趙登山　盧萬有　雷坤　張文斌

(安陽鋼鐵股份有限公司)

高線減定徑小錐箱軸承改進(jìn)

趙登山盧萬有雷坤張文斌

(安陽鋼鐵股份有限公司)

摘要介紹了高線減定徑小錐箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對該設(shè)備存在的問題與缺點(diǎn)進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施,通過對短圓柱軸承結(jié)構(gòu)的分析，找到了問題的原因，進(jìn)行了有效的改進(jìn),取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞減定徑小錐箱軸承

IMPROVEMENT OF SMALL CONE BEARING BOX OF REDUCING SIZING MILL FOR HIGH SPEED WIRE ROD UNIT

Zhao DengshanLu WanyouLei KunZhang Wenbin

(Anyang Iron and Steel Stock Co,Ltd)

ABSTRACTThe structure characteristics of reducing sizing mill drive housing are introduced. The problems and shortcomings of the device are analyzed, and put forward some corresponding improving measures. Through the analysis of the short cylindrical bearing structure, find the cause of the problem, and effective improvement is carried out, good results are achieved.

KEY WORDSreducing sizing milldrive housingbearing

0引言

安鋼高速線材軋機(jī)是我公司進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)工程，大部分設(shè)備立足國內(nèi)設(shè)計(jì)制造，如加熱爐、粗中軋機(jī)，斯太爾摩風(fēng)冷運(yùn)輸線、集卷站、P/F線等。關(guān)鍵設(shè)備由美國摩根公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造，如預(yù)精軋機(jī)、精軋機(jī)組、減定徑機(jī)組、吐絲機(jī)等。電氣控制系統(tǒng)由西門子設(shè)計(jì)、供貨。工藝、設(shè)備和自動化控制代表了當(dāng)代高速線材軋機(jī)世界最先進(jìn)水平，設(shè)計(jì)速度150 m/s，最大操作速度120 m/s，最小輥徑時保證軋制速度112 m/s，采用高架式布置，最多軋制30道次。選用坯料為：150 mm×150 mm×12000 mm連鑄方坯，產(chǎn)品規(guī)格為：Φ5.5 mm～Φ20 mm光面盤卷和Φ6 mm～Φ16 mm螺紋盤卷，盤卷重約2 t，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量40 萬t，生產(chǎn)鋼種為：碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(20#～85#)、低合金鋼(HRB335)、彈簧鋼(60Si2Mn)、焊條鋼(H08A)、冷鐓鋼(ML10～45)、軸承鋼(GCr15)。

全線共有軋機(jī)30架，其中粗中軋機(jī)14架，呈平立交替布置；預(yù)精軋機(jī)4架、精軋機(jī)8架、減定徑機(jī)4架為美國摩根公司生產(chǎn)的V型軋機(jī)，采用45°頂角形式，代表了當(dāng)今世界先進(jìn)軋機(jī)水平。

1設(shè)備概況

位于無扭精軋機(jī)后面的減定徑機(jī)組，它由四架V形軋機(jī)組成，采用橢圓-圓-圓-圓工藝孔型軋制，能夠達(dá)到精確的產(chǎn)品尺寸公差和最優(yōu)的表面質(zhì)量，從而使產(chǎn)品尺寸公差控制在±0.1 mm范圍內(nèi)。該型減定徑機(jī)組由一臺3200 kW交流變頻電機(jī)通過一個增速箱集中對四架軋機(jī)傳動，其中相鄰兩架為一組構(gòu)成錐箱傳動機(jī)構(gòu)。該錐箱傳動機(jī)構(gòu)采用極為少見的頂交45 °傳動角，有懸臂結(jié)構(gòu)。由于減定徑機(jī)組位于精軋之后，軋制速度可達(dá)112 m/s以上，如此高的線速度要求傳動系統(tǒng)中的每個軸承都能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，所以減定徑機(jī)組主傳動系統(tǒng)軸承的選型的正確與否就顯得相當(dāng)關(guān)鍵。我廠減定徑設(shè)備為摩根五代半產(chǎn)品，屬于過渡產(chǎn)品，設(shè)計(jì)承載能力嚴(yán)重不足，還有目前高線生產(chǎn)節(jié)奏與以前明顯不同，小批量生產(chǎn)呈現(xiàn)常態(tài)化，規(guī)格品種更換頻乃，小規(guī)格產(chǎn)品比重加大，造成我廠定徑機(jī)30#小錐箱事故頻發(fā)，平均每三個月出現(xiàn)一次設(shè)備事故，且錐箱振動值居高不下，原設(shè)計(jì)112 m/s的速度不能保證，只有降速軋制；每次事故處理時間長達(dá)55 h，有時達(dá)65 h，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏，制約1高線機(jī)組的成品產(chǎn)量。因此，必須對減定徑30#小錐箱軸承進(jìn)行改進(jìn)，以解決目前存在的問題。

經(jīng)過觀察對比，筆者發(fā)現(xiàn)減定徑機(jī)組小錐箱改造之前出現(xiàn)的若干次設(shè)備事故近乎相同，都是小錐箱傳動機(jī)構(gòu)懸臂端起支撐作用的短圓柱軸承損壞造成。軸承失效形式明顯，每次不盡相同，主要損毀情況有：軸承外圈剝落，內(nèi)圈滾道有較深壓痕，保持架斷裂，滾子表面磨損等。造成軸承失效的原因經(jīng)分析后主要有以下幾種：

(1)軸承承載能力不足。該處軸承型號為162250HI,為美國摩根設(shè)計(jì)專供的進(jìn)口軸承，采用形式為內(nèi)圈雙擋邊，外圈無擋邊，內(nèi)圈引導(dǎo)保持架，由幾次失實(shí)效情況來看，很明顯，主要是承載能力不夠引起的問題。

(2)軸承結(jié)構(gòu)不利于潤滑。從潤滑角度分析：該軸承屬于保持架內(nèi)引導(dǎo)噴油潤滑。內(nèi)引導(dǎo)間隙太小不利于油液射入內(nèi)圈滾道，尤其在13000 rpm～15000 rpm的高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力的情況下，導(dǎo)致內(nèi)圈滾道粘附不著油液，形不成穩(wěn)定油膜。因此，在軸承高速旋轉(zhuǎn)發(fā)熱因素出現(xiàn)時會使?jié)櫥闆r更加惡化，加劇內(nèi)圈受損。

所以，為了為保證生產(chǎn)順利進(jìn)行，控制和減少設(shè)備事故發(fā)生，減輕維護(hù)人員維修和維護(hù)工作量，必須針對以上兩種情況對原軸承結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)改進(jìn)。

2改進(jìn)方案

現(xiàn)有的HI軸承外形尺寸為55 mm×100 mm×27 mm，滾子尺寸Φ12 mm×18 mm，內(nèi)滾道直徑Φ66 mm，內(nèi)圈壁厚5.5 mm(如圖1所示)，額度動負(fù)荷Cr=99 KN。根據(jù)以上軸承失效原因的分析，可以從兩方面考慮對現(xiàn)用HI軸承進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：一方面增大內(nèi)圈強(qiáng)度，另一方面增加軸承額度動負(fù)荷。HI軸承具體改進(jìn)方案如下：

2.2.1方案一

內(nèi)圈加厚，外圈減薄，如圖2(a)所示。具體做法為：

(1)增加內(nèi)圈壁厚，取內(nèi)滾道直徑di=Φ67 mm，即內(nèi)圈厚度為6 mm，外圈厚度4.5 mm。

(2)軸承額定動負(fù)荷：Cr=bmfc(iLweCOSα)7/9Z3/4Dwe29/27=99.5 KN。

(3)軸承其他結(jié)構(gòu)不變，尺寸隨之改變。

2.2.2方案二

內(nèi)套增加單擋邊，如圖2(b)所示。內(nèi)圈增加單擋邊，內(nèi)圈擋邊厚度比外擋邊厚度薄0.5 mm～1 mm，保證滾子與擋邊有0.5 mm～1 mm間隙，不起引導(dǎo)滾子和承受軸向力作用。內(nèi)圈增加單擋邊，一方面提高軸承內(nèi)圈剛性和強(qiáng)度，同時便于軸承內(nèi)圈的拆卸。

2.2.3方案三

內(nèi)套增加單擋邊，同時單邊加寬，考慮到實(shí)際的空間限制，最大值取3 mm，如圖2(c)所示。內(nèi)圈增加單擋邊，內(nèi)圈增加單擋邊，一方面提高軸承內(nèi)圈剛性和強(qiáng)度，同時便于軸承內(nèi)圈的拆卸；增加內(nèi)圈寬度，也能提高軸承的剛性和強(qiáng)度，同時增加斜坡長度，便于軸承的安裝。

2.2.4方案四

軸承寬度增加3 mm，滾子長度增加2 mm，內(nèi)圈增加單擋邊，如圖2(d)所示。具體做法為：

(1)軸承寬度在27 mm的基礎(chǔ)上增加3 mm，即C=30 mm。

(2)滾子長度增加2 mm，可以有效增加承載能力，即Lw=20 mm；為保證軸承徑向安裝尺寸不變，滾子直徑、個數(shù)保持不變。

(3)軸承額定動負(fù)荷：Cr=bmfc(iLweCOSα)7/9Z3/4Dwe29/27=109 KN,比原HI軸承額定動負(fù)荷增加10%。

(4)內(nèi)圈采用單擋邊結(jié)構(gòu)，同時適當(dāng)增加另一端斜坡長度，便于軸承對正安裝。內(nèi)圈擋邊僅起增加內(nèi)圈強(qiáng)度作用，不起引導(dǎo)滾子和承載作用。

圖1　現(xiàn)用結(jié)構(gòu)

(a) 方案一(b) 方案二(c) 方案三(d) 方案四

圖2HI軸承具體改進(jìn)方案

3現(xiàn)有軸承結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案的對比

現(xiàn)有軸承結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1　軸承結(jié)構(gòu)對比

由表1可以看出，方案四額定動負(fù)荷最高，約為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的1.1倍，根據(jù)額定壽命公式，其額定壽命是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的1.33倍。但是，方案四存在一個問題，滾子太長，根據(jù)圓柱滾子軸承設(shè)計(jì)方法，滾子直徑Φ12 mm，長度20 mm，已超過重型滾子軸承標(biāo)準(zhǔn)。HI軸承轉(zhuǎn)速達(dá)到11000 rpm，重型軸承不適用高速工況，另外滾子太長容易打橫，也會造成軸承早期失效。

從軸承使用情況來看， HI軸承由于軸承潤滑效果不好，失效主要形式是滾子磨損變形、內(nèi)外滾道有疲勞剝落；而我廠使用的HI軸承還曾經(jīng)出現(xiàn)過內(nèi)圈裂紋，主要原因是內(nèi)圈強(qiáng)度不足。針對這種情況，增加內(nèi)圈強(qiáng)度后的HI軸承的額度動載荷能適應(yīng)工況要求。

針對HI軸承的失效原因，從改善潤滑來說，方案一、二、三都采用保持架外引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，都能有效改善軸承潤滑條件。從提高內(nèi)圈強(qiáng)度和剛度來說，方案一內(nèi)圈厚度增加0.5 mm，內(nèi)圈強(qiáng)度和剛性提高有限，方案二和方案三內(nèi)圈增加單擋邊，能大大提高內(nèi)圈強(qiáng)度和剛性，同時也便于安裝和拆卸。方案二和三的區(qū)別是方案三內(nèi)圈加寬3 mm，同時一側(cè)斜坡加長，便于軸承安裝，但由于軸承外形尺寸改變，主機(jī)的一些零部件也要隨之改變。

通過以上4個方案對比，我們更側(cè)重于采用方案三：(1)采用外引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，軸承潤滑條件好，解決了摩根HI軸承潤滑不良的問題；(2)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)圈增加單擋邊，能有效提高內(nèi)圈強(qiáng)度和剛性，解決了HI軸承內(nèi)圈強(qiáng)度剛性不足的問題；(3)內(nèi)圈增加擋邊后，拆卸更加方便；(4)內(nèi)圈加寬3 mm，并使內(nèi)圈外廓一側(cè)斜坡加長，便于軸承對正安裝。另外，通過對滾子的下垂量的控制，來解決軸承安裝時的不方便問題。

4改進(jìn)效果

此次軸承改進(jìn)經(jīng)過一系列的設(shè)計(jì)、選型、安裝調(diào)試后一次試車成功，并于2014年2月正式投入使用，設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)至2014年7月小錐箱到壽命周期下線，正常使用了5個半月時間，期間未出現(xiàn)任何設(shè)備故障，且設(shè)備振動值明顯減小。因此，長期困繞高線減定徑機(jī)組30#小錐箱產(chǎn)生的設(shè)備故障率高的問題已得到徹底解決，為完成高線廠今后的奮斗目標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)的設(shè)備基礎(chǔ)。

5效益分析

高線機(jī)組日均產(chǎn)量1667 t，小時產(chǎn)鋼量70 t，改造前每次事故影響時間55 h～65 h；高線噸鋼利潤按100 元計(jì)算，每年按2次事故，每次影響時間按60 h,年增效為84萬元。

改造前，軸承每年更換4套，進(jìn)口單價為6 萬元。改造后，軸承設(shè)計(jì)壽命為半年，價格為1.2 萬元.每年直接節(jié)約資金約21.6 萬元.

6結(jié)語

此次減定徑機(jī)組30#小錐箱軸承改進(jìn)方案及設(shè)計(jì)手法為國內(nèi)同類型高速線材廠中首次采用，明顯的使用效果得到了同行的認(rèn)可，于是杭鋼高線、石橫特鋼高線等國內(nèi)同類型機(jī)組都在競相效仿我廠進(jìn)行改造。取得了一定的社會效益。

7參考文獻(xiàn)

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 [M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2008:457-486.

煉鋼分會，2012：210-214.

收稿日期：聯(lián)系人：趙登山，工程師，河南，安陽(455000)，安陽鋼鐵集團(tuán)有限公司第一煉軋廠；2015—6—15