè)計(jì)為內(nèi)球面。上半軸承座內(nèi)徑面作為軸承上半外圈滾道，上半軸承座即是軸承上半外圈。連鑄機(jī)工作時(shí)，為防止高溫板坯與軸承座直接接觸，軸承座頂部要與板坯有安全距離，如圖2左視圖H2所示。同一根驅(qū)動(dòng)軸，若軸承不采用半外圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸承總高就要加大，為防止接觸，就必須減小滾動(dòng)體，這樣勢(shì)必會(huì)降低軸承的承載能力，若減小輥徑則會(huì)降低驅(qū)動(dòng)輥的整體強(qiáng)度。半外圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以降低軸承座高度和驅(qū)動(dòng)輥直徑，便于安裝更大直徑的輥?zhàn)印?/p>

圖3 半外圈Fig.3 Half outer ring

上半軸承座與半外圈平面B的配合面，如圖4所示，與半外圈外球面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使軸承能夠適應(yīng)驅(qū)動(dòng)輥或軸承座變形造成的偏心，本軸承設(shè)計(jì)的抗偏心能力最大可達(dá)3°。軸承與輥?zhàn)觾奢S肩間隔H1≈10 mm，半外圈采用無(wú)擋邊設(shè)計(jì)，滾道比滾動(dòng)體直徑寬2×H3，滾動(dòng)體可以在外滾道上軸向游動(dòng)，適應(yīng)驅(qū)動(dòng)輥受熱膨脹伸長(zhǎng)。

圖4 上半軸承座平面局部剖視圖Fig.4 Part sectioned view of upper-half bearing seat

連鑄機(jī)工作時(shí)，軸承受到高溫板坯熱輻射以及來(lái)自輥?zhàn)觽鬟f的熱量，良好的冷卻才能保證軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)輥?zhàn)永鋮s系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軸承內(nèi)圈冷卻［9］。剖分軸承設(shè)計(jì)了軸承座專用冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，如圖5所示。軸承座通過(guò)驅(qū)動(dòng)輥支座提供冷卻水，冷卻水按圖示箭頭方向循環(huán)。上、下軸承座水路接口處利用“O”形密封圈密封，防止漏水。上半軸承座頂部水冷腔面積，大為防止生銹堵塞，軸承座蓋板采用不銹鋼材質(zhì)焊接到軸承座上。通過(guò)循環(huán)水冷卻，軸承溫度能保持在60～80℃左右，大大改善了軸承在高溫環(huán)境下的運(yùn)行條件。剖分調(diào)心滾子軸承外圈滾道為球面，水冷腔處厚度薄厚不均，冷卻效果相對(duì)圓柱滾子軸承較差。

圖5 水冷卻循環(huán)Fig.5 Circular path of cooling water

軸承座底部均布著四個(gè)螺紋孔，如圖2中A向視圖所示，用于將軸承固定在驅(qū)動(dòng)輥支座上，其中兩個(gè)對(duì)角分布的螺紋孔兼作潤(rùn)滑油輸送接口用，下軸承座底部鍵槽用于軸承定位。軸承潤(rùn)滑油路，如圖6所示，潤(rùn)滑油直接向軸承滾道潤(rùn)滑，提高了潤(rùn)滑效果。

圖6 潤(rùn)滑油路Fig.6 Circular path of lubrication oil

水冷剖分式軸承采用多重密封結(jié)構(gòu)，如圖2左視圖所示。銅制“迷宮式”密封圈是第一道密封，采用剖分式結(jié)構(gòu)。安裝在銅制“迷宮式”密封上的密封為利用彈性圈組成的螺旋纏繞迷宮式密封、氟橡膠唇式密封或者兩者組合密封。多重密封結(jié)構(gòu)使軸承在高溫環(huán)境中阻止水分、水汽或氧化鐵屑等對(duì)軸承的污染，保證潤(rùn)滑及清潔，延長(zhǎng)了軸承壽命。

3.2 軸承潤(rùn)滑［10］

水冷剖分式軸承的潤(rùn)滑有脂潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑兩種方式，用戶根據(jù)設(shè)備狀況選用不同的潤(rùn)滑方式。

(1)脂潤(rùn)滑。扇形段驅(qū)動(dòng)輥支撐軸承長(zhǎng)期在高溫、低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承滾子與滾道間潤(rùn)滑油膜很難形成［10］。水冷剖分軸承潤(rùn)滑脂必須有足夠高的黏度才能在運(yùn)行中將滾動(dòng)體與滾道分開(kāi)，使軸承能保持較長(zhǎng)的使用壽命，潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油黏度要求為ISO VG 1500，并在潤(rùn)滑脂中添加極壓添加劑，高粘度潤(rùn)滑劑還有助于密封。連鑄機(jī)的潤(rùn)滑一般采用潤(rùn)滑脂自動(dòng)配送系統(tǒng)，為各個(gè)連鑄機(jī)支撐軸承提供潤(rùn)滑脂，其對(duì)軸承的潤(rùn)滑特點(diǎn)為泵送次數(shù)頻繁，單次輸送量相對(duì)較少，潤(rùn)滑脂的輸送量通常少于5 mL，輸送頻率一般在6～10次/h，間隔時(shí)間不得大于10 min。這樣既為軸承提供了新鮮的潤(rùn)滑脂，又清除了老化油脂和污垢。

(2)油氣潤(rùn)滑。利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)油膜，經(jīng)配送管道輸送至軸承，如圖7所示。該系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，在清潔軸承的同時(shí)保證新鮮的潤(rùn)滑劑流向軸承。采用油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)可大大降低潤(rùn)滑劑的消耗。油氣系統(tǒng)使用1/100的潤(rùn)滑劑，預(yù)先加壓使軸承內(nèi)雜質(zhì)排除。

圖7 軸承油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)Fig.7 Oil-air lubrication system of bearings

4 軸承使用要求

(1)軸承負(fù)荷比應(yīng)滿足Cor/P＞3.5，P為軸承當(dāng)量靜負(fù)荷，Cor為軸承額定靜負(fù)荷。軸承負(fù)載區(qū)域與軸承承受的負(fù)荷大小及軸承游隙有關(guān)，在確定的游隙條件下根據(jù)承載負(fù)荷可計(jì)算出負(fù)載區(qū)域，從而確定軸承選用是否合適。計(jì)算過(guò)程可參考相關(guān)資料。水冷軸承采用半外圈設(shè)計(jì)，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)負(fù)載區(qū)應(yīng)該分布在半外圈(圖8所示陰影部分)，負(fù)載區(qū)不允許超過(guò)180°。當(dāng)軸承負(fù)荷區(qū)小于120°時(shí)，負(fù)荷比可適當(dāng)減小，此時(shí)軸承的靜態(tài)載荷利用率較高。

圖8 軸承負(fù)荷區(qū)Fig.8 Bearing load area

(2)軸承游隙大小直接影響軸承的載荷分布、振動(dòng)、磨損以及運(yùn)轉(zhuǎn)精度等。游隙選擇合適與否直接影響軸承的使用壽命，根據(jù)水冷剖分式軸承的使用工況推薦選用C3組游隙。

(3)軸承配合。水冷剖分式圓柱滾子軸承用于扇形段驅(qū)動(dòng)輥的中間支撐，由于驅(qū)動(dòng)輥的長(zhǎng)度會(huì)隨溫度的變化而改變，軸承必須適應(yīng)中間支撐位的浮動(dòng)。因此，軸承內(nèi)圈與輥徑采用間隙配合或過(guò)渡配合安裝，使輥徑能夠在軸承孔內(nèi)前后浮動(dòng)，且軸承的更換過(guò)程也大大簡(jiǎn)化。軸的加工要求一般為h7。

(4)驅(qū)動(dòng)輥與軸承座兩端面距離H1的值應(yīng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)輥受熱軸向膨脹量確定，一般H1約為10 mm;軸承座蓋板與驅(qū)動(dòng)輥輥面距離H2大于10 mm。

(5)同一根驅(qū)動(dòng)輥的中間支撐軸承安裝輥徑需要控制同軸度，防止軸承承載不均導(dǎo)致軸承過(guò)早損壞。

(6)軸承工作現(xiàn)場(chǎng)可將冷卻水循環(huán)加壓到約1.2 MPa進(jìn)行冷卻效果測(cè)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

水冷剖分圓柱滾子軸承采用滿裝滾動(dòng)體設(shè)計(jì)，最大化了軸承承載能力;冷卻循環(huán)水路設(shè)計(jì)使得軸承能夠在60～90℃運(yùn)轉(zhuǎn);多重密封結(jié)構(gòu)阻止了外界水分、氧化鐵屑等雜質(zhì)對(duì)軸承的侵蝕;軸承座特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使軸承能夠?qū)崿F(xiàn)±3°自動(dòng)調(diào)心，保證了軸承與驅(qū)動(dòng)輥的協(xié)調(diào);半外圈設(shè)計(jì)可以降低軸承座高度和輥?zhàn)又睆?潤(rùn)滑方式的設(shè)計(jì)保證了軸承在極低轉(zhuǎn)速下潤(rùn)滑油膜的形成。水冷剖分圓柱滾子軸承能夠適應(yīng)連鑄機(jī)對(duì)軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)的苛刻要求。

［1］周保鴻.板坯連鑄機(jī)扇形段輥?zhàn)拥倪x擇與設(shè)計(jì)［J］.重型機(jī)械，2010(S1):208－211.

［2］蔣軍.板坯連鑄機(jī)扇形段輥?zhàn)釉O(shè)計(jì)的研究［J］.重型機(jī)械，2008(5):29－33.

［3］黃文磊.連鑄機(jī)扇形段驅(qū)動(dòng)輥改造［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2009(3):79－80.

［4］夏華剛，張菊根.寬厚板連鑄機(jī)扇形段驅(qū)動(dòng)輥改造［J］.中國(guó)軍轉(zhuǎn)民，2010(12):74－75.

［5］林生，王吉航，李翔.板坯連鑄機(jī)用軸承的使用特性與應(yīng)用研究［J］.中國(guó)冶金，2016，16(8):34－38.

［6］李萬(wàn)國(guó)，連鑄機(jī)工藝設(shè)計(jì)若干問(wèn)題的認(rèn)識(shí)［J］.連鑄，2010(3):16－22.

［7］Nigel A.Los，John H.Rhodes，Geoge Daberger.板坯連鑄機(jī)專用軸承的創(chuàng)新和改進(jìn)［J］.中國(guó)鋼鐵業(yè)，2011(9)，32－34.

［8］尹秀錦，扇形段軸承損壞原因分析［J］.冶金設(shè)備，2009(S1):26－27.

［9］田寶勝，徐文強(qiáng).板坯連鑄機(jī)扇形段輥?zhàn)鋮s水管路改造［J］.中小企業(yè)管理與科技，2001(16):303－304.

［10］趙維鵬，張軍，譚海港，等.潤(rùn)滑脂在軸承潤(rùn)滑中的作用［J］.潤(rùn)滑油，2003，18(6):18－22.