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        二十輥軋機(jī)用背襯軸承滾子端面與擋圈擦傷原因分析

        2015-08-01 04:58:22劉飛航盛興根李興林戴健辛華鋒
        軸承 2015年7期
        關(guān)鍵詞:擋圈基面滾子

        劉飛航,盛興根,李興林,戴健,辛華鋒

        (1.杭州佩靈軸承有限公司,杭州 310021;2.杭州軸承試驗研究中心有限公司 博士后工作站,杭州 310022)

        背襯軸承作為二十輥軋機(jī)的關(guān)鍵部件,直接影響軋機(jī)的可靠性、安全性、壽命及軋制鋼板的質(zhì)量。由于軸承要求的旋轉(zhuǎn)精度等級需達(dá)到P4以上,軸承需定期檢修,以保證其使用質(zhì)量。某鋼廠在提高軋制力后的試生產(chǎn)階段,軸承檢修時發(fā)現(xiàn)其一列滾子端面及擋圈出現(xiàn)了擦傷的異常磨損情況。為此分析磨損原因,提出了改進(jìn)方案,并通過實際使用驗證了改進(jìn)的有效性。

        1 擦傷方式

        二十輥軋機(jī)用背襯軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用外圈雙滾道帶擋邊、內(nèi)圈無擋邊、內(nèi)圈兩側(cè)用平擋圈、保持架外引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。軸承成組安裝在二十輥軋機(jī)支承輥的芯軸上,內(nèi)圈固定、外圈旋轉(zhuǎn),潤滑方式為乳化液潤滑,軸承主要承受軋機(jī)軋輥傳遞的徑向軋制力。由于生產(chǎn)的需要,將軋機(jī)的軋制力由6 000 kN提高到了8 000 kN,轉(zhuǎn)速為600 r/min。軸承上機(jī)使用2周后,下機(jī)檢修時發(fā)現(xiàn)軸承一列滾子端面和對應(yīng)的平擋圈之間出現(xiàn)異常擦傷磨損情況,分別如圖2和圖3所示。將軸承拆解后觀察,內(nèi)外滾道、外圈中擋邊和另一側(cè)的滾子、擋圈以及保持架均無異常。磨損側(cè)經(jīng)輪廓儀檢測,滾子端面和擋圈的磨損痕跡傾角分別約為57′26″和41′40″。

        圖1 軸承結(jié)構(gòu)示意圖

        圖2 滾子端面擦傷

        圖3 擋圈擦傷

        2 輥系結(jié)構(gòu)及受力分析

        2.1 輥系結(jié)構(gòu)

        二十輥軋機(jī)的特點是軋制力從工作輥通過中間輥傳到支承輥的背襯軸承,并最終傳到堅固的整體機(jī)架上。輥系示意圖如圖4所示。該結(jié)構(gòu)使輥系變形極小,可以在軋制的整個寬度方向獲得非常精確的厚度偏差;具有軸向和徑向輥形調(diào)整、輥徑尺寸補(bǔ)償、軋制線調(diào)整等機(jī)構(gòu),并采用液壓壓下及位置自動控制系統(tǒng),因此產(chǎn)品板形好,尺寸精度高。

        圖4 二十輥軋機(jī)輥系示意圖

        背襯軸承采用雙列圓柱滾子軸承,主要用來承受徑向軋制力。滾子端面與外圈擋邊和擋圈之間為面接觸,滾子外徑為對數(shù)凸度修形。該結(jié)構(gòu)能很好地矯正滾子在運(yùn)動過程中的歪斜,在軸承只承受徑向輕載、低速的工況下能確保軸承的使用壽命。

        2.2 受力分析

        背襯軸承的額定動載荷為1 040 kN,軋機(jī)的軋制力為8 000 kN,每個支承輥芯軸上裝有9套背襯軸承,上下各4個支承輥。損壞的背襯軸承安裝在下支承輥的兩側(cè),由于兩側(cè)支承輥受力為軋制力的58%~62.5%,為中間支承輥受力的1.4倍左右,2個中間支承輥受力為軋制力的41.5%~44.4%[1],所以損壞軸承承受的最大載荷約為8 000×62.5%÷2÷9=277.78 kN,占額定動載荷的26.71%,屬于重載。

        3 軸承擦傷原因分析

        3.1 軸向力來源

        實際工作過程中,為了對所軋制板材的板形進(jìn)行控制,軋機(jī)必須按照所軋制板材原料的形狀調(diào)整支承輥和中間輥的位置,從而改變工作輥輥形曲線。即對第1、第2中間輥和調(diào)彎輥進(jìn)行軸向調(diào)整來控制板形,這會使背襯軸承承受軸向載荷。

        1)調(diào)彎輥影響。軋機(jī)利用徑向輥形調(diào)整機(jī)構(gòu),使支承輥(背襯軸承)的芯軸徑向傾斜一個角度α(圖5),背襯軸承所受的軸向力為

        Faw=Frzsinα。

        (1)

        圖5 調(diào)彎輥引起的軸向力

        2)中間輥軸向竄動。為了調(diào)整板材邊部形狀,第1中間輥的2個上輥和2個下輥的一端制成錐形,其圓錐段的長度相同,位置相反,調(diào)整時上下輥反向移動。第2中間輥居中的非傳動輥有凸度,該軋輥不對稱,上下2個輥的大小頭位置相反,可以軸向移動,從而改變工作輥輥形曲線。此時會對背襯軸承產(chǎn)生軸向拖動力。

        3)輥系不平行。當(dāng)軋機(jī)輥系中的任何2個相接觸的軋輥軸線不平行時,其軋輥外徑面的接觸部位會產(chǎn)生軸向力,如圖6所示,中間輥線速度vzjg和支承輥背襯軸承線速度vzc分別垂直于各自軸線,當(dāng)其軸線不平行時,2個輥徑向接觸處的線速度方向不重合,會在軸向產(chǎn)生相對速度va,引起接觸部位產(chǎn)生軸向運(yùn)動趨勢,從而產(chǎn)生軸向力。

        圖6 輥系不平行引起的軸向力示意圖

        3.2 擦傷原因

        原背襯軸承在設(shè)計時只考慮用來承受徑向軋制力,實際使用時,由于軸承安裝、制造誤差和軸向力的影響,會導(dǎo)致滾子產(chǎn)生一定的歪斜[2]。歪斜角取決于滾子所承受的軸向與徑向力的比值,比值越大歪斜角越大。

        當(dāng)提高軋制力時,軸承承受的軸向力大大增加,滾子歪斜加劇,滾子端面與擋圈倒角接觸,導(dǎo)致應(yīng)力增加、潤滑條件變差,產(chǎn)生大量摩擦熱,最終導(dǎo)致滾子端面與擋圈之間產(chǎn)生摩擦、磨損痕跡。

        而外圈擋邊和另一側(cè)滾道的滾子端面均無擦傷,這是因為內(nèi)圈固定,外圈隨中間輥轉(zhuǎn)動,外圈在軸向力的作用下向一側(cè)運(yùn)動,外圈中擋邊推向滾子端面。背襯軸承在軸向力和徑向力聯(lián)合作用下的受力如圖7所示。由于存在軸承外滾道軸向間隙S1,S2和滾道軸向間隙S3以及徑向游隙Gr,使承受軸向力一側(cè)的滾子歪斜,該滾子的兩端面只與外圈中擋邊和擋圈接觸,而外圈中擋邊為圓弧倒角,擋圈的倒角為45°,所以滾子端面與外圈中擋邊之間的潤滑優(yōu)于滾子端面與擋圈之間的潤滑。擦傷首先出現(xiàn)在滾子與擋圈之間,而外圈擋邊和另一側(cè)滾道的滾子端面、擋圈由于不承受軸向力,即使?jié)L子歪斜,也沒有產(chǎn)生擦傷。

        圖7 背襯軸承在軸向力和徑向力聯(lián)合作用下的受力圖

        4 改進(jìn)措施及使用效果

        4.1 改進(jìn)措施

        研究表明,將圓柱滾子軸承由直擋邊改為斜擋邊,滾子端面設(shè)計成球基面,使兩者的接觸由面接觸變?yōu)辄c接觸,可以改善擋邊的受力及擋邊與滾子端面的潤滑[3],從而提高圓柱滾子軸承的軸向承載能力。

        4.2 參數(shù)選取

        4.2.1 擋邊傾角θ

        擋邊傾角對軸承軸向承載能力有較大影響,取值多為10′~30′,且存在最優(yōu)值。隨轉(zhuǎn)速降低,最優(yōu)值相應(yīng)增大;載荷增加,最優(yōu)值亦相應(yīng)增大[4]。由于背襯軸承承受的軸向力較大,因此θ取為30′±3′,即將外圈各擋邊和擋圈都加工成傾斜度為30′±3′的斜面,如圖8所示。圖中RSR為滾子球基面半徑;Dw為滾子直徑;H1為滾子球基面與外圈中擋邊的接觸點到滾道的距離;H為外圈中擋邊高度。

        圖8 滾子球基面與斜擋邊示意圖

        擋邊、擋圈傾角的偏差對滾子球基面的接觸點影響較大,生產(chǎn)時需嚴(yán)格控制。設(shè)備調(diào)整時需用極限樣板法和夾球測量高度的方法進(jìn)行驗證[5],最終需在輪廓儀上確認(rèn)無誤后方可加工。

        4.2.2 滾子球基面

        考慮到外圈擋邊上油槽的影響,設(shè)計時需校驗接觸點,所以選取滾子和外圈中擋邊計算。設(shè)計參數(shù)若滿足外圈中擋邊,則同時滿足擋圈的要求。由圖8可得滾子球基面半徑為

        RSR=(Dw/2-H1)/sinθ,

        (2)

        已知:Dw=29.5 mm,θ=30′±3′,H=5.475 mm。沒有偏斜時,理想的滾子球基面與擋邊斜面的接觸點位于擋邊中部,有偏斜時位于擋邊偏上部[6]。故接觸點位置H1=H/2=2.737 5 mm,考慮到滾道油槽的影響,接觸點取偏大值,即取H1=2.8 mm,代入(2)式可得RSR≈1 369 mm,為了便于加工檢測,RSR取1 370 mm,上偏差為0,下偏差為-3 mm。

        由于RSR和θ存在加工誤差,為保證接觸點在擋邊的有效接觸區(qū)域內(nèi),必須對接觸點位置進(jìn)行校核[3]。H1min=Dw/2-Remaxsinθmax=1.599 mm>1.2 mm,H1max=Dw/2-Reminsinθmin=4.014 mm,H-0.5=4.975 mm。表明所取參數(shù)的接觸點未超出擋邊的有效接觸區(qū)域。

        滾子長度公差范圍較大,一般控制在0~0.04 mm范圍內(nèi),為了確保軸承的軸向承載能力,裝配時需對滾子長度的尺寸公差重新分選,確保同一套軸承內(nèi)的滾子長度公差在0~0.01 mm范圍內(nèi)。

        4.3 實際使用情況驗證

        改進(jìn)后的軸承安裝在下支承輥受力較大的兩側(cè)支承輥芯軸上,在8 000 kN的軋制力下工作一個周期后下機(jī)檢查,發(fā)現(xiàn)軸承旋轉(zhuǎn)靈活,滾子端面和擋圈未出現(xiàn)擦傷、磨損現(xiàn)象。

        5 結(jié)束語

        通過對軸承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,將軸承的擋邊設(shè)計成斜擋邊,滾子端面設(shè)計成球基面,使兩者的接觸由面接觸改為點接觸,改善了擋邊的受力及其與滾子端面的潤滑條件,可以滿足二十輥軋機(jī)的使用要求,提高了軸承的使用壽命。

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